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Piloter les moteurs à courant continu à balais avec modulation de largeur d’impulsion

Publication: 15 octobre

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La durabilité de la popularité des moteurs à courant continu à balais sans noyau s’explique par la simplicité de leur conception, leurs réponses transitoires rapides, leurs pertes de fer minimes et leur facilité de contrôle...
 

Avec une vitesse proportionnelle à la tension appliquée, ce type de moteur peut être simplement entraîné en utilisant une alimentation électrique à régulation linéaire continue. Mais est-ce toujours la meilleure solution ?

Le Dr Sunil Kedia, responsable du NPD du marché principal chez Portescap, examine les avantages de l’utilisation d’une commande MLI comme alternative et étudie la fréquence optimale, l’ondulation du courant et les considérations de durée de vie pour le contrôle des moteurs à courant continu à balais.

De la robotique et de l’automatisation industrielle aux appareils électriques et même aux jouets, de nombreuses applications utilisant les moteurs miniatures CC à balais exigent d’entraîner le moteur à plus d’un point de charge ou par des cycles de charge spécifiques. Bien que cela soit possible avec des alimentations électriques à régulation linéaire continue, celles-ci ont tendance à être inefficaces et encombrantes deux caractéristiques qui constituent des inconvénients particuliers dans les équipements alimentés par batterie.

La régulation de la tension par modulation de largeur d’impulsion (MLI) offre alors une alternative. Ici, la puissance d’entrée du moteur est continuellement activée et désactivée à une fréquence de fonctionnement élevée : la combinaison de l’inductance de la bobine et de l’inertie du moteur sert à lisser la vitesse, de sorte que le moteur se comporte comme s’il percevait une tension continue pure. La vitesse du moteur est définie par le rapport cyclique, c’est-à-dire le rapport entre le temps d’activation et le temps de désactivation de la tension appliquée.

La commande par régulation de tension MLI permet de remédier aux deux principaux inconvénients de la régulation de tension linéaire continue, avec des entraînements compacts et très efficaces. Le couple de sortie peut être contrôlé plus précisément et une conception correcte permet de minimiser les effets des courants de Foucault qui en résultent (un compromis inhérent à l’utilisation de la MLI avec un moteur), offrant ainsi au moteur un entraînement optimal. L’amélioration du rendement de l’entraînement MLI réduit l’échauffement des composants électroniques et, dans les applications alimentées par batterie, augmente la durée de vie de celle-ci.

L’argument en faveur de la commande MLI est donc important. Cependant, il y a un certain nombre de considérations de conception à prendre en compte lors de l’utilisation d’une commande MLI avec des moteurs CC à balais, avec des paramètres tels que la fréquence MLI et le cycle de fonctionnement, ayant tous un impact sur la performance et la durée de vie du moteur.

Considérations relatives à la conception

Le moteur à courant continu à balais peut être simplement modélisé comme un circuit de résistance/induction en série (RL). Pour tout circuit de ce type, lorsqu’une tension est appliquée aux bornes de celui-ci, le courant s’élève sur une courbe vers une valeur de régime permanent. Et lorsque la tension est supprimée, le courant suit la courbe inverse vers zéro. La constante de temps du circuit RL définit la vitesse maximale de changement de la tension appliquée dans le circuit.

Lorsque l’on utilise la MLI pour piloter le moteur, le courant traversant le moteur augmente et diminue à chaque période de la MLI. En ignorant l’effet de self du moteur, l’augmentation du courant est fonction de l’inductance du moteur et de la résistance totale. L’idéal en matière de conception est de déterminer la fréquence MLI de manière à laisser suffisamment de temps au courant pour atteindre son état stable à chaque cycle. Mais ce n’est pas toujours la bonne approche.

Si la fréquence MLI augmente au-delà de cette valeur seuil, le temps est insuffisant pour que le courant atteigne son état stable et le courant oscille entre deux valeurs d’état non constant, ce qui entraîne une ondulation du courant. L’ondulation est directement proportionnelle à la fréquence appliquée et à mesure que la fréquence MLI augmente, l’effet d’ondulation se réduit à une plage acceptable. Cette ondulation du courant a un certain nombre d’impacts négatifs sur les performances du moteur, notamment un comportement non linéaire du couple puisque le couple de sortie est proportionnel au courant. Par conséquent, la fréquence est choisie de sorte que l’ondulation du couple n’ait pas d’impact sur les performances de l’application.

De plus, l’échauffement résistif dans l’enroulement du moteur est proportionnel au carré du courant. Un courant d’ondulation excessif augmente l’échauffement dans le bobinage, ce qui diminue les performances du moteur et impacte sa durée de vie.

Pour les moteurs CC à balais qui n’utilisent pas de tôles en fer, les pertes par courants de Foucault et hystérésis dans le circuit magnétique sont directement proportionnelles à l’ondulation du courant, de sorte qu’une fois encore, une ondulation excessive du courant réduit les performances globales du moteur.

L’ondulation du courant a également un effet direct sur la commutation du moteur. Pour la commutation par métaux précieux, l’électroérosion des balais pendant les pics de courant peut être un problème sérieux, celle-ci étant proportionnelle au carré du courant effectif traversant le bobinage. L’usure des balais représente déjà le principal mode de défaillance dans les moteurs CC à balais. Une électroérosion accrue ne fait qu’accélérer leur usure.

Pour la commutation des balais de carbone, des niveaux élevés d’ondulation du courant augmentent l’accumulation de patine - la couche d’oxyde de cuivre qui se forme sur la surface du collecteur du balai de carbone. Bien qu’une couche mince soit avantageuse pour améliorer la commutation et réduire le frottement, plus la taille de la couche augmente, plus le contact des balais se détériore. À des vitesses modérées à élevées, cela n’affecte peut-être pas de manière significative les performances du moteur, mais cela commence certainement à avoir un effet notable à des vitesses de fonctionnement faibles.

Réduire le courant d’ondulation

Le courant d’ondulation ayant un tel impact sur les performances et la durée de vie du moteur, comment le minimiser ? Il convient de noter, tout d’abord, que l’ondulation du courant est maximale lorsque le cycle de fonctionnement est de 50 %. L’objectif serait donc de faire tourner le moteur en dehors de ce cycle de fonctionnement de 50 %.

De plus, comme nous l’avons vu, l’ondulation du courant est directement liée à la fréquence MLI. Il est certainement conseillé de maintenir la fréquence MLI en dehors de la gamme de l’oreille humaine (20 Hz - 20 kHz) car une ondulation du courant dans cette gamme de fréquences peut introduire du bruit pendant le fonctionnement du moteur. Mais si l’on considère qu’un objectif de référence est de réduire l’ondulation du courant à moins de 10 % afin d’optimiser les performances et de maximiser la durée de vie du moteur, cela peut signifier une gamme de fréquences MLI allant jusqu’à 40 - 120 kHz.

Portescap recommande de s’adresser à un ingénieur compétent pour discuter des spécificités de l’application, car les interdépendances entre les exigences de l’application, les caractéristiques de performance du moteur et la conception ou la spécification de l’entraînement MLI qui en résulte sont complexes. Il est encore plus important de bien comprendre ces dépendances dans les applications à batteries, où la nécessité de maximiser les performances des applications va de pair avec la nécessité de prolonger la durée de vie des batteries.

http://www.portescap.com/

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