Schema Variateur de vitesse pour moteur a courant continue

Grâce à un régulateur PWM, cette platine permet de doser très précisément l’énergie fournie (et donc la vitesse de rotation de l’axe) à un moteur électrique, aussi bien à vide qu’en charge. L’adoption d’un MOSFET spécial avec capteur intégré permet de suspendre la fourniture de courant quand le moteur consomme trop.

CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES
- Alimentation : 12 à 24 Vcc
- Courant maximal de sortie : 10 A
- Conçu pour moteurs basse tension
- Fréquence réglable entre 300 Hz et 2 kHz environ
- Protection en courant réglable entre 0 et 10 A
- Vitesse de rotation réglable entre 0 et 100 %
- MOSFET avec capteur de courant intégré
- Tension du moteur : 12 à 24 Vcc
- Dimensions : 15 x 8,5 x 2,5 cm.


La technologie des composants et les techniques de conception sont en constante évolution et les montages que nous vous proposons en sont le refl et. Le variateur de vitesse pour moteurs à balais à courant continu qui fait l’objet du présent article en est un bon exemple : le composant qui en constitue le coeur est une nouveauté tout à fait remarquable. Le régulateur couple à la traditionnelle technologie PWM (modulation de largeur d’impulsions) un limiteur de courant fonctionnant grâce au fait que le MOSFET, auquel est confi ée l’alimentation impulsionnelle du moteur, dispose d’un terminal auxiliaire en mesure de fournir un courant dont l’intensité est proportionnelle à celle traversant la jonction drain-source. Un composant appartenant à une nouvelle classe de “POWER-MOSFET” (produite par International Rectifi er) et qui se contrôle exactement comme un traditionnel IRF540 ou BUZ10, etc.
Le montage proposé ici conviendra à toute personne voulant contrôler la vitesse de rotation de l’axe d’un moteur électrique : la régulation est assez précise car elle se base sur la variation d’amplitude de la tension appliquée aux balais du moteur relié aux points "OUT", soit sur la puissance délivrée. Cette régulation est obtenue en envoyant au moteur des impulsions de courant dont la durée est directement proportionnelle à la vitesse souhaitée. Par rapport à la régulation de la tension, la production des impulsions d’amplitude égales à celles dont le moteur a besoin, mais de largeur variable, permet d’obtenir une rotation assez uniforme, même en charge, car le couple moteur ne change pas : en fait l’axe ne tourne pas par crans (ou facettes) mais uniformément avec une vitesse angulaire dépendant, à parité de charge appliquée, du rapport impulsion/pause du train d’impulsions fourni par le régulateur.

Le schéma électrique

Figure 1 : Schéma électrique du variateur de vitesse pour moteur DC.

Le schéma électrique de la fi gure 1 révèle un circuit assez complexe en apparence, mais en fait plutôt simple. Le est constitué d’un générateur d’impulsions rectangulaires modulables en largeur, d’un translateur de tension, d’un fi nal de puissance et d’un étage capteur de courant capable d’intervenir sur le générateur d’impulsions jusqu’à le bloquer. Un régulateur de tension U2 7809 stabilise l’alimentation au 9 V nécessaire au circuit : en effet, cette tension alimente le régulateur PWM et la protection en courant qui, nécessitant des potentiels de référence, réclament une bonne stabilité. Grâce à la respectable capacité de fi ltrage obtenue avec C7, C8 et C10, U2 constitue un véritable mur que les pics et les chutes de tension dus à la commutation du MOSFET sur l’induit du moteur ne peuvent pratiquement pas franchir. Le fusible intervient, en coupant la ligne d’alimentation principale, quand le circuit ou le moteur tend à consommer plus de courant que la limitation ne le permet.
Le coeur du système PWM est le générateur réalisé par le couplage d’un multivibrateur astable particulier et d’un comparateur à amplifi cateur opérationnel : en effet, pour produire les impulsions à largeur modulée, nous comparons un potentiel continu à une forme d’onde quasi triangulaire produite par une broche de U1, un NE555 monté en confi guration astable. Ce temporisateur produit une onde rectangulaire en chargeant et déchargeant un condensateur inséré dans son réseau de temporisation, c’est-à-dire en le laissant se charger à travers R1, D1, R2 et R23, puis en le déchargeant à travers R2, R3, R23 et D2, au moment où le niveau logique de la sortie est inversé. La broche 3, non utilisée, n’est pas sur le schéma.
La composante exponentielle est prise aux bornes de C1 : la comparaison, dévolue à l’opérationnel U3a (confi guré en comparateur), de l’onde quasi triangulaire (broche 2) et de la tension continue acheminée à la broche 3 par T4 et par le trimmer R24, détermine à la sortie (broche 1) une forme d’onde rectangulaire, dont le rapport cyclique dépend strictement de l’amplitude de la tension due justement à T4 et R24.
Voyons comment fonctionne le comparateur : sa sortie est au niveau logique haut (à peu près le potentiel de l’alimentation positive) quand la valeur de la composante présente aux bornes de C1 est inférieure à celle appliquée à la broche 3 et, inversement, elle se met à peu près à 0 V si la tension quasi triangulaire prélevée sur l’astable prend plus d’amplitude que le potentiel de référence. Il en découle que le rapport cyclique est directement proportionnel à l’amplitude de la tension acheminée par T4 car, si elle augmente, les périodes pendant lesquelles la broche 2 devient positive par rapport à la 3 se réduisent, ainsi que la durée des pauses entre deux impulsions consécutives de l’onde rectangulaire. Bien sûr, nous parlons ici de rapport impulsion/période de la composante sortant de la broche 1 car, à la sortie, c’est-à-dire aux bornes du moteur, la situation est inversée : plus élevée est la tension de référence, plus faible est la largeur des impulsions de courant produites.
Le schéma nous montre que la référence de l’opérationnel est obtenue grâce à deux composantes : un potentiel fi xe, paramétrable au moment du réglage de R24 et un variable venant du circuit de limitation du courant de sortie.
Pour comprendre le fonctionnement de ce dernier, nous devons savoir où va fi nir l’onde PWM produite par le comparateur.
La broche 1 pilote le MOSFET de puissance T3 à travers un étage amplificateur et translateur à symétrie complémentaire constitué par T1 et T2 (respectivement PNP et NPN). Ce circuit permet d’obtenir un comportement égal pour la demi-onde négative et pour la demi-onde positive : il produit des impulsions de commande parfaitement carrées (avec des fronts de montée et de descente nets) pour la gâchette du MOSFET. Les collecteurs des pilotes T1 et T2 envoient donc les impulsions à la patte 1 (gâchette) de T3. Notez que la zener D1 est montée essentiellement comme protection extrême du MOSFET pour l’éventualité où, par destruction de U2, la tension sur la ligne d’alimentation du régulateur dépasserait 12 V. Chaque fois qu’il reçoit une impulsion positive, le fi nal de puissance conduit entre drain et source et se laisse ainsi traverser par le courant sans pratiquement opposer de résistance : en effet, sa Rdson (résistance électrique mesurée entre drain et source en pleine conduction) est typiquement de 0,077 ohm, ce qui n’infl uence pas la tension appliquée au moteur.
En même temps la patte 2 fait traverser R18 par un courant directement proportionnel à celui parcourant actuellement les enroulements du moteur et donc le circuit drain-source, ce qui permet à l’étage de limitation de jouer son rôle. En regard de chaque impulsion positive, aux bornes de R18, une autre impulsion se crée (en phase et de durée proportionnelle au courant produit) : il en découle une forme d’onde rectangulaire laquelle, adéquatement fi ltrée par une cellule passe-bas (R17/C9) devient une composante continue, ensuite envoyée au second opérationnel de U3 (un CA3240).
U3b constitue l’élément qui, dans le circuit, décide quand la protection en courant doit intervenir : en réglant convenablement le trimmer R25, on en paramètre le seuil de commutation et par suite le niveau que le courant fourni au moteur peut atteindre sans que le régulateur suspende la production des impulsions.
Il va de soi que plus on augmente le potentiel sur le curseur du trimmer, plus élevée est l’intensité admise dans le MOSFET et vice versa. Pour un fonctionnement précis et un déclenchement effi cace de la protection, nous avons rendu stable le seuil de commutation en alimentant R25 à travers un réseau résistif dont la tension est stabilisée par D3 (polarisée directement elle donne exactement 0,7 V). En outre, le comparateur est de type avec hystérésis. Fonctionnalité obtenue en rétroactionnant en positif l’opérationnel U3b : ainsi, une fois le limiteur intervenu, le courant libéré par le MOSFET doit descendre au-dessous de la valeur ayant provoqué le déclenchement, sinon l’étage de sortie laisse le moteur hors circuit.
Voyons un dernier détail : comment intervient la protection. La sortie du U3b commande le NPN T5, monté en inverseur logique et en interface vers l’étage de régulation. Son collecteur alimente la base du PNP T4. Nous pouvons voir que, lorsque le courant dans le moteur dépasse le seuil de limitation paramétré par R25 et que la broche 7 du CA3240, passant au niveau logique haut, force T5 à la saturation, l’intensité dans le collecteur de ce dernier détermine aux extrémités de R20 une différence de potentiel suffi sante pour saturer aussi T4. Le courant de son collecteur, acheminé vers R7, élève le potentiel de référence de U3a à un niveau supérieur au maximum atteignable par l’onde quasi triangulaire, ce qui empêche la sortie du comparateur de prendre le niveau logique bas et de faire conduire le MOSFET de sortie T3.
En dernière analyse, quand l’intensité paramétrée comme limite par R25 est dépassée, U3a fait passer l’état de sa broche 1 du niveau logique bas au niveau logique haut et l’y maintient. T1 reste interdit et T2 conduit, en maintenant pratiquement à la masse la gâchette du MOSFET. Notez que, le courant de drain manquant, le courant du capteur cesse aussi et aux extrémités de R18 il n’y a plus aucune chute de tension : le comparateur U3b peut à nouveau faire passer sa sortie du niveau logique haut au niveau logique bas, en laissant interdire T5 et T4.
Ainsi le blocage du modulateur PWM est libéré et le MOSFET peut redémarrer et alimenter la charge…jusqu’à un nouvel éventuel excès de consommation de courant, auquel cas la protection interviendra à nouveau et arrêtera une nouvelle fois T3. Le circuit de limitation du courant a donc un comportement dynamique : il est capable de "sentir" à chaque instant ce qui se passe à la sortie, c’est-à-dire dans le moteur.
Concluons l’analyse avec la zener U4, jouant le double rôle d’écrêteur des éventuels pics et de suppresseur des tensions inverses, deux phénomènes occasionnés par la commutation “ON/OFF” sur des charges for tement inductives (comme le sont les moteurs). En fait cette zener empêche que ne se propage dans la ligne d’alimentation des tensions plus élevées que la sienne et surtout de polarité inverse (dans ce dernier cas la zener devient pratiquement un court-circuit).

Figure 2a : Schéma d’implantation des composants du variateur de vitesse pour moteur DC

Figure 2b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du variateur de vitesse pour moteur.

Liste des composants
R1 .... 4,7 kΩ
R2 .... 4,7 kΩ
R3 .... 10 kΩ
R4 .... 47 kΩ
R5 .... 4,7 kΩ
R6 .... 4,7 kΩ
R7 .... 10 kΩ
R8 .... 4,7 kΩ
R9 .... 470 kΩ
R10 .. 6,8 kΩ
R11 .. 3,9 kΩ
R12 .. 3,9 kΩ
R13 .. 6,8 kΩ
R14 .. 10 kΩ
R15 .. 220 Ω
R16 .. 220 Ω
R17 .. 1 kΩ
R18 .. 220 Ω
R19 .. 10 kΩ
R20 .. 4,7 kΩ
R21 .. 10 kΩ
R22 .. 10 kΩ
R23 .. trimmer 25 kΩ
R24 .. trimmer 10 kΩ
R25 .. trimmer 1 kΩ
C1 .... 10 nF multicouche
C2 .... 10 nF polyester
C3 .... 100 μF 50 V électrolytique
C4 .... 100 nF multicouche
C5 .... 4,7 μF 63 V électrolytique
C6 .... 1 μF 100 V électrolytique
C7 .... 100 nF multicouche
C8 .... 100 μF 50 V électrolytique
C9 .... 2,2 μF 100 V électrolytique
C10 .. 1000 μF 25 V électrolytique
C11 .. 100 nF multicouche
C12 .. 10 μF 63 V électrolytique
C13 .. 1000 μF 25 V électrolytique
D1 .... 1N4148
D1 .... 1N4148
D1 .... 1N4148
DZ1 .. zener 12 V
DZ2 .. zener 3,9 V
DZ3 .. zener 3,9 V
U1 .... NE555
U2 .... L7809
U3 .... CA3240
U4 .... MBR745
T1..... BC557
T2..... BC547
T3..... IRC540
T4..... BC557
T5..... BC547

Divers :
2 . borniers 2 pôles
2 . supports 2 x 4
3 . boulons 10 mm 3 MA
1 . dissipateur
1 . porte-fusible horizontal
1 . fusible 10 A
Sauf spécifi cation contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.


La réalisation pratique
Nous pouvons maintenant passer à la construction de l’appareil. La platine tient sur un circuit imprimé simple face dont la fi gure 2b donne le dessin à l’échelle 1. Quand vous l’avez devant vous, montez d’abord tous les composants n’allant pas sur le dissipateur en vous aidant des fi gures 2a et 3 et de la liste. Puis fi xez T3 et U4 sur le dissipateur (sans oublier le kit d’isolation : boulon nylon + mica + graisse silicone ou boulon nylon + téfl on seul), ainsi que U2 (sans kit d’isolation), fi xez ce dissipateur sur le circuit imprimé et enfi n soudez toutes les pattes avec un petit fer et en attendant quelques secondes entre les soudures. Le dissipateur (rail à ailettes en aluminium avec deux parties plates) doit avoir une résistance thermique de 4 °C/W.

Les réglages
Montage terminé et vérifi cations d’usage effectuées, reliez l’appareil au moteur et à l’alimentation : batterie ou alimentation secteur 230 V capable de fournir une tension de 12 à 24 VDC et un courant égal à au moins ce que consomme le moteur à commander. Mais ne dépassez en aucun cas une tension de 25 V et un courant de 10 A.
Afi n d’éviter tout problème, nous vous conseillons de relier d’abord l’alimentation puis, après avoir mis le curseur de R25 vers son extrémité reliée à R5 (sens antihoraire), de connecter le moteur en respectant bien la polarité indiquée sur la borne (sinon il tournera en sens contraire).
Mettez le curseur de R25 à micourse de façon à maintenir la protection en courant désactivée, au moins à micharge et faites de même avec le trimmer de la fréquence (R23). Tournez alors dans le sens horaire R24 jusqu’à voir l’axe du moteur tourner, puis allez en fin atteinte : vous pouvez faire une comparaison en déconnectant les fi ls du bornier et en les connectant en parallèle avec l’alimentation). Si la rotation commence trop tard, essayez d’agir sur le trimmer de la fréquence (R23) en tournant son curseur dans un sens ou dans l’autre, jusqu’à trouver la position permettant au moteur de commencer à tourner peu après la position minimale de R24. La fréquence joue un rôle important car les moteurs à courant continu, quand ils sont pilotés en PWM, réagissent différemment selon la fréquence des impulsions.
Trouvez donc la fréquence optimale puis réglez le trimmer du limiteur de courant en procédant empiriquement ou de manière plus scientifi que : coupez l’alimentation puis, en série avec le moteur, branchez un multimètre (courant continu, 10 A fond d’échelle), rebranchez l’alimentation et surchargez le moteur jusqu’à une augmentation du courant.
A un certain point, l’indication de l’appareil de mesure doit se fi ger sur une valeur déterminée correspondant au seuil paramétré : pour le modifi er, jouez sur R25 (sens antihoraire : la protection intervient pour des courants toujours plus faibles ; sens horaire : elle intervient pour des courants toujours plus proches de la limite 10 A). On charge le moteur en faisant obstacle à son mouvement de rotation : attention, ne vous blessez pas ! Par exemple avec une perceuse à colonne alimentée en courant continu, essayez de percer un matériau dur avec un gros foret (n’essayez surtout pas de freiner le mandrin la main !).

Figure 3 : Photo d’un des prototypes de la platine du variateur de vitesse pour moteur.

Le régulateur U2, la diode U4 et le MOSFET T3 doivent être fi xés à un dissipateur de Rth 4 °C/W. Entre le dissipateur et les composants il ne faut pas oublier d’intercaler une feuille de mica isolant (enduite de graisse blanche aux silicones) ou de téfl on gris. Pour la fi xation des composants au dissipateur, utilisez de petits boulons en nylon.

Figure 4 : Les liaisons.

On trouve sur la platine deux borniers à deux pôles pour la relier à l’alimentation et au moteur à piloter.
Le dessin montre en outre les commandes de réglage présentes dans le circuit : fréquence, rapport cyclique, limitation en courant. Leur fonction est expliquée en détail dans le texte.