MLI (PWM), schéma MLI (2 niveaux, 3 niveaux), ondulation de courant, chauffage du moteur

Sujet :

• Que signifie la puissance du moteur contrôlée par MLI (PWM) ?
• Pourquoi une tension moteur MLI entraîne-t-elle une certaine ondulation du courant ou peut même chauffer le bobinage du moteur en plus ?
• Quelle est la différence entre le schéma MLI à 2 et 3 niveaux ?

Solution :

1.) Tension du moteur commandée par MLI

Les sorties à modulation de largeur d'impulsion (MLI) des étages de puissance pour la commande du moteur sont aujourd'hui à la pointe de la technologie. L'étage de puissance commute la tension du moteur entre la tension d'alimentation positive et négative à des intervalles très rapides. La fréquence MLI se situe typiquement dans la plage de 20 kHz à 100 kHz.

La tension du moteur n'est pas contrôlée par une chute de tension interne due à une "résistance électronique" variable (comme dans les étages de puissance linéaires d'autrefois), mais elle est basée sur une commutation permanente très rapide de la tension d'alimentation du moteur par les MOSFET d'un pont en H. Il en résulte une moyenne adaptée de la tension du moteur. Il en résulte une tension moyenne adaptée du moteur pendant chaque cycle MLI qui détermine la vitesse du moteur.

Les pertes dans l'électronique de puissance sont très faibles avec une telle conception commandée par MLI car chaque MOSFET agit comme un interrupteur ON/OFF. Cela signifie que le MOSFET est soit éteint (c'est-à-dire qu'aucun courant ne circule dans cette voie du pont en H), soit le MOSFET est dans un état entièrement conducteur (c'est-à-dire que sa résistance interne est proche de 0 Ohm et qu'il n'y a pas de dissipation de puissance).

L'avantage des étages de puissance commandés par MLI en général est leur rendement très élevé (jusqu'à 98 % ou plus) et leurs dimensions très compactes sans échauffement important de l'électronique, même à des courants élevés.

Dans le moteur, cependant, les étages de puissance commandés par MLI provoquent une ondulation du courant qui produit des pertes de puissance dans le bobinage et des pertes par courants de Foucault dans le noyau de fer. Par conséquent, le moteur peut chauffer en plus. Dans le cas d'un MLI à 2 niveaux, il est possible qu'il y ait un échauffement remarquable, même à l'arrêt, sans aucune sortie de couple du moteur (comme expliqué plus loin).

2.) MLI et ondulation du courant

2.1.) La MLI entraîne une ondulation du courant.

Le signe de la tension appliquée au(x) bobinage(s) du moteur change tout le temps à l'intérieur de chaque cycle MLI, c'est-à-dire typiquement à une vitesse de 50 .... 10 microsecondes (correspondant à une fréquence MLI de 20 kHz ... jusqu'à 100 kHz). La tension moyenne du moteur qui en résulte à l'intérieur de chaque cycle MLI dépend du rapport temporel des phases de tension d'alimentation positive et négative du moteur. Ce rapport est appelé "rapport cyclique MLI". La tension moyenne résultante du moteur basée sur le "rapport cyclique MLI" définit finalement la vitesse du moteur.

La commutation permanente entre deux niveaux de tension (c'est-à-dire l'inversion du signe de la tension appliquée au moteur dans chaque cycle MLI) entraîne une certaine ondulation du courant.

L'ondulation maximale du courant de crête à crête dépend de différents facteurs tels que ...

• La tension d'alimentation
  Plus la tension d'alimentation est élevée, plus l'ondulation du courant est importante.
• L'inductance totale du bobinage du moteur plus les selfs du moteur (si présentes).
  Plus l'inductance est élevée, plus l'ondulation du courant est faible.
• Fréquence MLI
  Plus la fréquence MLI est élevée, plus l'ondulation du courant est faible.

Cette ondulation du courant du moteur ...

• ... entraîne le passage d'un courant dans les bobinages qui n'a pas d'incidence sur le couple de sortie mais qui, en plus, chauffe les bobinages du moteur.
  Veuillez consulter l'article suivant pour obtenir plus d'informations sur l'échauffement des moteurs :
  Sur l'échauffement des moteurs (dans les outils à main)
  
  
• ... peut être réduit par des selfs moteur externes supplémentaires.
  Veuillez vous référer à l'article suivant pour en savoir plus sur le calcul de l'ondulation du courant et une estimation des selfs moteur externes nécessaires :
  PWM power stage: Current ripple & Motor chokes

2.2.) Mesures pour réduire l'ondulation du courant

• Réduisez la tension d'alimentation de l'étage de puissance tant que la tension du moteur reste suffisante pour atteindre la vitesse du moteur requise par votre application.
  Vous trouverez de plus amples informations sur la tension d'alimentation et la vitesse du moteur dans l'article suivant :
  What supply voltage is required by a controller? 
  
  
• Augmentez l'inductance totale,
  par exemple en ajoutant une self moteur supplémentaire ou en choisissant un contrôleur avec des selfs moteur intégrées (comme celles présentes dans certaines ESCON ou EPOS4 ou Compact de maxon).
  
  
• Choisissez un contrôleur moderne avec une fréquence MLI élevée.
  Typiquement au moins 50 kHz est recommandé pour les moteurs maxon.
  Tous les types de produits ESCON et EPOS4 de maxon ont une fréquence MLI comprise entre 50 et 100 kHz. 100 kHz.
  
  
• Choisissez un contrôleur moderne avec un schéma "MLI à 3 niveaux".
  Les produits ESCON et EPOS4 de maxon sont basés sur le "MLI à 3 niveaux".
  Seul le "ESCON EC-S" (= sensorless control & commutation) est une exception et utilise un MLI à 2 niveaux.

3.) Schémas MLI

Il existe principalement deux principes différents concernant le schéma MLI du moteur. Ces principes sont appelés "MLI à 2 niveaux" et "MLI à 3 niveaux".

Il n'y a que quelques anciens modèles de contrôleurs présents chez Maxon qui sont encore basés sur le "MLI à 2 niveaux" (par exemple, "DEC 70/10", ADS, MIP). Ces contrôleurs "MLI à 2 niveaux" sont dans l'état NRND (-> "Not recommended for New Designs") ou ne sont même plus disponibles.

La conception moderne mais plus complexe "MLI à 3 niveaux" est utilisée par (presque) toutes les lignes de produits maxon les plus récentes (par exemple ESCON, EPOS2, EPOS4, MAXPOS, ...). Seul l'"ESCON EC-S" est une exception en raison du fait que le MLI à 2 niveaux est utilisé pour la détection de la force contre-électromotrice requise par la commutation des bobinages sans capteur.

3.1.) MLI à 2 niveaux (ou à 2 points)

Dans le cas d'un "MLI à 2 niveaux" (également appelé "MLI bipolaire classique"), la tension appliquée au moteur commute (ou bascule) juste entre les deux niveaux de la tension d'alimentation positive et négative de l'étage de puissance.

Aspects techniques :
Si le moteur est à l'arrêt et qu'aucun couple de sortie ne doit être délivré, le rapport cyclique du MLI sera de 50 % et la tension du moteur oscillera entre la tension d'alimentation positive et négative de l'étage de puissance. La tension moyenne du moteur qui en résulte est de 0V dans ce cas. Néanmoins, il existe toujours un flux de courant interne (= ondulation de courant) dû à l'augmentation et à la diminution de la tension dans les bobinages du moteur pendant chaque cycle MLI. Cette ondulation de courant fait chauffer le moteur (même en l'absence de couple sur l'arbre moteur).

Avantages d'un "MLI à 2 niveaux" :

• La conception et le contrôle des circuits électriques nécessaires sont simples.
• Les propriétés dynamiques sont légèrement meilleures en théorie avec un "MLI à 2 niveaux" qu'avec un "MLI à 3 niveaux". Quoi qu'il en soit, il s'agit d'un aspect théorique mineur qui n'est pas vraiment pertinent dans la pratique.

Inconvénients d'un "MLI à 2 niveaux" :

• L'ondulation de courant maximale d'un "MLI à 2 niveaux" est deux fois plus importante que celle d'un "MLI à 3 niveaux".
• Le pire cas d'ondulation de courant est à l'arrêt. Ceci est assez étrange pour de nombreux utilisateurs car le moteur chauffe bien qu'il soit à l'arrêt et qu'il n'y ait pas de sortie de couple.

Calcul de l'ondulation du courant d'un "MLI à 2 niveaux" :

3.2.) MLI à 3 niveaux (ou 3 points)

La différence d'un "MLI à 3 niveaux" par rapport à un "MLI à 2 niveaux" est qu'il y a un état supplémentaire (= "troisième") avec un niveau MLI de 0V réel. Ce sera le cas si le moteur est à l'arrêt sans aucune demande de couple (c'est-à-dire identique au point de fonctionnement pour lequel le "MLI à 2 niveaux" doit faire osciller la tension du moteur avec un rapport cyclique MLI de 50%).

Aspects techniques :
Il n'y a pas d'oscillation de tension MLI dans ce cas d'arrêt et de demande de charge nulle. La tension du moteur MLI reste en fait à 0V (comme si le MLI était éteint). Il en résulte qu'il n'y a pas d'ondulation de courant possible dans cet état.

Avantages d'un "MLI à 3 niveaux" :

• L'amplitude de l'ondulation du courant est très faible, si la force contre-électromotrice est proche de zéro (moteur à l'arrêt), c'est-à-dire qu'il n'y a pas de réchauffement du moteur à ce point de fonctionnement.
• L'ondulation maximale du courant d'un "MLI à 3 niveaux" correspond à la moitié de l'ondulation maximale du courant d'un "MLI à 2 niveaux".

Calcul de l'ondulation du courant d'un "MLI à 3 niveaux" :

3.3.) Comparaison d'un MLI à 2 et 3 niveaux

• "MLI à 2 niveaux" :
  Ondulation de courant la plus élevée à l'arrêt.
• "MLI à 3 niveaux" :
  Ondulation de courant la plus élevée à une tension du moteur Umot égale à 50 % de la tension d'alimentation de l'étage de puissance Vcc.

Référence croisée :

• Vidéo : "PWM power stages and motor heating"
• Document du support technique : "PWM power stage: Current ripple & Motor chokes"