Fournir des signaux PWM au moteur CC d'un actionneur est une méthode courante pour ajuster la vitesse de déplacement. Cependant, dans certains cas, un bruit acoustique peut se produire, notamment un sifflement du moteur. Lors des tests de votre projet, vous avez peut-être remarqué que votre même moteur CC pouvait générer un sifflement d'intensité variable lorsque vous le connectiez 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 les inconvénients du réglage 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 vous aider à couvrir brièvement les bases du cycle de service, du PWM et des changements de fréquence PWM qui ont des effets sur les moteurs à courant continu.
- Qu'est-ce que le cycle de service ?
Le cycle de service est le rapport entre le temps de marche et le temps d'arrêt, généralement exprimé en pourcentage. Ainsi, si votre actionneur s'étend et se rétracte pendant 20 secondes, puis reste au repos pendant 40 secondes avant de répéter le processus, le cycle de service sera de 33 %. Dans cet exemple, la durée d'un cycle complet sera de 60 secondes.
Cycle de service = Temps de marche / (Temps de marche + Temps d'arrêt)
- Que signifie PWM ?
La modulation de largeur d'impulsion (MLI) est une technique couramment utilisée dans le fonctionnement des moteurs. Les signaux électriques commutent entre 0 % et 100 % de la tension d'alimentation appliquée au moteur, de manière similaire à un cycle de service. Cela permet de contrôler la valeur moyenne de la tension appliquée à un moteur afin d'en ajuster la vitesse. Le contrôle du cycle de service permet de contrôler la valeur moyenne de la tension 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 du moteur à courant continu ?
La fréquence PWM représente la vitesse à laquelle un cycle PWM est exécuté par votre dispositif de contrôle moteur. Il n'est pas rare que les moteurs à courant continu émettent un sifflement lorsque le contrôleur moteur utilisé est réglé sur des fréquences PWM basses.
- Est-il possible d’éliminer complètement le gémissement du moteur, ou faut-il s’attendre à un certain degré de bruit ?
Cela peut varier, car les fabricants ont généralement une tolérance intégrée qui entraîne une variété de bruits et de caractéristiques de moteur. Certains moteurs peuvent avoir des rotors qui produisent un sifflement, quelle que soit la fréquence PWM utilisée. Régler la fréquence PWM à un niveau aussi élevé que possible pour les moteurs à courant continu en bon état contribue généralement à réduire ce sifflement (ce point sera abordé plus en détail ultérieurement).
- Le réglage 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 des pertes de puissance sur le pont en H utilisé avec votre microcontrôleur Arduino et peut entraîner une surchauffe de la carte de commande du moteur. Les utilisateurs auront besoin d'un moyen de refroidir leur pont en H ou leur carte de commande du moteur afin d'éviter tout dommage aux composants.
Qu'est-ce qui fait gémir les moteurs à courant continu ?
Nous aborderons le bruit acoustique du moteur, audible par l'oreille humaine, et non le bruit électrique. Le circuit équivalent d'un moteur à courant continu en fonctionnement est illustré ci-dessus. En raison de la force contre-électromotrice (FEM), la tension dans le sens opposé au courant résulte du mouvement des bobines du moteur par rapport à un champ magnétique. Au repos ou à faible vitesse, le circuit équivalent d'un moteur à courant continu à balais présente une FEM faible, voire nulle, et est similaire à celui d'un circuit RL du premier ordre illustré ci-dessous.
Le sifflement du moteur que nous entendons est dû à l'ondulation de couple générée par l'ondulation du courant (i). Nous savons également que la fréquence de coupure supérieure d'un filtre passe-bas RL a la formule suivante :
Fréquence de coupure = 1 / (2π 𝜏)
Où:
𝜏 = G / D
L = inductance (H)
R = Résistance (Ω)
𝜏 = constante de temps (secondes)
La fréquence PWM théoriquement idéale dépend de l'inductance et de la résistance du circuit moteur, mais devrait être supérieure ou égale à cinq fois la fréquence de coupure. Cette plage de fréquence PWM plus élevée permettra au courant traversant le moteur à courant continu d'atteindre 99,3 % (près de 100 %) de la valeur maximale du courant, évitant ainsi les ondulations et réduisant le sifflement du moteur.
Perte de puissance et dissipation thermique du pont en H
Lorsqu'un interrupteur passe de l'état marche à l'état arrêt, la tension et le courant sont différents de zéro, ce qui entraîne une dissipation d'énergie. Un pont en H présente à la fois tension et courant lors de la commutation ; une fréquence de commutation plus élevée due à l'augmentation de la fréquence PWM entraîne donc une dissipation de chaleur et d'énergie plus importante. Il est recommandé d'installer des dissipateurs thermiques ou des ventilateurs sur les cartes de commande moteur non fournies avec ces dispositifs de refroidissement afin d'éviter tout dommage et de garantir un fonctionnement optimal.
Notre shield Arduino LC-81 MegaMoto GT en pont en H est équipé d'un ventilateur et de dissipateurs thermiques intégrés pour réduire la surchauffe, ce qui le rend idéal pour les charges de courant élevées. Pour les actionneurs nécessitant une consommation de courant plus faible, nous proposons également le pont en H LC-80 MegaMoto Plus pour Arduino . Ces deux ponts en H sont compatibles avec les microcontrôleurs Arduino et offrent des fréquences PWM allant jusqu'à 20 kHz en tension continue.
Comment réduire le gémissement du moteur à courant continu en ajustant la fréquence PWM avec Arduino ?
La fréquence d'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 pour obtenir l'horloge du compteur. CS02, CS01 et CS00 sont les trois bits de poids faible des registres Minuterie/Compteur qui stockent la valeur 3 bits du prédiviseur.
Définissez ou effacez ces trois bits de poids faible dans le registre TCCRnB correspondant, situé dans le segment void setup() de votre code Arduino. En modifiant les prédiviseurs de temporisation par codage , la fréquence PWM peut être ajustée, comme illustré dans cette vidéo de référence.
Tutoriel Arduino PWM n°1 - Comment modifier la fréquence PWM :
L’humain moyen entend généralement des sons compris entre 20 Hz et 20 000 Hz.
Fréquence = cycle/temps
1 Hz = 1 cycle/second
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 produira sur une période de 50 millisecondes comme indiqué 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 utilisateurs n'entendent aucun sifflement du moteur. La plage de fréquences PWM de 16 kHz à 20 kHz résout généralement la plupart des problèmes de sifflement des moteurs à courant continu. Cette plage peut servir de point de départ pour les tests avant d'effectuer des ajustements progressifs afin d'optimiser 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/ 20 000 Hz
Temps = 0,00005 seconde
Temps = 50 µs
Pour une fréquence PWM de 20 kHz, un cycle se produira sur une période de 50 microsecondes comme indiqué ci-dessous.
EN RÉSUMÉ
Ajuster la fréquence PWM peut contribuer à minimiser le sifflement indésirable du moteur. Cependant, il est important d'en évaluer les avantages et les inconvénients. Il est important de trouver la fréquence PWM adaptée à vos besoins, offrant le meilleur équilibre entre perte de puissance du moteur, dissipation thermique et sifflement.
Nous espérons que vous avez trouvé cet article aussi instructif et intéressant que nous, surtout si vous souhaitez en savoir plus sur le sifflement des moteurs CC à basse fréquence PWM. Pour toute question ou pour discuter plus en détail de nos produits, n'hésitez pas à nous contacter ! Experts dans notre domaine, nous serons ravis de vous aider.
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