Fournir des signaux PWM au moteur CC d’un actionneur est une méthode courante pour ajuster la vitesse de déplacement ; toutefois, certains cas peuvent entraîner un bruit acoustique sous forme de sifflement du moteur. À un moment donné lors de la phase de test de votre projet, vous avez peut-être remarqué que le même moteur CC peut générer un sifflement d’une intensité variable lorsque vous le connectez à différents contrôleurs de vitesse. Cela peut être dû aux différentes fréquences PWM définies dans chaque contrôleur de vitesse ou programme Arduino. Dans cet article, nous aborderons les avantages et inconvénients de l’ajustement de la fréquence PWM et son impact sur le sifflement du moteur.
Questions courantes et fréquemment posées
Vous trouverez ci-dessous un aperçu des questions courantes et fréquemment posées que nous recevons pour présenter brièvement les bases du cycle de service, de la PWM et des effets des changements de fréquence PWM sur les moteurs CC.
- Qu’est-ce que le Cycle de service ?
Le cycle de service est le rapport entre le temps d’activation et le temps d’arrêt, généralement exprimé en pourcentage. Cela signifie que si votre actionneur s’étend et se rétracte pendant 20 secondes, puis reste au repos 40 secondes avant que le processus ne se répète, le « cycle de service » sera de 33 %. Le temps nécessaire pour un « cycle complet » dans cet exemple sera de 60 secondes.
Cycle de service = Temps d’activation / (Temps d’activation + Temps d’arrêt)
- Que signifie PWM ?
La modulation de largeur d’impulsion (PWM) est une technique couramment utilisée pour le fonctionnement des moteurs, où les signaux électriques basculent entre 0 % et 100 % de la tension d’alimentation appliquée au moteur, de façon similaire au marche/arrêt du cycle de service. Cela permet de contrôler la valeur moyenne de la tension appliquée à un moteur afin d’ajuster la vitesse du moteur. Le contrôle du cycle de service permet de contrôler la valeur de tension moyenne pour ajuster la vitesse du moteur.
Cycle de service * Tension de la source = Valeur de tension moyenne
- Qu’est-ce que la fréquence PWM et comment affecte-t-elle les performances des moteurs CC ?
La fréquence PWM représente la rapidité avec laquelle un cycle PWM est complété par votre dispositif de commande moteur. Il n’est pas rare que les moteurs CC émettent un sifflement lorsque le contrôleur de moteur utilisé est réglé sur des fréquences PWM plus basses.
- Est-il possible d’éliminer complètement le sifflement du moteur, ou faut-il s’attendre à un certain niveau de bruit ?
Cela peut varier, car les fabricants intègrent généralement des tolérances qui entraînent une gamme de bruits et de caractéristiques de moteurs. Certains conceptions de moteurs peuvent avoir des rotors qui produisent un certain sifflement, quelle que soit la fréquence PWM utilisée. Régler la fréquence PWM aussi haut que raisonnablement possible pour des moteurs CC en bon état contribue généralement à réduire le sifflement (nous y reviendrons plus en détail plus loin).
- L’ajustement de la fréquence PWM pour réduire le sifflement du moteur peut-il avoir des effets négatifs sur le moteur ou sur les performances globales du système ?
Une augmentation de la fréquence PWM entraîne une augmentation de la perte de puissance sur le pont en H utilisé avec votre microcontrôleur Arduino et peut provoquer une surchauffe de la carte pilote moteur. Les utilisateurs auront besoin d’un moyen de refroidir leur pont en H ou leur pilote de moteur afin d’éviter d’endommager les composants.
Qu’est-ce qui provoque le sifflement des moteurs CC ?
Nous aborderons le bruit acoustique du moteur, audible par l’oreille humaine, et non le bruit électrique. Le schéma équivalent d’un moteur CC en fonctionnement est présenté ci-dessus. En raison de la force électromotrice (FEM) inverse, une tension de sens opposé au courant résulte du déplacement des bobinages du moteur par rapport à un champ magnétique. À l’arrêt ou à basse vitesse, le circuit équivalent d’un moteur CC à balais présente peu ou pas de FEM inverse et s’apparente à un circuit RL du premier ordre, illustré ci-dessous.
Le sifflement que nous entendons est causé par l’ondulation de couple générée par l’ondulation du courant (i). Nous savons aussi que la fréquence de coupure supérieure d’un filtre passe-bas RL est donnée par la formule ci-dessous :
Fréquence de coupure = 1 / (2π𝜏)
Où :
𝜏 = L / R
L = inductance (H)
R = résistance (Ω)
𝜏 = constante de temps (secondes)
La fréquence PWM théoriquement idéale dépendra de l’inductance et de la résistance du circuit moteur, mais elle devrait être supérieure ou égale à 5 fois la fréquence de coupure. Cette plage plus élevée de fréquence PWM permettra au courant traversant le moteur CC d’atteindre 99,3 % (proche de 100 %) de la valeur de courant maximale afin d’éviter l’ondulation de courant et de réduire le sifflement du moteur.
Pertes de puissance du pont en H et dissipation thermique
Lorsqu’un interrupteur passe de l’état marche à arrêt (et inversement), la tension et le courant sont non nuls, ce qui entraîne une dissipation de puissance par les interrupteurs. Un pont en H présente à la fois tension et courant pendant les commutations ; une fréquence de commutation plus élevée due à l’augmentation de la fréquence PWM se traduit donc par davantage de chaleur et de puissance dissipées. L’installation de dissipateurs thermiques ou de ventilateurs sur les cartes pilotes moteur qui n’intègrent pas déjà ces dispositifs de refroidissement est recommandée pour éviter les dommages et assurer un fonctionnement correct.
Notre LC-81 MegaMoto GT H-bridge Arduino Shield est doté d’un ventilateur de refroidissement intégré et de dissipateurs thermiques pour réduire davantage la surchauffe, ce qui le rend idéal pour de fortes charges de courant. Pour les actionneurs ayant des besoins en courant plus faibles, nous proposons également le LC-80 MegaMoto Plus H-bridge for Arduino. Les deux ponts en H peuvent être utilisés avec des microcontrôleurs Arduino et disposent d’évaluations de fréquence PWM allant jusqu’à 20 kHz pour une tension CC.
Comment réduire le sifflement d’un moteur CC en ajustant la fréquence PWM avec Arduino ?
La vitesse de l’horloge d’un compteur détermine la fréquence PWM du signal de sortie. Pour notre Arduino Uno le plus populaire, l’horloge système est divisée par une valeur de prédiviseur afin d’obtenir l’horloge du compteur. CS02, CS01 et CS00 sont les trois bits de poids faible des registres du temporisateur/compteur (Timer/Counter) qui stockent la valeur 3 bits du prédiviseur.
Définissez ou effacez ces trois bits de poids faible dans le registre TCCRnB concerné, situé dans la section void setup() de votre code Arduino. En modifiant par code les prédiviseurs des minuteries, la fréquence PWM peut être ajustée comme on le voit dans cette vidéo de référence.
Tutoriel Arduino PWM n°1 - Comment changer la fréquence PWM :
L’être humain moyen entend généralement des sons entre 20 Hz et 20 000 Hz.
Fréquence = cycle/temps
1 Hz = 1 cycle/seconde
20 Hz = 1 cycle / (Temps)
20 Hz * (Temps) = 1 cycle
Temps = 1 cycle/ 20 Hz
Temps = 0,05 seconde
Temps = 50 ms
Pour une fréquence PWM de 20 Hz, un cycle se produit sur une période de 50 millisecondes comme ci-dessous.
À des fréquences supérieures à 20 kHz, chaque cycle devient plus court que le temps de réaction moyen d’un humain, ce qui fait que la plupart des personnes n’entendront plus de sifflement du moteur. Une plage de fréquence PWM de 16 kHz à 20 kHz résout généralement la plupart des problèmes de sifflement des moteurs CC. Cette plage peut servir de point de départ pour les essais avant d’effectuer des ajustements progressifs afin d’optimiser précisément la fréquence PWM en fonction du comportement et des caractéristiques de votre moteur.
Fréquence = cycle/temps
20 kHz = 1 cycle / (Temps)
20000 Hz * (Temps) = 1 cycle
Temps = 1 cycle/ 20000 Hz
Temps = 0,00005 seconde
Temps = 50 µs
Pour une fréquence PWM de 20 kHz, un cycle se produit sur une période de 50 microsecondes comme ci-dessous.
EN RÉSUMÉ
L’ajustement de la fréquence PWM peut aider à minimiser le sifflement indésirable du moteur ; toutefois, il faut être conscient des avantages et des inconvénients. Il est important de trouver la fréquence PWM adéquate qui offre le meilleur équilibre entre perte de puissance du pilote moteur, dissipation thermique et sifflement du moteur, en fonction de vos besoins.
Nous espérons que vous avez trouvé cela aussi informatif et intéressant que nous, surtout si vous souhaitiez en savoir plus sur le sifflement des moteurs CC à des fréquences PWM plus basses. Si vous avez des questions ou souhaitez discuter davantage de nos produits, n’hésitez pas à nous contacter ! Nous sommes des experts dans notre domaine et serons ravis de vous aider de toutes les façons possibles.
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