Étage de puissance PWM : ondulation de courant et inductances moteur

Sujet :

Toute sortie de puissance de moteur MLI des contrôleurs et des amplificateurs conduit à ce qu'on appelle une ondulation de courant dans le cas de moteurs à faible inductance. Ce document présente différents aspects et mesures pour réduire cette ondulation de courant.

Situation :

La plupart des contrôleurs et amplificateurs de moteur modernes sont basés sur une sortie de puissance MLI adaptant la tension moteur requise par une modulation de largeur d'impulsion MLI. La tension du moteur contrôlée par MLI entraîne une ondulation du courant qui reflète l'augmentation et la diminution du courant à l'intérieur du bobinage à chaque cycle de MLI. L'ondulation du courant peut être un facteur d'échauffement des bobinages du moteur (même à l'arrêt ou sans charge attachée). Le niveau maximal de crête à crête (Ipp) de l'ondulation de courant dépend de différents facteurs.

Ondulation du courant : Facteurs d'influence

• La fréquence MLI fPWM de l'amplificateur :
  Plus la fréquence est élevée, plus l'ondulation du courant est faible.
  
  
• Le schéma MLI utilisé par l'amplificateur :
  Les amplificateurs 4-Q avec un schéma MLI à 2 niveaux présentent une ondulation de courant plus importante que les amplificateurs 1-Q ou les amplificateurs 4-Q avec un schéma MLI à 3 niveaux.
  
  
• La tension d'alimentation VCC :
  Plus la tension d'alimentation est faible, plus l'ondulation du courant est faible.
  
  
• L'inductance totale effective Ltot des bobinages du moteur et éventuellement des inductances existantes du moteur : Plus l'inductance Ltot est élevée, plus l'ondulation du courant est faible.
  
  
• La charge par rapport au courant continu (nominal) maximal Icont du moteur (voir catalogue) :
  Plus la charge est faible, plus l'ondulation du courant peut être élevée sans surcharger le moteur.
  
  

Solution : Selfs du moteur

Des selfs supplémentaires (en plus de l'inductance du bobinage du moteur) peuvent réduire fortement l'ondulation du courant. Ces selfs moteur peuvent être intégrées directement dans l'étage de puissance du contrôleur (comme le fait typiquement maxon) ou peuvent être connectées extérieurement en série aux bobinages du moteur. L'utilisation de selfs moteur présente différents avantages :

• Les selfs moteur protègent le moteur de la surchauffe due à une ondulation de courant trop importante : La self réduit l'ondulation du courant causée par le MLI, ce qui diminue la production de chaleur supplémentaire.
  
  
• Dans des cas particuliers, des selfs moteur peuvent être nécessaires pour garantir la stabilité de la boucle de contrôle du courant : Il existe parfois une "inductance terminale minimale" spécifiée par le contrôleur.
  
  
• Les selfs moteur empêchent le déclenchement intempestif de la limitation du courant de crête de l'amplificateur, par exemple dans le cas du "DEC Module 24/2" et du "DEC Module 50/5" fonctionnant avec des moteurs à faible inductance et à haute tension.
  
  
• Les selfs moteur sont fortement recommandées lors de l'utilisation de moteurs à courant continu à balais avec des disques CLL dans le cas d'amplificateurs sans selfs moteur intégrées.

Calcul de l'ondulation du courant :

(Extrait du "Recueil de formules" de maxon)

Règles générales :

• Les régulateurs 4-Q de maxon utilisent un schéma MLI à 3 niveaux, d'où les formules suivantes.
  Ipp = Vcc / (4 * Ltot * fpwm)
  peut être utilisée pour déterminer l'ondulation du courant, ce qui est valable pour les régulateurs 1-Q et 4-Q (MLI à 3 niveaux).
  
  
• L'inductance effective des bobinages du moteur dans le cas d'une fréquence MLI de 50 à 100 kHz ne sera que de 30 à 80 % de la valeur spécifiée dans la fiche technique du moteur (qui est basée sur une fréquence de 1 kHz seulement). Par conséquent, calculez l'inductance réelle du moteur en multipliant la valeur spécifiée par 0,3.
  
  
• Ne négligez pas l'inductance des selfs internes du contrôleur pour calculer l'inductance totale Ltot. Il n'y a toujours que deux selfs internes (phase à phase) actives.
  
  
• Si Ipp est inférieur à 1,5 fois le courant nominal du moteur (voir la fiche technique du moteur) et que la charge du moteur est inférieure à 90 % du couple nominal spécifié, aucune self moteur externe supplémentaire n'est nécessaire.
  
  

Exemple :

• Moteur : ECi-40, #449464
  Courant nominal : 2.8 A
  Inductance aux bornes : 0.39 mH
  
  
• ESCON 50/5, #409510
  Fréquence MLI : 53.6 kHz
  Inductance moteur intégrée : 3 x 30 µH
  
  
• Tension d'alimentation en cours d'utilisation :
  Vcc : 24 V
  
  
• Inductance totale :
  Ltot = (0.3 * 0.39 mH) + (2 * 0.03mH)
  Ltot = 0.177 mH
  
  
• Ondulation du courant
  Ipp = Vcc / (4 * Ltot * fpwm)
  Ipp = 24V / (4 * 0.177mH * 53.6kHz)
  Ipp = 0.63 A
  
  
• Conclusion :
  L'ondulation du courant (= 0,63A) est bien inférieure au courant nominal du moteur spécifié (= 2,8A), c'est-à-dire qu'il n'y a pas de mesures supplémentaires (par exemple, des selfs moteur externes) nécessaires pour le fonctionnement.
  
  

Estimation de la nécessité de selfs moteur externes :

Remarque :

Les régulateurs maxon utilisent des fréquences MLI élevées (50 - 100 kHz) basées sur un schéma MLI à 3 niveaux, et il y a souvent des selfs moteur intégrées présentes optimisées pour la gamme typique des moteurs utilisés. Enfin, cela réduit le câblage externe et les coûts totaux d'un système s'il n'est plus nécessaire d'utiliser des selfs moteur externes.

Très souvent, il n'y a pas besoin de selfs moteur externes si des contrôleurs maxon sont utilisés. Quoi qu'il en soit, les formules ci-dessus doivent être prises en compte pour confirmer cela, en particulier dans le cas d'un moteur trop chaud ou dans le cas de l'utilisation de types de produits dits "Module" sans selfs moteur internes.

Plus d'informations : Documents joints !

Veuillez prendre connaissance des documents joints suivants qui fournissent des informations plus détaillées et une vue d'ensemble des données techniques pertinentes des contrôleurs et amplificateurs maxon :

• DEUTSCH_MotorDrosselBerechnung_V1-00de.pdf
  Version allemande des informations supplémentaires et plus complètes sur le calcul de l'ondulation du courant sur la base des données techniques des régulateurs maxon.
  Contenu identique à la version anglaise du document.
  
  
• ENGLISH_MotorChokeCalculation_V1-00en.pdf
  Version anglaise du document contenant des informations supplémentaires et plus complètes sur le calcul de l'ondulation du courant basé sur les données techniques des contrôleurs maxon.
  Contenu identique à la version allemande du document.
  
  
• ENGLISH_PWM-and-Motor-Heating_V1-00en.pdf
  Informations complémentaires approfondies sur l'ondulation de courant et l'échauffement du moteur dû à l'ondulation de courant.
  Ce document n'est disponible qu'en anglais.

Référence croisée :

• Video "Étages de puissance MLI et échauffement du moteur"
• Document du centre de support : "MLI (MLI), schéma MLI (2 niveaux, 3 niveaux), ondulation de courant, chauffage du moteur"