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Survoltage moteur DC avec pont en H


6 réponses à ce sujet

#1 Sandro

Sandro

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Posté 14 octobre 2019 - 08:26

Bonjour,

 

Je me demandais quels sont les avantages et/ou inconvénients à choisir une tension d'alimentation trop haute pour un moteur DC et de compenser ensuite par un rapport cyclique (PWM) faible au niveau du pont en H?

 

Pour l'instant, en inconvénients, je vois :

- risque de détruire le moteur par surchauffe si on se trompe dans le programme et utilise un rapport cyclique trop élevé

- nécessité d'un pont en H supportant la tension plus élevée (peut exclure certains modèles)

- perte de résolution sur la consigne (on n'utilise qu'une partie de la plage du PWM). Néanmoins, à moins d'augmenter énormément la tension, je pense pas que cette perte de résolution ait un impact perceptible (si on double la tension, on aura 128 vitesses au lieu de 256, ce qui est plus qu'assez)

 

En avantages :

- possibilité de survolter le moteur pour une faible durée pour gagner ponctuellement en puissance

- plus grande facilité de réutiliser le matériel (si on prends des moteurs plus basse tension, on a plus de choix ensuite sur la tension d'alimentation)

 

 

En revanche, il y a un certain nombre de points sur lesquels je ne connais pas l'impact :

- le rendement : y a-t-il plus de pertes avec une tension de batterie élevée et un rapport cyclique faible ou avec une tension batterie proche de la tension nominale du moteur et un rapport cyclique élevé

- l'usure du moteur

- y a-t-il un risque de détruire le moteur en le survoltant si le rapport cyclique est faible? Pour aller dans l’extrême, peut-on alimenter un moteur 2V avec du 48V et un rapport cyclique de 2/48=1/24=4.17%?

- y a-t-il un risque de saturation du moteur (ie le rapport puissance_méca/puissance_élec se dégrade-t-il quand la tension augmente (et le rapport cyclique diminue en proportion inverse), éventuellement à partir d'un seuil)?

- y a-t-il plus ou moins de génération de bruit sur la tension de la batterie (d'un coté les pics de courant sont plus intenses, de l'autre ils sont plus courts)?

 

Si vous avez d'autres idées de critères en faveur ou défaveur d'une batterie avec une tension plus élevée que la tension max du moteur, je suis aussi preneur.

 

Merci d'avance

Sandro


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#2 ashira

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Posté 14 octobre 2019 - 09:01

Salut!

De manière générale au niveau des mosfets, plus tu as une tension Vds élevée plus les performances en conduction diminuent (rdson plus élevé). Donc le rendement est moins bon.
Tu prends le risque aussi de générer des pics de tension parasite plus élevés par rapport à une alimentation plus basse tension.

Pour le moteur je pense qu'il faut regarder du côté de sa constante de temps électrique (L/R). Si ton moteur permet une variation de courant trop rapide par rapport à la fréquence de la pwm, il pourrait recevoir un courant trop élevé.

#3 Sandro

Sandro

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Posté 14 octobre 2019 - 11:02

Bonsoir,

et merci

 

Pour les mosfet du pont en H, je viens de regarder les courbes Rdson en fonction du courant (si on suppose le moteur linéaire, alors on a le même comportement en tension), et il y a généralement des variations de l'ordre de 10% sur la gamme mesurée. Avec des Rdson allant de quelques dizaines de milliohms à quelques ohms, ça nous fait des différences qui sont probablement de l'ordre du dixième de ohms ou moins. Si on prends le module de l’impédance des moteurs (U/I), alors on tourne autour de la centaine d'ohms pour le moteur à vide, et autour de la dizaine bloque (le plus bas que j'ai vu sur 5-6 moteurs était 3.75 ohms). Donc l’influence du courant sur Rdson semble avoir un impact de quelques pourcents aux maximum sur la consommation globale. Donc très léger avantage à ne pas survolter de ce point de vue, mais ça ne semble pas être un élément décisif.

 

Un autre élément à regarder, c'est les pertes en commutations : la puissance dissipée est P=V*I*(t_on+t_off)*f/2  où V est la tension d'alimentation, I le courant moyen (si j'ai bien compris), t_on et t_off les temps de commutation et f la fréquence. Donc si on augmente la tension d'alimentation (V), on augmente la puissance dissipée par commutation de manière proportionnelle.

Application numérique : f= ~500Hz pour un PWM d'arduino (par défaut) ; t_on+t_off=~50ns (j'ai vu de 22 à 100 ns en regardant quelques N-MOS). Si on prends par exemple un moteur donné à 12V 1A, alors si on l’alimente en à peine plus que 12V, alors on a une puissance perdue en dicipation de P=12*1*(5*10^-8)*500=0.3mW. Si on double la tension, on passe à 0.6mW, soit une différence de 0.3mW, ce qui est négligeable par rapport aux 12W consommés par le moteur. A noter que si on est à un rapport cyclique très faible (disons 1%), alors le moteur consommera encore 1.2W, donc même là, ça reste négligeable. Changer le courant nominal du moteur n'a pas d'impact sur le rendement car la puissance perdue par commutation et la puissance du moteur sont tous deux proportionnels à ce courant.

 

Donc en résumé, si je n'ai rien oublié, au niveau du pont en H, il y a une légère baisse de rendement en augmentant la tension d'alimentation, mais il semblerait qu'elle soit généralement négligeable ou presque.

Quelqu'un  a-t-il une idée ce qu'il en est au niveau du moteur?

 

 

Pour ce qui est de la variation de courant, normalement la fréquence du PWM devrait être choisie pour éviter d'avoir trop d'ondulations. Si c'est bien le cas, alors y a-t-il un problème en cas de tension d'alimentation trop élevée?

Si ce n'est pas le cas, y a-t-il un problème du coté du moteur d'avoir des pics de courant tant que la moyenne reste dans les spécifications?


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#4 ashira

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Posté 15 octobre 2019 - 11:17

Doubler les pertes sur des transistors ce n'est pas du tout négligeable dans des applications à plus forte puissance.

Il faut comparer la puissance dissipées du mosfet à la puissace max que peut dissiper le package de ton composant, suivant comment tu le refroidis.

 

exemple temp.PNG

ex temp.PNG

 

Pour du control moteur, prend au moins 16kHz en fréquence de commutation. Avec 12V 1A, être inaudible n'est pas un luxe^^

Quant à la vitesse de commutation des mosfets, la encore tout dépend des puissances en jeu. Avec des tensions/courants plus élevé, commuter des mosfets aussi rapidement qu'à 22ns ou 50ns entraîne des pics et ondulations de grande amplitude qui peuvent dépasser la limite de certain composant. Si tu veux te faire un contrôleur, il faut bien faire attention au routage et à la longueur des pistes.

 

 

Pour tes pointes de courant, il faut voir en fonction de leur amplitude, de leur durée, de leur répétition et de l'inertie thermique du moteur.  Le risque étant la surchauffe au niveau des bobines et la dégradation des aimants. 

 

Avec un moteur à charbon et une tension trop élevée tu as peut être le risque d’arquer d'avantage au niveau des commutations dans le moteur. Surtout si tu ne limite pas sa vitesse.



#5 Sandro

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Posté 15 octobre 2019 - 01:05

Du coup, je viens de faire une estimation rapide pour le projet en cours : je serais, en fonctionnement "normal", vers 25 tr/min et un couple de 0.4 Nm, soit une puissance mécanique de 1W. On peut donc partir sur une puissance électrique de 2W en fonctionnement normal (je vais surdimensionner un peu pour pouvoir faire face a des efforts plus importants ponctuellement).

Donc si on parts sur du 12V, on a un courant moyen de l'ordre de 200mA. Du coup, à voir quel compromis faire entre pertes en commutation, bruit et oscillations de courant (mais c'est vrai que même en 16kHz, les pertes semblent acceptables (environ 2mW si on reprends les temps de montée+descente de 50ns).

 

 

Pour ta dernière phrase, j'ai pas compris : quand tu parles "d'arquer", tu parles de la création d'arcs électriques? Et qu'entends tu par limiter la vitesse?


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#6 ashira

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Posté 15 octobre 2019 - 03:45

Quand le moteur à balais tourne, des contactes se font entre les charbons et le collecteur. Les changements de contactes forment des arcs.

le-moteur-a-courant-continu-principe.jpg

Donc peut être qu'avec une tension plus élevée ces arcs peuvent être plus grand et endommager le moteur au niveau collecteur/charbon. Ces arcs se forment même avec une tension "normal" et sont de plus en plus apparents lorsque le moteur tourne vite.

#7 Sandro

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Posté 15 octobre 2019 - 05:30

D'accord, merci beaucoup pour l'explication


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