Mesure du courant moteur dans le cas d'un amplificateur de puissance MLI (PWM)

Sujet :

• Comment mesurer le courant consommé par des moteurs contrôlés par un amplificateur de puissance MLI (PWM) ?

Situation :

Presque tous les contrôleurs de moteur modernes (comme les produits EPOS, ESCON, MAXPOS de maxon) utilisent un amplificateur de puissance MLI dit "haché" pour piloter le moteur, c'est-à-dire pour fournir le courant moteur requis en fonction du mode de fonctionnement, de l'état du contrôleur et du point de fonctionnement.

• Les contrôleurs maxon mesurent le courant du moteur directement dans l'amplificateur de puissance.
  
  
  • Le courant moteur peut être surveillé par le logiciel maxon correspondant (par exemple "EPOS Studio", "ESCON Studio", "MAXPOS Studio") ou être lu par le dictionnaire d'objets (dans le cas d'un EPOS ou d'un MAXPOS).
    
    
  • Les contrôleurs Maxon utilisent le courant moteur mesuré non seulement comme "valeur réelle du courant" pour le contrôle du courant (ou du couple), mais aussi pour la protection contre les surcharges de la bobine du moteur basée sur le "courant nominal" configuré et la "constante de temps thermique de la bobine".
    
    
• Si un contrôleur de moteur (tiers) n'offre pas la possibilité de mesurer et de surveiller le courant du moteur, il peut être nécessaire de mesurer le courant du moteur directement via les fils du moteur.
  
  
  • La mesure du courant du moteur par les fils du moteur est assez exigeante en ce qui concerne l'équipement et la procédure de mesure nécessaires.
    
    
  • Les différentes possibilités, les procédures typiques et l'équipement de mesure requis sont expliqués dans les paragraphes suivants.

Solution :

Contexte technique :

• Un amplificateur MLI peut être considéré comme une sorte de transformateur électronique DC. Si l'on néglige les pertes de puissance des composants électroniques, du moteur lui-même, ainsi que la consommation de puissance des composants périphériques tels que les capteurs et les actionneurs, la formule de puissance simple suivante est valable :
  
  La puissance d'entrée (tension d'alimentation VCC, courant d'alimentation I_Supply)
  est égale à la puissance de sortie (tension du moteur U_Mot, courant du moteur I_Mot)
  • P_In = P_Out
  • V_CC * I_Supply = U_Mot * I_Mot
    
    
• La tension d'alimentation VCC de la puissance d'entrée du contrôleur est constante mais la tension du moteur UMot dépend du point de fonctionnement actuel (= vitesse et couple). Le contrôleur  adapte la tension du moteur (c'est-à-dire le rapport cyclique MLI) en fonction du mode de fonctionnement et de la valeur de consigne commandée. La tension réelle du moteur Umot est toujours inférieure à la tension VCC fournie au contrôleur de moteur. Ceci est principalement dû aux deux raisons suivantes :
  
  
  • Selon le point de fonctionnement, la vitesse commandée du moteur correspondra typiquement à une tension moteur remarquablement plus faible (-> constante de vitesse du moteur) que le niveau de tension d'alimentation du contrôleur de moteur.
    
    
  • En raison de la limitation du "rapport cyclique MLI maximal" des amplificateurs MLI à 90-98% de la tension d'alimentation, la tension d'alimentation totale ne peut jamais être fournie au moteur, même en cas de fonctionnement à la vitesse maximale possible (-> spécification de la "tension de sortie maximale" du contrôleur de moteur).
    
    
• Etant donné que la tension du moteur UMot est toujours inférieure à la tension d'alimentation VCC, le courant du moteur IMot est généralement supérieur au courant d'alimentation ISupply (-> transformateur de puissance PIn = POut).
  
  
  • Le courant moteur IMot (et la tension moteur) dépend du couple et de la vitesse du moteur, c'est-à-dire du point de fonctionnement actuel du moteur.
    
    
  • Le courant d'alimentation I_Supply du contrôleur moteur n'est pas une indication directe du courant du moteur I_Mot.
    
    
  • Le courant d'alimentation I_Supply comprend tous les courants mineurs typiques nécessaires à l'électronique (microprocesseur, mémoire, ...) et aux composants périphériques (capteurs, codeurs, actionneurs, ...).
    
    
• Les contrôleurs maxon utilisent les données internes de mesure du courant du moteur pour la régulation du courant et la protection contre les surcharges du bobinage.

Mesure du courant moteur des moteurs à courant continu (= moteurs à balais) :

• Le courant moteur d'un moteur à courant continu peut être mesuré directement sur le fil du moteur.
  
  
• Il est nécessaire d'utiliser un multimètre "True RMS" pour mesurer le courant moteur dû à la tension moteur PWM hachée.
  
  
  • Un multimètre "simple" et couramment utilisé avec une sélection AC ou DC ne peut pas mesurer correctement le courant du moteur. La mesure du courant par un tel multimètre sera complètement fausse.
    
    
  • Important :
    Veuillez tenir compte de la note à la fin de cet article concernant les exigences techniques spécifiques d'un multimètre "True RMS" utilisé pour mesurer les courants des amplificateurs de puissance MLI coupés.

Mesure du courant des moteurs EC (= moteurs sans balais) :

• Dans le cas des moteurs EC, il y a le challenge supplémentaire des trois phases qui ne sont pas alimentées en même temps. Il est donc plus complexe de mesurer le courant du moteur lorsqu'il est en marche. La mesure d'un courant monophasé ne correspond pas au courant du moteur à ce moment-là.
  
  
• Certains contrôleurs moteur (et tous les contrôleurs maxon) disposent d'un moniteur de courant analogique ou numérique. C'est la manière la plus simple de déterminer le courant du moteur.
  
  
• Le courant dans une phase d'un moteur EC peut être déterminé avec un multimètre de courant "True RMS". L'inconvénient de ces multimètres est qu'ils sont souvent lents à mesurer le courant et qu'ils nécessitent un état stable du moteur pendant plusieurs secondes pour obtenir un résultat de mesure correct et stable.
  
  • Important :
    Veuillez tenir compte de la note à la fin de cet article concernant les exigences techniques spécifiques d'un multimètre "True RMS" utilisé pour mesurer les courants des amplificateurs de puissance MLI coupés.
    
    
• Il est également possible de mesurer le courant avec un oscilloscope (au lieu d'un multimètre) sur une (ou plusieurs) phases du moteur. Une résistance shunt (par exemple 0,1 Ohm) doit être montée en série sur la phase du moteur. La tension aux bornes de la résistance est proportionnelle au courant de phase (U = R * I) et peut être enregistrée par l'oscilloscope. Le courant efficace du moteur peut être évalué par une telle mesure.
  
  
• Important : le courant par phase n'est pas égal au courant du moteur !
  Veuillez noter qu'un courant monophasé mesuré ne correspond pas au courant moteur spécifié I_Mot qui doit être pris en compte pour le couple. Cela est dû au fait que la phase mesurée n'est pas alimentée dans chaque position de l'arbre, c'est-à-dire que le courant de phase mesuré est inférieur au courant réel du moteur.
  
  
  • Dans le cas d'une commutation en bloc :
    Courant moteur = courant RMS de phase efficace mesuré multiplié par 1,22 (= racine carrée de (3/2)).
    
    
  • In case of a sinusoidal commutation:
    Courant moteur = courant RMS de phase efficace mesuré multiplié par 1.41 (= racine carrée de 2).
    
    

Conseils généraux :

• Pince de courant / sonde de courant
  Une autre option consiste à utiliser une pince de courant appropriée et un multimètre ou un oscilloscope "True RMS". L'avantage est qu'il n'est pas nécessaire de couper le fil de phase du moteur pour insérer une résistance de dérivation. L'inconvénient est que ces pinces de courant précises et coûteuses (ou sondes de courant) pour des courants de phase allant jusqu'à 10A ou même plus et un MLI de 100 kHz ne font souvent pas partie de l'équipement de mesure standard.
  
  
• Mesure du courant moteur en cas de blocage de l'arbre moteur
  Si une limitation du courant du moteur doit être vérifiée ou si un couple maximal par rapport au courant doit être évalué, il est plus facile de mesurer le courant de phase lorsque l'arbre du moteur est bloqué.
  
  
  • Veuillez noter que l'arbre du moteur doit être bloqué dans une position qui donne la valeur maximale mesurée du courant de phase. Dans le cas d'une commutation par bloc, cette position peut être facilement reconnue. Dans le cas d'une commutation sinusoïdale, cela devient plus difficile.
    
    
  • Pour ces mesures, il est important d'utiliser un multimètre "True RMS" qui remplit les conditions requises.

Important : Exigences relatives à un multimètre "True RMS" !

• Veillez à n'utiliser qu'un multimètre dit "True RMS" pour toutes les mesures mentionnées !
  
  
  • "True RMS" signifie que le multimètre est capable de mesurer n'importe quel type de signal (par exemple MLI) indépendamment de sa forme d'onde.
    
    
  • Les multimètres standard "RMS" (sans le terme additionnel "True") peuvent mesurer correctement les valeurs de tension et de courant uniquement dans le cas d'une forme d'onde sinusoïdale (qui n'est pas présente dans la sortie d'un amplificateur MLI).
    
    
• La tension de sortie moteur du contrôleur est un signal MLI rectangulaire avec des fréquences allant jusqu'à 100 kHz (selon les spécifications de l'amplificateur de puissance du contrôleur utilisé).
  
  
  • Veillez à ce que la plage de mesure de tension et de courant sélectionnée du multimètre "True RMS" utilisé soit effectivement spécifiée pour des fréquences allant au moins jusqu'à 100 kHz. Jetez un coup d'œil aux détails de la fiche technique du multimètre car cette exigence n'est souvent PAS remplie pour toutes les plages de mesure.
    
    
  • De nombreux multimètres "True RMS" sont juste conçus et capables de mesurer des courants avec une fréquence de 1 kHz ou 10 kHz. Ces multimètres ne peuvent pas être utilisés pour mesurer le courant de sortie d'un amplificateur MLI, même si l'étiquette "True RMS" est présente. Les fréquences MLI élevées, jusqu'à 100 kHz, fausseront le résultat de la mesure qui ne pourra pas être utilisée pour l'évaluation du courant d'un moteur.