Fiche de cours

FICHE N°1 : LE MOTEUR A COURANT CONTINU
PRESENTATION
Schéma équivalent
Le schéma électrique équivalent permet de modéliser l'induit du moteur :
Um=E+R.Im
Um=tension aux bornes du moteur
E=force électromotrice
R=résistance d’unduit en Ω
Im=courant dans l’induit
Sa fonction
BILAN DES PUISSANCES ET RENDEMENT
Puissance utile Pu : elle s’exprime en W , Pu=Cu.Ω
Ω
La puissance fournie est de type électrique caractérisée par :
Le courant (I) et la tension (U) continus.
C’est la puissance mécanique produite par le moteur pour entraîner la charge.
Puissance absorbée par le moteur : Pa=Um.Im
La puissance utilisable est de type mécanique (rotation) caractérisée par :
Le couple utile (Cu) et la vitesse de rotation (Ω)
Um la tension aux bornes de l’induit et Im le courant dans l’induit.
Pertes joules Pj : Pj=R.Im²
FONCTIONNEMENT
Le schéma de principe ci-dessous pour une spire permet de comprendre le
fonctionnement d'un moteur à courant continu :
Pertes constantes Pc : ces pertes sont la somme des pertes mécaniques
(puissance perdue par frottement) et magnétiques (saturation magnétique et
courant de Foucault). Ces pertes peuvent se déterminer à vide.
Rendement η :
η=Pu/Pa avec Pu=Pa-Pj-Pc
COURBES CARACTERISTIQUES
Les pôles Nord et Sud des aimants permanents créent un flux (champ
magnétique B )dans le moteur.
La spire est alimentée et plongée dans ce flux. Elle est soumise à un couple de
forces (force Fde Laplace). Le moteur se met en
rotation. On dit qu'il y a création d'un couple moteur.
On obtient un couple moteur plus élevé soit :
- en augmentant le nombre de spires.
- en augmentant le nombre de pôles d'aimants.
En permutant les fils d'alimentation du moteur le courant dans la spire est
inversé. Le couple qui s'applique est alors de sens contraire au précédent : le
moteur change de sens de rotation.
DEFINITIONS ET RELATIONS
Vitesse : elle s’exprime en tr/min (N), soit rd/s (Ω) :
Ω=N.2Π
Π/60
Force électromotrice (FEM) : elle s’exprime en V
Dans chaque spire alimentée il se crée une force électromotrice.
On définit E la somme de toutes les forces électromotrices des spires. Cette
f.e.m est proportionnelle à la vitesse de rotation :
E= k. Ω (k en V/rd/s et Ω en rd/s)
Couple électromagnétique Ce : il s’exprime en N.m
Ce= k.I (k en N.m/A et I en A)
ASSOCIATION MOTEUR ET REDUCTEUR
Rapport de réduction
R=Nr/Nm
Nr=vitesse en sortie du
réducteur
Nm=vitesse de rotation du
moteur
FICHE N°2 : LE PRINCIPE DU PONT EN H
PRESENTATION
Lorsque l'on veut faire tourner un moteur à courant continu dans les deux
sens de rotation, il faut inverser la polarité de l'alimentation sur ses
bornes. Le montage est très simple, avec 4 interrupteurs, ou avec 2
inverseurs.
De plus il est généralement préférable de pouvoir faire varier la vitesse du
moteur. La solution à ces deux problèmes s'appelle le pont en H.
L’inversion de polarité et Pont en H
La première idée qui vient à l'esprit lorsqu'on veut inverser les polarités
d'un moteur est le schéma suivant
:
Pont en H avec transistor NMos
COMMUTATION DES TRANSISTORS MOS CANAL N
Toute l'idée du pont en H réside dans ce schéma. Les interrupteurs S1 et
S4 fermés, le moteur (ici la charge) tourne dans un sens, les interrupteurs
S3 et S2 fermés, le moteur tourne dans l’autre sens.
LES MONTAGES PONT EN H
Les moteurs électriques nécessitent des courants importants par rapport
à ce que peut fournir un microcontrôleur.
Le premier rôle du pont en H est donc de fournir de forts courants aux
moteurs tout en permettant leur contrôle par la carte mère. Le montage
avec des interrupteurs est dangereux, on risque de mettre l' alimentation
en court-circuit !
Par contre, il est plus pratique d’utiliser des transistors à la place
d’interrupteurs pour réaliser des commutations. En plus de son rôle de
commutation, un transistor peut amplifier un courant et est plus facile à
contrôler par des signaux numériques ou analogiques.
Note : pour un CANAL P, la saturation se fait pour Vgs<0
LA DIODE DE ROUE LIBRE
Prenons le montage suivant :
Lorsque la tension e(t) s’annule,le transistor se bloque ; le courant ne
peut donc plus s’évacuer par celui-ci ; la diode D, appelée diode de roue
libre, permet au courant maintenu par la bobine L de circuler.
Le schéma ci-dessus représentent le schéma idéal du pont en H. Par
exemple pour le schéma à base de transistors bipolaires quand l'entrée In
1=1 et In2=0, les transistors T1 et T4 sont passants et les transistors T3
et T4 bloqués. Le pôle out1 du moteur est au potentiel Vcc, et out2 à la
masse.
Si on ne met pas cette diode, la tension induite générée par la bobine B
risque de provoquer le claquage du transistor.
Lorsque le transistor conduit, la diode est bloquée car uD = - U0 et
n’intervient pas dans le fonctionnement.
FICHE N°3 : LA COMMANDE EN PWM
LA VARIATION DE VITESSE (COMMANDE PAR PWM)
Quand on veut faire varier la vitesse d’un moteur, la première idée qui
vient à l’esprit est de faire varier la tension au borne du moteur mais on
constate que pour des valeurs faibles de la tension, le moteur ne tourne
pas. Le moteur demande une tension minimale assez importante pour
démarrer. Si cette dernière est trop basse, les forces électromagnétiques
ne sont pas suffisantes pour combattre le frottement. Il devient donc
difficile d’ajuster la vitesse de façon précise.
PIC ET PWM
Le PIC18f452 est constitué de 2 PWM de 10 bits de résolution.
Le PWM 1 sort sur la borne RC2 et PWM 2 sort sur la borne RC1
PWM duty cycle = (CCPR1L :CCP1CON<5 :4).Tosc.(TMR2 prescale
value)
PWM period = (PR2)+1].4.Tosc.(TMR2 prescale value)
La solution à ce problème est astucieuse. Il suffit de fournir au moteur
une tension qui est toujours la même soit la tension maximale ! Par
contre, cette tension ne sera appliquée que par très courtes périodes de
temps. En ajustant la longueur de ces périodes de temps, on arrive à faire
avancer plus ou moins vite les moteurs. Mieux, on remarque que la
vitesse des moteurs devient proportionnelle à la longueur des périodes de
temps. Contrôler la longueur des périodes passées à la tension maximale
par rapport au temps passé sans application de tension (tension nulle) est
donc le coeur de la solution. En réalité, cette solution est fort connue en
controle des systèmes et en électronique et elle porte le nom de PWM
(Pulse Width Modulation).
Un signal PWM est un signal dont la période est fixe, mais le rapport
cyclique varie. En d’autres termes, t1 et t2 varient tout en conservant
t1+t2=T=constante.
Exemple de programme pour PIC(18F452)
//**********************************************************************************
// Configuration du PWM utilisant le comparateur 1 et le timer 2 : bit RC2
//**********************************************************************************
void InitTimer2(void)
{
T2CONbits.T2CKPS1 = 0;
T2CONbits.T2CKPS0 = 0;
// Predivision par 1
INTERET DU PWM
Le principal intérêt de la technique PWM est de limiter la chauffe des
composants électroniques. Par exemple : une lampe de 20 Watts allumée
au maximum consomme 20 Watt. Si par une commande de gradation elle
est allumée au quart de sa puissance, elle consomme 5 Watt. Le
composant analogique devrait alors dissiper 15 W, ce qui implique un
énorme radiateur... En PWM, la puissance fournie est soit maximale, soit
nulle. Lorsqu'elle est maximale, pendant un quart du temps par exemple,
il n'y a pas besoin de dissiper de puissance résiduelle. Lorsqu'elle est
nulle, il n'y a pas besoin de dissiper non plus de puissance, car elle n'est
pas fournie du tout...
T2CONbits.TMR2ON = 1;
// Mise ne route du Timer 2
PIE1bits.TMR2IE = 0;
// Interdiction interruption du
//Timer 2
// Interrupt non prioritaire
// Init du bit de depassement}
IPR1bits.TMR2IP = 0;
PIR1bits.TMR2IF = 0;
void InitPwm(void)
{
TRISCbits.TRISC1 = 0;
TRISCbits.TRISC2 = 0;
Un autre intérêt de la PWM est que la tension appliquée au moteur
pendant t1 est Vcc. Celle-ci est suffisante pour vaincre les frottements et
faire tourner le moteur. Mais la tension moyenne appliquée au moteur est
proportionnelle au rapport cyclique, ce qui permet d’avoir des consignes
de vitesse faibles :
VMOY=t1.Vcc/T
// Bit RC1 en sortie
// Bit RC2 en sortie
InitTimer2();
// Initialisation du Timer 2
PR2 = 0xFF;
// Periode du PWM = 1024 cyc
//soit Fpwm = 39 kHz
// avec Fosc = 40 MHz
CCP1CON = 0x0C;
// Comparateur 1 en mode PWM
//sortie RC2
CCPR1L = 0x60;
// 8 bits de poids fort pour largeur
// d'impulsion
// 2 bits de poids faible
CCP1CONbits.DC1B1 = 0;
CCP1CONbits.DC1B0 = 0;
FREQUENCE DU PWM
La commande d'actionneurs de puissance par PWM est très liée à la
notion de fréquence. Pour que l'impression d'une valeur moyenne
constante d'allumage apparaisse, il faut que l'alternance
d'allumage/extinction soit suffisamment rapide pour qu'elle ne se
remarque pas.
Selon les utilisations la fréquence de PWM va de 100 Hz (100 cycles par
seconde) à 200 kHz.
CCP2CON = 0x0C;
// Comparateur 2 en mode PWM
// sortie RC1
CCPR2L = 0x10;
// 8 bits de poids fort pour largeur
// d'impulsion
// 2 bits de poids faible
CCP2CONbits.DC2B1 = 0;
CCP2CONbits.DC2B0 = 0;
}