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Transcription

ÉCOLE
POLYTECHNIQUE
DE MONTREAL
UNIVERSITE
DEPARTEMENT
DE GENIE
ELECTRIQUE
ET DE GENIE
INFORMATIQUE
Conception et realisation
d'un amplicateur de puissance
pour moteur c.c.
Rapport de projet de n d'etudes soumis
comme condition partielle a l'obtention du
diplôme de baccalaureat en ingenierie.
Presente par:
Jean-Pierre Lefebvre
Matricule:
59747
Directeur de projet: Gilles Roy, ing.
Montreal le 16 avril 1999
Sommaire
Le present ouvrage explore la conception ainsi que la realisation d'un amplicateur de puissance pour moteur a courant continu. Ce travail est realise au sein du
groupe SAE Robotique. Depuis plusieurs annees, le groupe travaille sur des robots
rouleurs et marcheurs. Nous avons fait face a des problemes de contrôle de moteur
et d'electronique de puissance. Le probleme de contrôle a ete resolu par un PFE
anterieur. Cependant, la carte de contrôle ne peut alimenter un moteur directement
et c'est ce probleme que vient resoudre le present projet. Il s'agit donc de realiser un
amplicateur de puissance permettant d'adapter les cartes contrôleurs existantes a
des moteurs a courant continu de 24 volts.
La solution obtenue repose sur le resultat d'un premier prototype d'amplicateur
realise dans le cadre du projet SAE Robotique ainsi que sur plusieurs notes d'application des manufacturiers de semi-conducteurs. Le choix de la solution en terme
general est donc assez precis des le debut du projet. Cependant, la conception et la
realisation du prototype impliquent plusieurs considerations tant au niveau du design
schematique et du choix des composants que de la conception du circuit imprime.
Ce document couvre la problematique initiale ainsi que les dierentes etapes de
la conception du circuit. Les explications quant aux choix de conception et aux choix
des composants sont elaborees an de permettre au lecteur de comprendre comment
ces choix ont ete faits. Le banc d'essais utilise pour la prise de mesures ainsi que les
resultats de ces essais sont presentes et expliques pour montrer les performances et les
limites du circuit concu. Des simulations sont aussi inclues en annexe pour completer
certaines explications.
Mots-cles: entra^nement c.c., hacheur, mosfet, commande MLI, moteur c.c.
Remerciements
Plusieurs intervenants ont contribue au succes de ce projet. Je tiens a remercier
M. Gilles Roy, directeur du PFE, pour m'avoir dirige dans les etapes nales de la
realisation de ce projet. Je voudrais aussi remercier Rick Belair, ancien membre de
SAE Robotique pour son implication et son soutien tout au long de ce projet. Je
remercie aussi tous les membres de SAE Robotique qui m'ont soutenu depuis le debut
avec patience. Enn, je remercie Les Circuits Imprimes de la Capitale inc. pour avoir
fabrique gracieusement les circuits imprimes pour ce projet et Teknor Ordinateurs
Industriels inc. pour avoir genereusement fourni une partie des composants necessaires
pour le montage de 15 amplicateurs.
ii
Table des matieres
Liste des tableaux
v
Table des gures
vii
Liste des symboles
ix
Introduction
1
1 Criteres de conception
3
1.1
1.2
1.3
1.4
Interface electrique . . .
Puissance . . . . . . . .
Contraintes physiques . .
Protection et robustesse
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2 Conception
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2.1 Considerations preliminaires . . . . . . . . . . .
2.1.1 Amplicateur lineaire versus hacheur . .
2.1.2 Le pont en H . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Presentation generale du circuit . . . . . . . . .
2.3 Description et choix des composants . . . . . . .
2.3.1 Isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2 Logique d'adaptation . . . . . . . . . . .
2.3.3 Alimentation des grilles . . . . . . . . . .
2.3.4 Pont en H . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.5 Protection . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.6 Regulation, ltrage et immunite au bruit
2.4 Considerations thermiques . . . . . . . . . . . .
2.4.1 E levation thermique . . . . . . . . . . .
2.5 Design du circuit imprime . . . . . . . . . . . .
iii
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3
4
4
5
6
6
6
8
9
11
11
12
12
14
17
19
19
20
22
2.5.1 Placement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.2 Routage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 Resultats
3.1 Procedure de test . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Formes des signaux . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Delai dans la logique d'adaptation .
3.2.2 Pont en H sans charge . . . . . . .
3.2.3 Pont en H sous charge dynamique .
3.2.4 Impulsion de courant dans le pont .
3.3 Circuit de protection . . . . . . . . . . . .
3.3.1 Fusible thermique en surcharge . .
3.3.2 Branchements errones . . . . . . .
3.4 Dissipation thermique . . . . . . . . . . .
3.4.1 Sous charge statique . . . . . . . .
3.4.2 Sous charge dynamique . . . . . . .
3.5 Problemes de bruit . . . . . . . . . . . . .
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22
24
24
26
26
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28
30
30
32
32
32
34
35
4 Discussion
36
Conclusion
39
Bibliographie
41
A Schemas du circuit
42
B Liste des pieces
47
C Simulation
49
D Specications de moteur
57
4.1 Utilisation des diodes antiparalleles . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Amelioration possible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Recommandations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.1 Simulation de la charge des grilles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.2 Simulation du pont en H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
D.1 Moteur type de 70 watts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
D.2 Moteur de puissance maximum 250 watts . . . . . . . . . . . . . . . .
D.3 Moteur utilise pour les tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
iv
36
36
37
49
51
57
58
58
D.4 Modelisation du moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
E Procedure d'assemblage et de verication
E.1
E.2
E.3
E.4
Montage du circuit imprime
Procedure de verication . .
Problemes et solutions . . .
Test des mosfets . . . . . . .
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60
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63
F Specications techniques
64
G Contenu des disquettes
65
v
Liste des tableaux
2.1
2.2
2.3
2.4
Avantages et inconvenients du mode hacheur . . . . . . . . . . . .
Caracteristiques necessaires pour l'optocoupleur . . . . . . . . . .
Courant maximum pour 3 mosfets . . . . . . . . . . . . . . . . . .
E levation thermique dans le cas de la simulation de la section C.2.
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8
12
16
21
3.1 Puissance dissipee dans le regulateur . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 E valuation des pertes statiques et de la resistance thermique sans ventilateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 E valuation des pertes statiques et de la resistance thermique avec ventilateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Perte energetique du circuit sous charge dynamique . . . . . . . . . .
33
vi
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33
33
34
Table des gures
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
Amplicateur lineaire hypothetique . . . . . . . . . . .
Amplicateur en mode hacheur hypothetique . . . . . .
Pont en H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diagramme fonctionnel de l'amplicateur de puissance
Les courants dans le pont en H en operation . . . . . .
Montage du radiateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Circuit thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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6
7
9
10
17
20
21
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
Banc d'essais utilise pour la validation de l'amplicateur de puissance
Delai dans la logique d'adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Forme de ALI et ALO pour le circuit sans charge . . . . . . . . . . .
Mesures experimentales, vue d'ensemble . . . . . . . . . . . . . . . .
Mesures experimentales, front montant . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mesures experimentales, front descendant . . . . . . . . . . . . . . . .
Courant de demarrage du moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Operation du fusible de protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Resistance thermique vs puissance dissipee. . . . . . . . . . . . . . . .
25
26
27
28
29
29
31
31
33
A.1
A.2
A.3
A.4
A.5
A.6
A.7
A.8
A.9
Schema electrique . . . . . . . . . . . . . .
Cuivre côte dessus . . . . . . . . . . . . .
Cuivre côte dessous . . . . . . . . . . . . .
Masque de soudure côte dessus . . . . . .
Masque de soudure côte dessous . . . . . .
Masque de serigraphie côte dessus . . . . .
Masque de serigraphie côte dessous . . . .
Schema de branchement de l'amplicateur
Plan d'usinage du radiateur. . . . . . . . .
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43
44
44
44
45
45
45
46
46
......................
50
C.1 Circuit pour simulation de
V
gs
vii
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C.2 Simulation de la charge de la grille du mosfet IRFZ48N pour dierentes
valeurs de resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.3 Simulation du pont en H, vue generale. . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.4 Simulation du pont en H, front montant. . . . . . . . . . . . . . . . .
C.5 Simulation du pont en H, front descendant . . . . . . . . . . . . . . .
50
53
54
54
D.1 Modele simplie d'un moteur c.c. tournant a vitesse constante. . . . .
59
E.1 Montage des mosfets et du regulateur sur le radiateur. . . . . . . . .
E.2 Pliure des pattes des mosfets et du regulateur. . . . . . . . . . . . . .
61
61
viii
Liste des symboles
EMI
MLI
PC
PCB
PWM
SOIC
mosfet
d on)
td(off )
Cgd
Cgs
Im
Id
PA
Rds
Rcs
Rjc
Ta
Tc
Vds
Vgs
t (
electromagnetic interference))
modulation de largeur d'impulsion
(( personal computer)), ordinateur
(( printed circuit board))
(( pulse width modulation)) (MLI)
(( small outline integrated circuit))
(( metal oxide semiconductor eld eect transistor))
delai pour que le mosfet passe de l'etat blocage a conduction
delai pour que le mosfet passe de l'etat conduction a blocage
capacite grille-drain
capacite grille-source
courant du moteur
courant de drain
puissance dans l'element A
resistance drain-source du mosfet
resistance thermique bo^tier-radiateur
resistance thermique jontion-bo^tier
temperature ambiante
temperature du bo^tier
tension drain-source
tension grille-source
((
ix
Introduction
L'utilisation des moteurs electriques en robotique est commune. Les robots sont
munis de membres articules ou de roues et leurs mouvements sont obtenus a l'aide
de ces moteurs. A un plus haut niveau, l'electronique de contrôle commande les mouvements aux moteurs ou aux actuateurs. Ce chemin d'action entre le contrôleur et
l'actuateur passe par un amplicateur de puissance an d'adapter le niveau de puissance de la commande a celui des moteurs. C'est selon cette structure bien typique
que fonctionnent les robots du groupe SAE Robotique.
SAE Robotique est un groupe d'etudiants au baccalaureat dont la mission est
la conception et la realisation de robots autonomes en vue de participer a des
competitions. Au cours de l'annee 1998-1999, deux robots sont en developpement.
Le premier, Bob4, est un robot rouleur destine a une competition du Festival international des sciences et technologies : le Championnat mondial de robotique mobile
organise a Bourges en France. Quant au deuxieme, il s'agit d'un vieux robot, Alexis.
Celui-ci existe au sein du groupe depuis plusieurs annees deja et n'a jamais pu montrer son plein potentiel. Au debut, la faiblesse etait au niveau des cartes realisant
l'asservissement du robot. Ceci a cependant ete habilement solutionne par le PFE
d'un etudiant, Rick Belair[3]. Ce dernier a realise une carte de contrôle dediee sur
bus PC104. Elle fonctionne donc avec un ordinateur industriel de type PC. Toutefois,
une diÆculte supplementaire a surgi: la faiblesse des cartes de puissance. Cette faiblesse se situait en deux points majeurs: conception peu optimisee pour les courants
necessaires et montage mecanique du circuit imprime peu satisfaisant.
Le present projet vise la conception et la realisation d'un circuit d'amplication
de puissance. Celui-ci devra permettre d'alimenter les moteurs des dierents robots
de SAE Robotique. An que le circuit concu reponde aux besoins presents et futurs du
groupe, des contraintes ont ete etablies et devront être respectees. Aussi, l'assemblage
nal doit pouvoir être fait sur des circuits imprimes de qualite. Ceci implique que la
documentation necessaire pour faire fabriquer de petites quantites de ces circuits doit
être produite. Le resultat nal du projet doit être un circuit pleinement fonctionnel
INTRODUCTION
2
pour utilisation dans les robots. Par la même occasion, nous desirons fournir a SAE
Robotique une documentation adequate permettant de transmettre les connaissances
acquises aux membres actuels et futurs du projet.
La faiblesse de l'electronique de puissance d'Alexis est le point de depart du
present projet. Une premiere experience au niveau des amplicateurs de puissance a
ete realisee au cours de l'annee 1997 mais sans grand succes. Il s'agit toutefois d'un apprentissage preliminaire et necessaire au bon deroulement du projet. C'est en fait cette
experience qui a fourni la plus grande partie des considerations de base necessaires
a la realisation de ce projet. Ensuite, les besoins de SAE Robotique m'ont mene a
travailler sur une version plus compacte et bien sûr fonctionnelle des amplicateurs.
Nous avions entre autre besoin de ces cartes pour Bob4. Il s'agit ici du premier prototype realise pour valider l'utilisation des composants principaux du circuit actuel.
Le travail suivant consiste en l'amelioration du design original ainsi qu'en un travail
de revision, de choix nal des composants et de validation du circuit. La validation
du circuit electrique est menee en parallele avec la realisation du circuit imprime.
Certaines valeurs de composants ont ete choisies apres observation des signaux sur le
prototype.
Le premier chapitre presente la problematique introduite ci-haut. Les questions
de compatibilite avec le materiel existant, de dimension du systeme et de puissance
necessaire pour les moteurs seront denies. Le systeme est concu an de respecter ces
criteres.
Le chapitre suivant est consacre a l'elaboration de la solution. Les choix au niveau
du principe de fonctionnement y sont justies. Le choix des composants et les details
de la realisation y sont aussi expliques, ainsi que les calculs necessaires pour valider
ces choix.
Le troisieme chapitre fait etat des resultats obtenus au banc d'essais. Les essais
necessaires pour valider le circuit nal sont decrits ainsi que les dierents resultats.
Ceux-ci sont compares aux calculs eectues dans la section de conception lorsque
pertinent et les limites physiques du circuit sont evaluees an de verier la correspondance avec les specications de depart.
Finalement, le dernier chapitre est consacre a la discussion. Celle-ci porte sur les
resultats obtenus ainsi que sur les dierentes ameliorations possibles. On y apporte
aussi certaines recommandations.
Chapitre 1
Criteres de conception
L'amplicateur a realiser doit respecter certaines contraintes, tant au niveau de
la puissance, de la forme physique et de l'interface electrique. Ces contraintes sont
denies par les circuits electriques deja existants ainsi que par la puissance des moteurs
utilises pour les robots. De plus, des contraintes dimensionnelles et de robustesse ont
ete denies a partir de l'experience acquise au sein du groupe. Nous denirons donc
clairement les dierentes contraintes dans les sections suivantes.
1.1 Interface electrique
L'interface electrique principale provient de l'unite de commande. La commande
est generee par une carte de contrôle dediee. Chacune de ces cartes d'asservissement
peut commander jusqu'a 4 moteurs. Le connecteur de cette carte est du type ((20X2
broches)). L'ordre des signaux dans le câble fait en sorte qu'il peut facilement être
separe en 5 sections de 8 brins (puisqu'il s'agit d'un câble plat, celui-ci est tout
simplement dechire en 5 sections). La cinquieme section est inutilisee, etant prevue
pour l'echantillonnage de signaux au besoin. Les connecteurs pour la section logique
du circuit doivent être du type ((5X2 broches)) (des connecteurs du type ((4X2 broches))
sont peu communs) puisque ceux-ci sont deja utilises dans les cartes de prototype et
qu'ils permettent de transporter les 8 conducteurs. Le câble fournit 4 ls de masse, 2
ls d'entree/sortie tout usage et 2 ls pour la commande. Ces deux derniers signaux
sont les seuls utilises pour la modulation MLI. Un signal fournit la direction et l'autre
la tension de commande sous forme de modulation de largeur d'impulsion (MLI). Le
circuit n'utilisera que ces deux signaux.
1
1. La description detaillee de l'interface de contrôle et des signaux est fournie dans [3]
4
CHAPITRE 1. CRITERES
DE CONCEPTION
Au niveau de l'alimentation de puissance, le systeme fournit une tension de 24
volts. Il s'agit en general de piles acide-plomb ou d'une source de tension capable d'alimenter les robots lors des essais. Ici il n'y a pas de connecteurs particuliers reellement
imposes. Cependant, nous utilisons des terminaux standard et peu coûteux lorsque
que possible. Ceci simplie l'approvisionnement des pieces. Nous imposerons donc des
connecteurs de type ((PCB mountable quick disconnect terminals)) pour l'alimentation 24 volts et l'alimentation des moteurs. Les moteurs utilises sont du type moteur
monophase a aimants permanents. Deux bornes d'alimentation sont donc suÆsantes
pour le moteur. Des specications sur les moteurs utilises sont fournies a l'annexe D.
2
1.2 Puissance
La puissance requise pour les robots actuels varie d'une charge utile d'environ 30
watts a 150 watts. Dans la plupart des cas la charge inertielle est plutôt faible, mais
il y a des exceptions. Un robot rouleur pour lequel les moteurs sont directement relies
aux roues sans decouplage par exemple. Il faut donc pouvoir accepter des pointes de
courant assez importantes lors des demarrages et des arrêts du moteur. Ces pointes
peuvent varier en duree de quelques millisecondes a plusieurs centaines de millisecondes. La grandeur des courants de pointe depend du moteur utilise ainsi que de
l'application et doit être calculee pour chaque cas precis. Puisque nous voulons un
amplicateur pouvant repondre aux besoins des robots a venir aussi bien que des
robots actuels, nous avons specie une puissance utile maximum de l'ordre de 250
watts. Il s'agit d'une puissance moyenne. Cette specication donne un peu de jeu,
mais il faut aussi comprendre que les specications limites dependent des composants
utilises. Des mosfets de puissance seront suggeres pour satisfaire a dierents niveaux
de puissance et de courant de pointe plus loin dans l'ouvrage.
1.3 Contraintes physiques
La dimension physique du circuit est un aspect important. Les robots etant parfois
petits, il est souhaitable que les circuits soient petits. La dimension n'etait cependant
pas xee d'une maniere stricte par l'aspect mecanique des robots. Nous avons donc
vise la dimension d'une carte de credit pour la surface du circuit, soit 3.25"x2.15".
Cette dimension semble raisonnable au depart et il est utile d'avoir un objectif precis.
2. Voir [6] page 21
CHAPITRE 1. CRITERES
DE CONCEPTION
5
L'epaisseur du circuit quant a elle n'est pas speciee et il est admissible que le circuit
ait une epaisseur de l'ordre de 1" ou un peu plus etant donne la necessite d'utiliser
un radiateur et un ventilateur.
1.4 Protection et robustesse
Un des problemes importants en competition est la abilite et la robustesse du
materiel. Il est donc essentiel que le circuit nal soit robuste, tant au point de vue du
montage mecanique que du systeme electrique. On doit pouvoir brancher le circuit a
l'envers sans le briser et si possible faire en sorte que celui-ci ne se detruise pas s'il est
vraiment branche tout de travers. Le circuit doit aussi être resistant aux vibrations
et aux chocs. En eet, le transport d'un robot par la route et l'avion soumet celui-ci
a des vibrations et des chocs. Ceci semble trivial, mais des composants mal xes au
PCB peuvent provoquer des bris au niveau des traces du circuit.
Chapitre 2
Conception
2.1 Considerations preliminaires
2.1.1 Amplicateur lineaire versus hacheur
Il y a plusieurs facons de concevoir un amplicateur de puissance. La technique
choisie depend fortement de l'application visee et des performances souhaitees. Les
deux techniques de base concernent le mode d'operation de l'amplicateur, soit le
mode lineaire et le mode hacheur. Dans un amplicateur lineaire, amplicateur de
tension par exemple, la tension de sortie de l'amplicateur sera une constante fois la
tension d'entree. Une partie de la tension doit être chutee dans le composant principal,
un transistor quelconque, an d'alimenter la charge avec la tension souhaitee. Ceci
donne lieu a une grande perte ohmique et l'amplicateur est peu eÆcace.
Pour illustrer cette situation, supposons un amplicateur operationnel de puissance branche en suiveur, comme a la gure 2.1. Ceci serait realisable avec le LM12
de National Semiconductor. Dans ce cas, si out = 12 V, on trouve que la puissance
k
V
+24
Vin
+
Vout
RL
Fig.
2.1 { Amplicateur lineaire hypothetique
7
CHAPITRE 2. CONCEPTION
+24
MLI
Charge
Fig.
2.2 { Amplicateur en mode hacheur hypothetique
dissipee dans l'amplicateur est aussi importante que la puissance fournie dans la
charge. Si la charge est de plusieurs dizaines de watts ceci n'est pas souhaitable.
Dans le cas de l'amplicateur en mode hacheur comme il est utilise ici, on ne peut
pas realiser directement la fonction de l'amplicateur lineaire presente. En realite,
pour fournir une tension continue en sortie il faut faire du ltrage. Un moteur est
une charge inductive qui realise justement cette fonction de ltrage. Par consequent,
l'operation de l'amplicateur en mode hacheur donne le même resultat que l'amplicateur lineaire. La gure 2.2 illustre le principe de cet amplicateur. Dans ce cas, si le
signal MLI est un signal carre avec une modulation de 50%, il represente une tension
eÆcace de sortie de 24 0 5 = 12 V. E videmment, aux bornes de la charge la tension
est tantôt de 24 volts et ensuite 0 volt. Mais dans un montage reel on observe un courant en dents-de-scie dans l'inductance. Si les parametres physiques sont bien ajustes,
ce courant est presque continu. Le courant dans le moteur correspond alors a celui
fourni par l'amplicateur lineaire. Ici la puissance dissipee par le circuit est constituee
de pertes dans l'interrupteur (un mosfet) en conduction et par des pertes dynamiques
au moment des transitions conduction-blocage du mosfet. Ces pertes sont en general
faibles en comparaison avec la puissance fournie a la charge. Ceci est conrme plus
loin dans le rapport.
On peut aussi comparer les deux types d'amplicateurs sur d'autres aspects. Entre
autre, l'amplicateur lineaire sera en general plus volumineux car il necessite un plus
gros radiateur a cause de sa plus faible eÆcacite energetique. Par contre, l'amplicateur lineaire cree moins de problemes de bruit electrique ((EMI)). Ces bruits peuvent
être nuisibles et dans certains environnements on devrait avoir recours a l'amplicateur lineaire. Dans notre cas ce n'est pas reellement un probleme. Bien sûr il faut
limiter les emissions EMI du robot, mais l'environnement ou ils fonctionnent ne pose
pas de contraintes severes sur ces emissions.
:
8
Avantages:
Plus grande eÆcacite energetique
Realisation physiquement plus compacte
Adapte au contrôleur
Inconvenients: Genere plus de bruit electromagnetique
Tab.
2.1 { Avantages et inconvenients du mode hacheur
Notre choix se portera bien sûr sur un amplicateur de type hacheur. Ceux-ci sont
tout a fait adaptes a la commande de moteur. Le tableau 2.1 resume les dierents
avantages et inconvenients de l'amplicateur en mode hacheur. De plus, ce type d'amplicateur est vraiment celui prevu dans le cas d'une commande par modulation MLI.
Dans le cas de l'amplicateur lineaire, le contrôleur fournit plutôt une tension de sortie. L'amplicateur en mode hacheur d'amplicateur nous permettra de realiser un
circuit compact et tres eÆcace.
2.1.2 Le pont en H
Le pont en H etant au coeur du circuit, nous en expliquons le fonctionnement qui
est relativement simple d'ailleurs. L'objectif du systeme dans lequel s'insere l'amplicateur est de contrôler un moteur. Il faut ajuster la vitesse ainsi que le sens de rotation
de celui-ci. On a vu dans la section precedente que l'on pouvait ajuster la vitesse du
moteur en utilisant la modulation MLI et un mosfet comme interrupteur. On peut
aussi contrôler le sens du courant dans le moteur en utilisant une conguration de 4
mosfets en pont en H. La gure 2.3 met en evidence le fonctionnement du pont. On
voit que selon le sens de rotation desire il y a toujours 2 mosfets en conduction dont
un est utilise pour realiser la modulation MLI. Dans le pont en H, on designe les deux
mosfets du bas comme ((low side)) et les deux du haut ((high side)). On verra donc des
noms de signaux comme ALI ou AHI appara^tre dans le schema de la gure A.1, le
(( L)) et le (( H)) repr
esentant respectivement ((low side)) et ((high side)). On parlera aussi
de branche de gauche ou de droite pour designer les deux mosfets de gauche ou droite
places l'un au-dessus de l'autre. Dans la notation de ((ALI)) et ((BLI)) les branches sont
representees par A et B. Dans l'exemple de ((ALI)), le I signie ((input)). Les 4 mosfets
du pont en H sont identies sur le schema electrique par Q1 a Q4. Toutefois, dans le
document on les nommes de A a D comme a la gure 2.3. Les problemes techniques
relies a ce dispositif sont discutes plus loin dans le chapitre.
9
+24
+24
A
C
A
C
I
I
Charge
Charge
B
D
I
Fig.
MLI
B
MLI
D
I
2.3 { Pont en H: cette conguration de 4 mosfets permet de changer le sens du
courant dans la charge tout en realisant une modulation MLI.
2.2 Presentation generale du circuit
Le circuit est constitue de 5 blocs principaux. Ceux-ci sont illustres a la gure 2.4.
Le contenu de chacun des blocs est explique en detail plus loin dans le chapitre.
Ici nous expliquons la nature des dierentes parties du circuit, la conception dans
l'ensemble ainsi que les concepts generaux.
La section d'isolation est la premiere etape pour les signaux en provenance du PC.
On assure ici un decouplage entre ce qui se passe du côte de la puissance et du côte de
la logique. Ainsi, la destruction accidentelle du circuit de puissance, pour une raison
quelconque, ne pourra aecter le systeme de commande. Celui-ci etant relativement
sensible au bruit et aux surtensions, il est important de s'assurer que le bruit genere
par l'operation du moteur ne se repercute pas du côte de l'ordinateur. Il y aura
toujours un certain couplage entre le systeme de commande et de puissance du fait
de leur alimentation commune, mais le bruit est attenue par plusieurs regulateurs de
tension et plusieurs etapes de ltrage. Quant au bruit provenant du systeme d'entree
et sortie, c'est celui-ci que l'on veut a tout prix eliminer puisque le systeme y est
sensible.
La section d'adaptation logique permet de decomposer les deux signaux d'entree,
(( SENS)) et (( PWM)) , en quatre signaux correspondant aux quatre mosfets. Logiquement ces signaux correspondent a l'etat desire (circuit ouvert ou ferme) des mosfets
vus comme interrupteurs.
La troisieme section, la section d'alimentation des grilles, permet l'application des
tensions de contrôle sur les grilles des mosfets. Ce circuit particulier d'amplication
2.4 { Diagramme fonctionnel de l'amplicateur de puissance
Alimentation des
grilles
Pont en H
Commande
Moteur
Fig.
Isolation
Logique
d’adaptation
Protection et régulation
12 volts
24 volts
10
11
est necessaire pour pallier aux problemes techniques que pose l'alimentation des grilles
dans les systemes de puissance. Il faut d'une part pouvoir injecter un fort courant
pour charger la grille du mosfet, celle-ci etant fortement capacitive. Ceci n'est pas
possible avec les circuits logiques conventionnels. D'autre part, les deux mosfets du
haut sont aussi de type canal N et il faut que la tension de commande soit referencee
a la source de ces mosfets.
Le bloc suivant est le pont en H. Son principe de fonctionnement a deja ete enonce
plus haut. Celui-ci est constitue de 4 mosfets a canal N a enrichissement. Des diodes
en parallele avec les mosfets sont aussi prevues dans le circuit. Le pont est la partie qui
realise l'amplication desiree au depart. Des courants de plusieurs amperes peuvent
y circuler.
Enn, le dernier bloc du circuit concerne la protection et la regulation. Le circuit
necessite une tension de 12 volts pour fonctionner. Aussi, il faut être en mesure
de supporter les surtensions, les surcharges ainsi que les mauvais branchements si
possible. Pour ce faire nous introduirons la diode suppresseur de transitoires et le
fusible automatique ((auto resetable fuse)).
2.3 Description et choix des composants
2.3.1 Isolation
La realisation de l'isolation electrique peut reposer sur dierentes techniques. Les
deux methodes envisageables dans notre cas sont les optocoupleurs ((signal lumineux))
et les transformateurs d'isolation ((signal magnetique)). De ces deux possibilites, nous
retiendrons la premiere. Deux raisons justient ce choix:
1. Disponible en bo^tier SOIC (montage en surface).
2. Possibilite de transmettre des signaux numeriques tres simplement.
Les optocoupleurs doivent respecter quelques contraintes pour permettre un bon
fonctionnement dans le circuit. Celles-ci sont resumees dans le tableau 2.2. Tout
d'abord, les sections de logique d'adaptation et d'alimentation des grilles fonctionnent
a 12 volts. La section de sortie de l'optocoupleur doit donc aussi fonctionner a cette
tension. Ceci simplie le circuit en fonctionnant avec une seule tension de 12 volts. De
plus, il est necessaire de choisir un optocoupleur avec une sortie de type ((push-pull))
puisque ceux-ci ont en general des performances superieures au niveau des temps de
montee et de descente du signal. On evite aussi l'utilisation d'une resistance ((pull-up)).
Enn, la bande passante de l'optocoupleur doit être suÆsante. La carte de contrôle
12
Fonctionnement a 12 V pour la sortie
Sortie de type ((push-pull))
Bande passante de 3 Mbits ou plus
Disponible en bo^tier SOIC
Tab.
2.2 { Caracteristiques necessaires pour l'optocoupleur
genere un signal MLI d'une frequence de 12 kHz. La modulation est d'une resolution
de 8 bits. On obtient donc un signal necessitant une bande passante de 12 3 256 =
3072000 . Ceci est important pour conserver la forme du signal de commande
jusqu'au pont de mosfets.
Deux optocoupleurs ont ete choisis. Le HCPL-0201 de Hewlett Packard et
le TLP2200 de Toshiba. D'autres modeles de HP sont disponibles avec des caracterisques superieures en presence de bruit. Le choix est par contre assez restreint
pour les bo^tiers SOIC.
E
bit=s
2.3.2 Logique d'adaptation
Le circuit d'adaptation logique est tres simple. Il s'agit de generer les quatre signaux ALI, BLI, AHI et BHI a partir de PWMb et SENSb. Ces signaux sont identies
sur le schema du circuit a la gure A.1. Les fonctions a realiser sont les suivantes:
AH I
BH I
ALI
BLI
=
=
=
=
(2.1)
(2.2)
(2.3)
(2.4)
SEN Sb
SEN Sb
SEN Sb
SEN Sb
P W Mb
P W Mb
Ceci est realisable avec seulement quatre portes NON-OU. La contrainte ici est
la tension de fonctionnement de 12 volts et seuls les circuits CMOS de la serie 4000
permettent cette tension elevee. Les pieces MC14001 ou CD4001 en bo^tier SOIC
sont communes et sont choisies pour realiser cette fonction.
2.3.3 Alimentation des grilles
L'alimentation des grilles des mosfets en electronique de puissance commutee est
critique. Un des problemes est la grande capacite de grille des mosfets, gs. Cette
capacite non lineaire doit être chargee pour que le mosfet entre en conduction. Ceci
C
13
prend un certain temps pendant lequel le mosfet agit en source de courant, ce qui entraine une dissipation de puissance dynamique. Pour reduire au minimum ces pertes,
il faut charger tres rapidement la grille, ce qui necessite un circuit particulier avec
une impedance de sortie tres faible.
Aussi, an de pouvoir realiser un pont en H avec 4 mosfets a canal N, il faut un
circuit pour alimenter les deux mosfets superieurs du pont. La source de ces deux
mosfets est a un potentiel inconnu et variable. La tension gs doit suivre ce potentiel
variable. Ceci est realisable a l'aide de circuits speciaux disponibles sur le marche.
Plusieurs autres caracteristiques peuvent être souhaitables dans le circuit d'alimentation des grilles. Entre autres, la protection contre les courts-circuits dans une
branche du pont en cas de faute de la logique d'adaptation. Certaines puces orent
aussi un circuit de blocage du pont dans le cas de sous-tension. En eet, il ne faut pas
alimenter la charge si les mosfets ne sont pas en conduction totale car ceci risque de les
faire surchauer. Enn, certains circuits orent une protection pour les surcharges ou
contiennent la logique d'adaptation necessaire pour utiliser directement les signaux
SENS et PWM.
Parmi quelques fournisseurs de circuit d'alimentation de grilles de mosfets de
puissance dont Harris Semiconductor, International Rectier et Siliconix, nous avons
choisi le HIP4081AIB de Harris Semiconductor. Celui-ci possede toutes les caracteristiques enumerees ci-haut sauf la protection contre les surcharges et la logique
d'adaptation integree. Le choix repose principalement sur le fait que c'est le premier
circuit integre avec lequel nous ayons travaille a SAE Robotique. Sinon, les autres
possibilites auraient tout aussi bien fait l'aaire, les caracteristiques etant similaires.
V
Branchement
Le branchement de la puce est explicite dans le schema du circuit a la gure A.1.
Quelques composants additionnels doivent être presents pour assurer le bon fonctionnement du HIP4081AIB. Tout d'abord, deux resistances (R3 et R4) permettent de
contrôler un temps mort. Ce temps mort fait en sorte que le mosfet superieur d'une
branche du pont ne peut entrer en conduction avant un certain delai apres que le
mosfet du bas ait ete bloque. On evite ainsi le court-circuit d'une branche cause par
la dierence entre le delai d on et d off des mosfets . Dans notre cas, cette condition
de court-circuit se presente seulement aux inversions du sens de rotation du moteur.
Le delai n'est donc pas tres critique. On a choisi un delai assez long pour eviter tous
t (
)
t (
)
1
1. Il s'agit des temps de delai pour que le mosfet passe de l'etat bloque a l'etat de conduction et
vise versa. Se referer aux specications des mosfets.
14
problemes, soit 30 ns. Les resistances necessaires sont de 75 k
.
Le choix des resistances de grille presente plus d'interêt. Mais ce choix n'est pas
aussi critique que dans les applications de convertisseur DC-DC etant donne que la
frequence de commutation des mosfets est plutôt faible. La valeur des resistances
est donc plus grande que necessaire. Les commutations sont par le fait même moins
violentes et generent moins de bruit electrique tout en dissipant un peu plus d'energie.
Une resistance trop faible apporte des problemes d'oscillation sur la tension gs et
risque de reduire la duree de vie du mosfet par usure de l'isolation de grille. Une
resistance exageree par compte fait appara^tre le probleme de dissipation dynamique
excessive et de transitions spontanees a cause de l'eet de la capacite gd. Le choix
de la resistance de grille a ete fait plutôt experimentalement. Une valeur de 22 a
ete choisie. Une simulation a aussi ete realisee pour conrmer ce choix. Celle-ci est
presentee a la section C.1. On voit que la valeur choisie est un bon compromis entre
un temps de montee rapide et une commutation trop violente de la tension gs. Ceci
sera aussi conrme dans le chapitre concernant les resultats.
An de bien alimenter les deux mosfets superieurs du pont en H, nous avons
deja mentionne qu'il fallait un circuit special. Celui-ci est constitue d'une pompe de
courant qui charge les condensateurs C1 et C2 de la gure A.1. Le fonctionnement
interne du circuit integre est couvert dans la note d'application AN9405.3. Puisque
l'application presente est a basse frequence et que les mosfets du haut ne font pas
de modulation MLI, le choix de ce condensateur est plutôt empirique et simple. Il
est important qu'il soit suÆsamment grand pour charger la grille du mosfet a une
tension aussi pres de 12 volts que possible. Une dimension excessive n'est pas non plus
souhaitable, mais on a pu trouver qu'une valeur de 0.1 uF etait tres satisfaisante.
2
V
C
V
2.3.4 Pont en H
Le pont en H est constitue de 4 mosfets a canal N a enrichissement. An de
bien choisir les mosfets il faut conna^tre la charge. Dans le cas de SAE Robotique
il s'agit de moteurs a courant continu a aimants permanents. Ceux-ci variant de
quelques dizaines de watts a un maximum de 250 watts. Les specications de deux
moteurs, l'un d'une puissance type de 70 watts et l'autre d'une puissance maximum
de 250 watts sont fournies en annexe D. Les calculs suivants seront toutefois faits en
fonction d'un moteur (presente en annexe) correspondant a celui utilise lors des essais
2. Plus de details a ce sujet peuvent être obtenus dans la specication du manufacturier et dans
les notes d'application AN-9405.3 et AN-9506
15
presentes au prochain chapitre, pour lequel moins de caracteristiques sont connues.
Une charge motrice presente deux contraintes dans le choix des mosfets. Tout
d'abord, le mosfet doit soutenir le courant necessaire en regime permanent pour la
charge nominale. Ensuite, il doit resister aux courants de pointe lors du demarrage et
de l'arrêt du moteur. Ces courants de pointe peuvent varier fortement en duree selon
la nature de la charge entra^nee par le moteur.
Les contraintes au niveau de l'assemblage imposent que les mosfets soient en
bo^tier TO-220. Le montage physique du radiateur, particulierement eÆcace, est discute a la section 2.4.
Choix des mosfets
La puissance dissipee dans les mosfets peut être evaluee theoriquement avec les
donnees du manufacturier. Une simulation du pont en H a aussi ete realisee a la
section C.2. Les resultats de la presente section pourront être compares avec ceux de la
simulation. Pour les calculs suivants, nous utilisons le courant moyen de charge obtenu
avec la simulation. Les caracteristiques du même mosfets que pour la simulation sont
utilisees. Les donnees de depart sont les suivantes:
9.11 A
m
50%
0.016 ds
Puisque le mosfet A est toujours en conduction:
I
M LI
R
A
P
A
P
= ds m
= 1 33
R
:
I
2
W
(2.5)
(2.6)
Dans le mosfet D, le courant circule pendant un demi-cycle seulement. La puissance
et donc:
D
P
D
P
2
= ds2 m
= 0 66
R
:
I
W
(2.7)
(2.8)
Dans le cas du mosfet C, le courant circule dans la diode pendant un demi-cycle,
lorsque le mosfet D n'est plus en conduction. On suppose donc une tension de chute
de 0.7 volt. Ceci donne:
C
P
= 2
VI
(2.9)
16
Mosfet
IRFZ34N
IRFZ44N
IRFZ48N
Tab.
m(max) (N F )
I
m(max) (F )
I
12.7
15.4
16.8
27.0
38.5
45.8
peak
I
100
160
210
2.3 { Courant maximum pour 3 mosfets
C
P
C
P
= 0 7 9 11 0 5
= 3 19
:
:
:
W
:
(2.10)
(2.11)
On neglige ici les pertes causees par les transitions au niveau des mosfets. La frequence
d'operation etant basse, l'impact n'est pas trop important.
Il semble que la puissance estimee theoriquement soit plus grande que la puissance
simulee. On trouve un total de 5.19 W contre 4.18 W. Les valeurs de puissance
concordent tout de même assez bien. On trouve environ 20% d'ecart entre les deux
estimes. L'evaluation theorique est donc relativement bonne et conservatrice. Selon les
resultats precedants on prevoit des pertes approximatives de 5.2 W pour une charge
de 110 W, ce qui represente seulement 5% de pertes.
Sur la base de ces calculs et de ceux de la section 2.4, on peut choisir des mosfets
pour dierents niveaux de courant. Le tableau 2.3 donne pour trois mosfets dierents
les courants moyens maximums et les courants de pointe admissibles. Ces derniers
correspondent au courant maximum que peut supporter le mosfet tant qu'il n'est pas
trop chaud. Les calculs ont ete faits en supposant une temperature ambiante de 25o .
Les 3 mosfets suggeres sont les IRFZ34N, IRFZ44N et IRFZ48N de Internationnal Rectifer. Les valeurs de courant du tableau 2.3 sont des valeurs approximatives
des courants maximums. Ces courants poussent le mosfet a sa limite de temperature.
Il est recommande d'utiliser une marge de securite de l'ordre de 50% puisque la
temperature de l'environnement peut varier et que le courant dans un moteur est sujet a des pointes de longue duree. Ceci est particulierement vrai pour les applications
de robots rouleurs a l'etape de prototype.
C
Diodes antiparalleles
Les diodes, deja presentes dans les mosfets, permettent de faire passer le courant
lorsque le mosfet qui fait la MLI passe en blocage. Ceci est illustre a la gure 2.3.4.
Ce courant est principalement dû a la caracteristique inductive du moteur, mais peut
aussi être produit par l'eet generateur du moteur. Sans ces diodes, une forte tension
17
+24
+24
A
C
A
I
I
Moteur
I
Moteur
B
D
B
D
I
Fig.
2.5 { Les courants dans le pont en H en operation
est developpee dans le pont et les mosfets peuvent être endommages. Des diodes
additionnelles ont ete prevues dans le design original. Ces diodes doivent avoir de
meilleures caracteristiques dynamiques an de mieux eliminer les surtensions. Mais
surtout, elles doivent avoir un temps de recouvrement tres rapide. Toutefois, pour être
vraiment eÆcace, il faut que le courant de retour du moteur passe surtout dans cette
diode ultrarapide. La simulation de la section C.2 permet de voir le probleme. La
courbe du courant de la gure C.4 demontre qu'une pointe de fort amperage survient
lorsque le mosfet passe en conduction. Ce courant circule dans la diode avant qu'elle
bloque.
Malgre que les diodes soient utiles, elles ne sont pas necessaires dans tous les
cas. Si la pointe de courant n'excede pas les capacites du mosfet et que la puissance
dissipee est negligeable, elles sont inutiles. De plus, on peut voir a partir des calculs
de puissance dissipee, realises plus haut, que la puissance dissipee dans la diode du
mosfet est grande. Si on fait passer la totalite de ce courant dans une diode ajoutee,
elle doit être en mesure de dissiper cette puissance. En fait, il s'agit ici d'une erreur de
conception car il n'est pas possible de trouver des diodes en format SMB capables de
dissiper plusieurs watts sans radiateur, et ce même pour des diodes de Schottky que
nous devrions utiliser. Au niveau de l'assemblage nous ne pouvons utiliser de diodes
additionnelles suÆsamment grosses. Ces diodes ne seront donc pas utilisees, malgre
qu'elles font partie du schema de la gure A.1.
2.3.5 Protection
Le circuit de protection est constitue d'un fusible particulier ((thermo resettable
fuse)) ainsi que d'un suppresseur de transitoires optionnel. Le fusible est une resistance
18
fortement non lineaire qui coupe le circuit lorsque le courant devient trop intense. En
fait, le composant chaue et la resistance augmente jusqu'a couper le circuit. Un petit
courant de fuite circule alors mais relativement faible. La description fonctionnelle
detaillee du dispositif peut être consultee dans [5].
La presence de ce fusible permet de proteger le moteur et les mosfets en cas
de fautes du circuit ou du systeme. Par exemple, si le moteur bloque, le courant
devient trop grand et risque de le faire surchauer. Ceci peut être evite avec un choix
judicieux du fusible. Par contre, il n'est pas evident de pouvoir proteger egalement les
mosfets et le moteur. Un compromis doit être fait. On pourra aussi se proteger d'un
mauvais branchement. Si le circuit est branche a l'envers, un courant fort sera injecte
dans celui-ci et tres rapidement le fusible entrera en action. Toutefois, la tension sera
inferieure a environ 0.7 volt si une diode suppresseur de transitoires est presente.
Dans le cas contraire, la protection n'est pas aussi sûre puisque environ 1.4 volts sera
present aux bornes du circuit (les deux diodes internes des mosfets en serie).
Voyons ce qui se passe pour un cas typique:
{ Moteur 70 W 24 V (specication en annexe D)
{ Mosfet IRFZ34N
{ Fusible RUE300
La protection du moteur est dans ce cas assuree. Au courant nominal de 2.44 A
le fusible sera un circuit ferme indeniment. Des ecarts de plusieurs secondes a des
courants de 8 ou 12 amperes seront toleres. Par contre, si le moteur bloque le courant
augmente a 21.5 A et le fusible declenche en environ 1 seconde, ce qui protege le
moteur d'une surchaue possible. Dans ce cas il faudrait utiliser un ventilateur pour
s'assurer de la protection des mosfets lors des pointes de courant.
On ne peut pas facilement être protege contre les courts-circuits francs, comme
dans le cas ou les conduteurs du moteur seraient sectionnes par accident. C'est un
cas limite, mais il serait interessant d'en être a l'abri, car ce sont les mosfets qui
risquent d'être endommages avant que le fusible n'ait eu le temps de reagir. Enn, si
les mosfets sont suÆsamment costauds ils seront bien proteges, mais ils doivent être
vraiment surdimensionnes par rapport a la charge.
Le choix du fusible sera donc toujours fait pour proteger le moteur. Les mosfets
seront eux proteges par le fait qu'ils peuvent fournir le courant du moteur a rotor
bloque pendant au moins le temps que prend le fusible pour declencher et qu'ils
peuvent supporter le courant nominal du moteur indeniment.
19
2.3.6 Regulation, ltrage et immunite au bruit
L'amplicateur necessite une tension de 12 volts pour fonctionner correctement.
Un simple regulateur lineaire est utilise a cette n. Il doit être en mesure d'alimenter
le circuit logique, les optocoupleurs, le circuit d'alimentation des grilles ainsi que le
ventilateur du radiateur. Au total, ces charges representent environ 100 mA. Toutefois, il faut un regulateur capable de fournir 500 mA a cause du courant de demarrage
du ventilateur. Nous utilisons ici le MC78M12CT. Celui-ci est produit par quelques
compagnies dont Motorola et National Semiconductor. L'alimentation du regulateur
est de 24 volts et il devra dissiper 12 0 1 = 1 2 W. Ce qui n'est pas un probleme
puisque le regulateur est aussi installe sur le radiateur comme les 4 mosfets de puissance. De plus, ce regulateur a une protection interne contre les surcourants et les
surchaues. Nous sommes donc proteges dans le cas d'un court-circuit au niveau du
ventilateur.
En ce qui concerne le ltrage et l'immunite au bruit, l'amplicateur ne fait que
peu de chose. 3 condensateurs electrolytiques de 470 uF et 5 condensateurs au tantale
de 22 uF assurent le decouplage et le ltrage du 24 volts d'alimentation sur le circuit.
Si des problemes de bruit excessif se posent, il faut recourir a des ajouts externes. Par
exemple, ajouter des ferrites sur les câbles d'alimentation pour eviter les problemes
de bruit en mode commun. Il peut être utile dans certains cas de placer une ferrite
sur un des ls d'alimentation du moteur pour reduire les pointes de courant dues aux
capacites parasites du bobinage. Bref, l'amplicateur n'a pas vraiment de provision en
lui-même pour reduire les problemes de bruit. D'ailleurs, il est impossible d'inclure des
ferrites ou des gros condensateurs additionnels vu les dimensions du circuit imprime.
:
:
2.4 Considerations thermiques
Le choix du montage des composants (les 4 mosfets et le regulateur) sur le radiateur et le choix du radiateur lui-même ont ete faits dans l'optique de la petite
dimension recherchee et de l'eÆcacite en terme de dissipation. Les radiateurs pour
CPU de type PentiumMC sont tres courants et bon marche. De plus, ils sont petits
et pourvus d'un ventilateur. Pour ces raisons, nous avons choisi d'utiliser ce type de
radiateur et d'assembler les 5 composants a bo^tier TO-220 d'une facon particuliere.
Celle-ci est illustree a la gure 2.6.
Ce montage permet l'utilisation ou non du ventilateur. Ce choix dependra des besoins en puissance pour le moteur utilise. La abilite du systeme diminue evidemment
20
VENTILATEUR
RADIATEUR
PCB
Fig.
2.6 { Montage du radiateur
avec l'utilisation du ventilateur, celui-ci etant sujet aux defaillances. Par contre, la
resistance thermique du montage en est grandement amelioree comme on le verra dans
la section des resultats. Selon les specications des manufacturiers on peut esperer
des resistances thermiques radiateur-air aussi faibles que 0.6 a 0.8 o
, ce qui est
excellent. En realite on se contentera d'une valeur entre 1 et 2 o
.
C=W
C=W
levation thermique
2.4.1 E
Les pieces refroidies par le radiateur sont au nombre de 5, dont 4 mosfets et
un regulateur. Dans le cas des mosfets, l'evaluation de la puissance dissipee peut
être faite par simulation ou par approximation comme vu plus haut. Pour evaluer la
temperature des composants on utilise le modele thermique du systeme. Celui-ci est
presente a la gure 2.7. On suppose une repartition uniforme de la temperature du
radiateur. Ceci simplie beaucoup les calculs qui devraient autrement faire appel aux
methodes d'elements nis. La temperature des composants et du radiateur peut être
trouvee par les equations suivantes:
A
T
=
A Rjc(A) + Pt Rca + Tambiant
P
(2.12)
21
Tc
Ra
Rb
Rc
Rd
Rreg
Ta
Tb
Tc
Td
Treg
Pb
Pc
Pd
Preg
Pa
Rca
+
Ta
-
Fig.
2.7 { Le modele thermique est constitue des cinq sources de puissance, des
resistances thermiques jonction-bo^tier des cinq composants et de la resistance thermique du radiateur, Rca . La temperature ambiante est modelisee par la source Ta .
jc(mosfet)
Rjc(reg )
R
Tab.
Composant
A
1.1 BC
5.0 D
reg (F)
reg (NF)
P
1.06
0.00
2.35
0.77
1.20
0.36
F
T
32.5
31.3
33.9
32.1
37.3
T
NF
61.1
60.0
62.6
60.8
max
T
175
175
175
175
150
61.8 150
evation thermique dans le cas de la simulation de la section C.2.
2.4 { El
t
P
ambiant
T
= A+
= 25
P
B + PC + PD + Preg
P
(2.13)
(2.14)
Pour evaluer la temperature d'un autre composant que le A, il suÆt d'utiliser les
bons indices dans l'equation 2.12. La resistance thermique ca comprend la resistance
thermique du radiateur et de l'interface bo^tier a radiateur. Les valeurs numeriques
utilisees sont celles determinees experimentalement et presentees au prochain chapitre.
La valeur de jc A provient de la specication du manufacturier. Le tableau 2.4
presente l'evaluation de la temperature des composants pour la simulation realisee a
la section C.2. Les indices N et NF signient respectivement avec et sans ventilateur.
On voit que les composants sont bien en dessous de leur limite d'operation, avec
ou sans ventilateur dans ce cas. Ceci est desirable car les pointes occasionnelles de
courant seront moins dangereuses pour ceux-ci.
R
R
( )
22
2.5 Design du circuit imprime
La realisation du circuit imprime est une des parties les plus critiques dans la
conception de l'amplicateur. Les experiences preliminaires ont permis de relever
plusieurs diÆcultes tant au niveau du placement que du routage. De plus, l'experience
acquise a conduit a un resultat satisfaisant dans des delais raisonnables. Les dierents
points a considerer au cours du travail de placement et de routage sont la position des
connecteurs et des pieces reliees au radiateur, la largeur et la longueur des traces. Il
faut aussi considerer les trous de xation et l'aspect assemblage du circuit. Les etapes
de placements et de routage menant au resultat nal sont en realite un processus
iteratif. On fait un premier placement et on debute le routage. On realise en cours
de route des problemes relies au positionnement des composants, alors on modie
le placement et on poursuit le routage. Ceci jusqu'a ce que tous les signaux soient
connectes. On peut voir le resultat du placement et du routage en annexe A.
2.5.1 Placement
Les points importants consideres lors du placement sont la position des connecteurs, des 4 mosfets et du regulateur de tension. Tout d'abord, les connecteurs doivent
être positionnes de sorte que les signaux logiques entrent par une extremite du circuit
et que la puissance se branche a l'autre extremite. Les connecteurs de puissance sont
places pour simplier le routage. Quant aux 4 mosfets et au regulateur, ils sont places
pour permettre leur montage commun sur le radiateur. La symetrie dans le pont en H
est un atout pour eviter des problemes. Ceci est en particulier vrai dans les montages
de mosfets en parallele, mais il est toujours souhaitable de ne pas creer des asymetries
inutiles. Les composants de la section d'isolation, de la logique d'adaptation et de l'alimentation des grilles sont places sur le côte dessus. Les gros composants: diodes et
condensateur au tantale sont places sur le côte dessous. Les autres composants ont ete
positionnes dans les espaces restants. Le placement peut être observe sur les gures
A.6 et A.7.
2.5.2 Routage
Le plus important au niveau du routage concerne les signaux de puissance et
les alimentations des grilles. Il faut ici minimiser les longueurs de trace ainsi que
l'inductance de ces traces. Pour cette raison, les 4 traces pour l'alimentation des grilles
parcourent le circuit accompagnees d'un chemin de retour aussi pres que possible.
23
Pour les traces de puissance, elles sont aussi larges que possible an d'eviter leur
echauement. Un autre aspect tres important est les plans de masse. Il est crucial
de creer un bon plan de masse an d'eviter le bruit engendre par les forts courants
dans le pont en H. Aussi, les plans de masse de chaque côte du circuit sont relies
en plusieurs points an de renforcer l'immunite au bruit et d'eliminer des problemes
oscillatoires entre les deux plans de masse. Le routage est montre aux gures A.2 et
A.3.
Chapitre 3
Resultats
3.1 Procedure de test
An de verier la conformite des caracteristiques du circuit fabrique avec les
specications initiales, il est necessaire de faire certains tests sur ce circuit. Ces essais permettent aussi de mesurer avec plus de precision certaines caracteristiques du
circuit qui avaient seulement ete estimees lors de l'etape de conception.
Pour valider tous les aspects du circuit, des mesures ont ete eectuees sur le circuit
sans charge. Ces mesures conrment la qualite des dierents signaux de l'entree du
circuit jusqu'au pont en H. Les courbes enregistrees permettent de verier si les
delais sont acceptables et de faire des comparaisons avec les signaux mesures lorsque
le circuit est sous charge.
Deux types d'essais ont ensuite ete pratiques. Le premier consiste a prendre des
mesures sur le circuit alimentant une charge statique: une resistance variable. Dans
ce cas, un signal PWM de 100% est applique au circuit. Des mesures de tension,
de courant et de temperature sont prises an d'evaluer les pertes statiques et les
caracteristiques reelles du circuit de dissipation thermique. Ces mesures sont obtenues
pour dierents courants de facon a determiner la resistance thermique du montage.
Le deuxieme type d'essais consiste a utiliser le circuit avec une charge motrice. Dans
ce cas le moteur fournit un couple constant ajustable. L'ajustement se fait par le biais
du deuxieme moteur dans lequel le courant peut être ajuste. La gure 3.1 montre le
schema de ce montage. Des mesures de tension, de courant et de temperature sont
aussi recueillies pour cet essai. On pourra observer les courbes de charge des mosfets
et autres signaux interessants.
Enn, les derniers essais concernent le circuit de protection. On observe le com-
CHAPITRE 3. RESULTATS
Fig.
Source de puissance motrice
Joint
Moteur C.C.
Charge ajustable
Alimentation
(amplificateur)
11111111111111111111111111111111111111
00000000000000000000000000000000000000
00000000000000000000000000000000000000
11111111111111111111111111111111111111
11111111111111111111111111111111111111
00000000000000000000000000000000000000
25
3.1 { Banc d'essais utilise pour la validation de l'amplicateur de puissance
Moteur C.C.
Fig.
26
3.2 { Delai dans la logique d'adaptation. Canal 1: PWMb, Canal 4: ALI
portement du fusible an de mieux le comprendre et de voir s'il remplit bien son
rôle. Ceci permettra un meilleur choix de ce composant pour assurer la protection du
moteur et des mosfets.
3.2 Formes des signaux
3.2.1 Delai dans la logique d'adaptation
La premiere observation que l'on peut faire ici est que les delais dans la logique
d'adaptation sont tout a fait negligeables. Ceux-ci sont inferieurs a 1 us, balances
pour ALI et BLI et legerement plus courts pour AHI et BHI. Ceci peut être deduit
du schema logique et des specications du CD4001. On s'interesse donc plutôt a
valider la qualite des signaux. La gure 3.2 montre le signal PWMb a la sortie de
l'optocoupleur au canal 1 et le signal ALI a la sortie de la porte NOR au canal 4. On
voit que les signaux sont rapides: temps de montee inferieur a 44 ns, ce qui est tres
satisfaisant. De plus ces signaux sont exempts d'oscillations. Il en est de même pour
les signaux AHI, BLI et BHI.
27
Fig. 3.3 { Forme de ALI et ALO pour le circuit sans charge. Canal 2: ALO (Vgs ),
Canal 4: ALI
3.2.2 Pont en H sans charge
La forme du signal de grille d'un mosfet sans charge revele le caractere non lineaire
de la capacite de grille. La gure 3.3 montre au canal 2 la tension gs (ALO) et au
canal 4 la tension d'entree ALI du circuit d'alimentation des grilles. On voit que le
signal ALO est tres regulier, ce qui ne sera pas le cas lorsqu'une charge sera branchee
au circuit. On voit aussi que le choix des resistances de grille fait en sorte qu'il n'y a
aucune oscillation mais que le temps de montee est quand même rapide.
V
3.2.3 Pont en H sous charge dynamique
Lorsque le circuit alimente un moteur avec un signal MLI inferieur a 100%, le
circuit accomplit la fonction pour laquelle il a ete concu. Les tests sont faits avec le
banc d'essais decrit plus haut. Des mesures des dierents signaux ont ete obtenues
pour plusieurs charges et pour plusieurs pourcentages de modulation. Les courbes des
gures 3.4, 3.5 et 3.6 resument bien les dierentes mesures. Il s'agit des courbes pour
une modulation de 50% et un courant moyen d'environ 12 A dans le moteur. Ceci
correspond environ au cas simule dans la section C.2.
On voit que la gure 3.4 se compare bien avec la simulation de l'annexe C.2. Le
28
3.4 { Mesures experimentales pour une charge de 12 A et MLI=50%. Canal 2:
,
Canal
3: Vgs , Canal 4: Im .
ds
Fig.
V
courant dans le moteur a une forme similaire. Pour les gures 3.5 et 3.6 on voit que les
signaux agrandis ont une bonne ressemblance avec la simulation. Il y a des dierences,
les modeles n'etant pas parfaits, mais on peut se permettre de croire que la simulation
donne une representation utilisable de la realite. On remarque l'absence d'oscillations
et de surtensions sur le signal de grille. On voit aussi que les temps de montee et de
descente des signaux sont relativement courts, ce qui assure des pertes dynamiques
faibles. La forme particuliere du signal gs provient du phenomene de capacite Miller
et aussi de la non linearite de la capacite de grille. Si on se base sur la simulation,
on peut supposer que la forme du courant d dans le cas de la gure 3.5 contiendrait
aussi une pointe de courant assez fort. On ne peut pas observer ce phenomene ici sans
retourner au banc d'essais. Il faudrait faire des mesures additionnelles. La qualite des
signaux assure cependant qu'il n'y a pas de problemes majeurs.
V
I
3.2.4 Impulsion de courant dans le pont
Lors du demarrage et de l'arrêt d'un moteur le courant dans le pont en H peut être
tres intense. Il faut donc choisir les composants en consequence. La gure 3.7 montre
l'allure du courant dans le moteur pour une modulation MLI de 50% au demarrage.
Fig.
V
ds , Canal 3: Vgs .
Fig.
V
29
ds , Canal 3: Vgs .
30
Dans ce cas particulier le courant monte jusqu'a 30 A. E videmment, pour un signal
MLI de 100%, le courant aurait ete de 60 A. La valeur maximale du courant peut être
calculee directement a partir de la resistance de terminal du moteur. La gure 3.7
montre que l'intensite du courant est superieure au courant de regime permanent
durant 80 ms. Le courant peut être limite en evitant des departs et des arrêts brusques
et ceci est facilement applicable avec les contrôleurs utilises dans les robots. On peut
evaluer le temps de la surcharge assez simplement par simulation du moteur et du
systeme mecanique. De cette facon un choix judicieux des mosfets de puissance peut
être fait. On a deja vu comment estimer la puissance dissipee et la temperature
d'operation des mosfets. Dans le cas present, avec des mosfets de type IRFZ48N et
en se ant aux resultats du tableau 2.3, nous pouvons deja aÆrmer que les mosfets
supporterons le courant de 30 A. Même si le courant depasse le maximum calcule
dans le tableau 2.3, la dynamique thermique fait en sorte que la surcharge est toleree
pour un certain temps. Plus la temperature du mosfet est elevee, plus la surcharge
toleree est petite. Par contre, dans le cas du moteur de 250 W presente en annexe,
les pointes de courant peuvent atteindre 240 A. Dans ce cas il faut être prudent. Des
calculs ou des essais detailles seraient utiles pour evaluer le temps maximum permis
pour les surcharges. Dans le cas de SAE Robotique il sera presque toujours possible
de surdimensionner les mosfets et ainsi de ne courir aucun risque.
3.3 Circuit de protection
3.3.1 Fusible thermique en surcharge
Le fusible, tel qu'explique a la sous-section 2.3.5, protege le circuit en cas de
surcharge. Sur le circuit de test, le fusible de type RUE400 de Raychem est utilise.
Ce fusible protege les mosfets et le moteur par un gros facteur de securite. Le moteur
peut fonctionner avec un courant de 8 a 13 A en regime permanent et le fusible ne
permet que 4 A. On voit a la gure 3.8 que le fusible declenche apres environ 1.75 s
a 25 A. A ce moment la tension du circuit tombe aux environs de 10 V et y reste
tant que le circuit n'est pas debranche puis rebranche. Un faible courant de fuite
circule alors dans le circuit mais sans dommages possibles. Dans ce cas, il n'y a pas
de probleme d'echauement excessif, 25 A durant 1.75 s etant relativement petit pour
les IRFZ48N.
31
Fig.
3.7 { Courant de demarrage du moteur. Canal 1: Tension d'alimentation, Canal
Fig.
3.8 { Operation du fusible de protection. Canal 1: tension au circuit, Canal 2:
2: 1 V = 10 A
courant 1 V = 10 A)
32
3.3.2 Branchements errones
Il n'y a pas de possibilite de branchements errones au niveau de la logique d'entree.
Le connecteur fait en sorte qu'une inversion n'alimente plus le circuit avec les signaux
logiques. De plus, un connecteur polarise est normalement utilise. Toutefois, dans le
cas des connecteurs de puissance une inversion est possible et peut être dommageable.
Une inversion de polarite sur le branchement du moteur ne fait evidemment rien si
ce n'est que de deregler le systeme de commande. Une inversion sur l'alimentation
de 24 V ne fait rien non plus etant donne les mesures prises. Dans ce cas, le fusible
declenche comme prevu. Un courant de fuite de 70 mA circule mais sans dommages
pour le circuit. Cependant, il faut être prudent avec une inversion de branchement
entre l'alimentation et la sortie moteur. Il peut être fatal pour le circuit de brancher
l'alimentation sur JP2 et JP3 (voir gure A.1).
Le circuit est donc relativement bien protege contre les branchements errones. Il
faut tout de même eviter les inversions entre l'alimentation et la sortie moteur, ce qui
est potentiellement destructif pour le circuit.
3.4 Dissipation thermique
3.4.1 Sous charge statique
Les essais sous charge statique permettent de prendre des mesures utiles pour
determiner la capacite du circuit a dissiper la chaleur. Les tableaux 3.2 et 3.3
presentent les resultats obtenus. Dans chacun des cas, le calcul de la puissance totale
doit inclure la puissance dissipee par le regulateur 12 volts. Celui-ci dissipe une puissance dierente selon que le ventilateur est utilise ou non. Les donnees concernant le
regulateur sont presentees au tableau 3.1. La puissance dissipee dans les mosfets est
calculee avec = ds d . La tension ds a ete mesuree directement et le courant d
est le même que le courant m mesure lui aussi au banc d'essais. Puisqu'il y a deux
mosfets en conduction, les pertes thermiques sont doubles.
A partir des resultats obtenus, on peut calculer la resistance thermique du radiateur. Dans le cas ou il n'y a pas de ventilateur, la resistance thermique est une
fonction de la puissance dissipee comme mentionne dans [2]. Ceci s'explique par le
fait que la convection naturelle prend de l'eÆcacite avec l'augmentation du gradient
de temperature. La gure 3.9 presente les resultats obtenus pour le radiateur utilise
sans ventilateur. La resistance thermique converge vers 6 5o
.
Dans le cas du radiateur avec ventilateur, les resultats sont tres dierents.
P
V
I
V
I
I
:
C=W
33
25.05 V
11.94 V
85.82 mA
23.97 mA
1.2023 W
0.3358 W
in
out
IF
INF
PF
PNF
V
V
Tab.
3.1 { Puissance dissipee dans le regulateur. Les indices F et NF representent
respectivement les mesures avec ventilateur et sans ventilateur.
m
I
V
ds
c
T
a
T
t
P
th
P
R
5.065 0.0864 35 23 0.4376 1.2352 9.715
10.339 0.2025 53 23 2.0936 4.5472 6.5975
15.038 0.3311 90 23 4.9791 10.318 6.4935
Tab.
teur
3.2 { Evaluation
des pertes statiques et de la resistance thermique sans ventilam
I
5.065
10.339
15.038
20.324
Tab.
teur
ds
V
0.0864
0.2025
0.3311
0.3902
c
T
23.5
27.3
33.6
44.2
a
T
20.8
22.1
21.8
21.4
t
P
P
0.4376
2.0936
4.9791
7.9304
2.0752
5.3872
11.158
17.061
th
R
1.3011
0.9653
1.0575
1.3540
3.3 { Evaluation
des pertes statiques et de la resistance thermique avec ventilaResistance thermique vs puissance dissipee
11
experimental
approximation
10.5
Resistance thermique [degree C / W]
10
9.5
9
8.5
8
7.5
7
6.5
6
0
2
4
6
Puissance dissipee [Watts]
8
10
12
3.9 { Resistance thermique vs puissance dissipee. On voit que le radiateur sans
ventilateur est plus eÆcace a haute puissance
Fig.
34
m
c
I
a
T
t
T
t cal)
P
P (
2.224 24.7 20.7 3.42 2.89
7.350 30.6 21.1 8.12 7.97
12.08 38.4 21.3 14.62 14.03
Tab.
3.4 { Perte energetique du circuit sous charge dynamique
Premierement on ne s'attend pas ici a observer une resistance thermique fortement
dependante de la puissance dissipee. En realite la resistance thermique devrait être
assez constante. On voit au tableau 3.3 que ces valeurs s'echelonnent de 0 97o
a
1 35o
. La moyenne donne une resistance de 1 17o
. Ce chire semble raisonnable compte tenu des specications techniques de radiateurs similaires.
:
:
C=W
:
C=W
C=W
3.4.2 Sous charge dynamique
Lorsque la charge est un moteur et qu'il y a modulation, les pertes de puissance
sont dierentes et plus grandes que pour la charge statique. Ces pertes sont aussi plus
diÆciles a etablir. Au chapitre precedant nous avons evalue ces pertes a l'aide d'une
simulation et aussi par calculs approximatifs. An de comparer les resultats obtenus
au chapitre precedant avec ceux du banc d'essais, nous evaluerons ici la puissance
dissipee en utilisant la resistance thermique du radiateur tel que calcule plus haut.
Nous ne pouvons pas determiner cette puissance directement parce qu'il nous etait
impossible de mesurer les dierents courants de drain des mosfets. La valeur de t
calculee n'est pas tres precise, mais neanmoins utilisable. Le tableau 3.4 donne les
puissances evaluees pour dierents courants moyens dans la charge sous la colonne
t . La colonne t cal fournit la puissance calculee comme dans le chapitre precedant.
Dans ce cas,
ds
(3.1)
t cal = ds + 2 + 0 7 + 1 2
P
P
P (
)
P (
R
)
I
2
R
I
2
: I
:
On voit que l'approximation est relativement bonne pour des courants de 7 A a 12 A.
L'erreur est inferieure a 5% dans ces deux cas. On peut donc constater que l'eÆcacite
du circuit pour une charge de = 0 5 24 est de l'ordre de 90%. On peut aussi
conclure qu'il n'y a pas de pertes majeures dues au temps de recouvrement des diodes.
En fait, elles sont assez faibles pour ne pas être identiables dans les donnees presentes
ici.
P
:
I
35
3.5 Problemes de bruit
Le circuit ainsi que le moteur generent beaucoup de bruit electrique. Ceci est
visible sur l'alimentation du systeme. On a remarque une certaine sensibilite des
optocoupleurs au bruit. Le probleme survient lorsqu'un fort courant circule dans le
circuit. A ce moment, des transitions aleatoires se produisent a la sortie des optocoupleurs. Ce probleme est solutionne par l'ajout d'un l entre les broches U1.5 et U2.5.
Ce l vient solidier le plan de masse qui est autrement coupe en deux.
Chapitre 4
Discussion
4.1 Utilisation des diodes antiparalleles
Nous avons pu determiner que les diodes antiparalleles ajoutees en parallele avec
les mosfets n'etaient pas d'une grande utilite car le courant circule toujours dans les
deux diodes: celle du mosfet et celle qui est ajoutee. La pointe de courant due au
temps de recouvrement des diodes est donc toujours presente. En realite, il faudrait
utiliser des diodes Schottky pour forcer le courant dans celles-ci. Mais il s'agit d'une
erreur dans le concept initial puisque une telle diode devrait être en mesure de dissiper bien plus de puissance qu'il est possible avec le format physique choisi pour les
diodes. Il n'est pas possible non plus d'utiliser un radiateur pour ces diodes. Puisque
ce probleme de courant eleve ne semble pas poser probleme dans le cas present et
qu'on n'a pas observe de dissipation thermique exageree, on peut suggerer de ne
pas installer ces diodes. Bien sûr, des mesures experimentales additionnelles seraient
utiles pour conrmer l'ampleur des courants engendres par ce phenomene de temps
de recouvrement, mais il n'est pas possible pour l'instant de faire ces mesures.
4.2 Amelioration possible
An de resoudre le probleme mentionne ci-haut, une solution a envisager dans
les prochains design serait le ((active clamping)). Il s'agit d'utiliser les mosfets pour
jouer le rôle de la diode Schottky. L'idee est de faire en sorte que le mosfet soit
en conduction lorsque la diode devrait être en conduction an que le courant passe
dans la faible resistance du mosfet en conduction. En plus d'eliminer le probleme
de temps de recouvrement des diodes, on elimine une partie importante des pertes
CHAPITRE 4. DISCUSSION
37
energetiques. Cette amelioration se fait au detriment de la simplicite car des diÆcultes
de synchronisation apparaissent. Toutefois, le circuit devient plus eÆcace.
D'autres ameliorations seraient aussi souhaitables dans une future version. Entre
autres, un dispositif de mesure du courant permettrait de proteger les mosfets et le
moteur plus adequatement que le fusible presentement utilise. Le systeme electrique
peut reagir tres rapidement et ainsi eviter que le circuit soit detruit dans le cas d'un
court-circuit franc. De plus, on pourrait alors realiser un contrôle au niveau du couple
fourni par le moteur. Un dispositif de mesure de temperature integre serait aussi un
atout. Ceci permettrait de proteger le circuit en cas de defaillance du ventilateur.
Puisque le courant maximum admissible dans les mosfets depend de la temperature,
un contrôle plus n au niveau de la protection serait realisable.
Enn, une derniere amelioration tres interessante serait d'integrer l'unite de
contrôle directement sur la même carte imprimee que le hacheur. Dans ce cas, un
canal de communication tel le bus CAN, RS485 ou autre pourrait être utilise pour
relier les hacheurs a l'unite de commande. Cette derniere unite serait alors une commande de plus haut niveau.
4.3 Recommandations
Au moment du montage du circuit, il faut choisir deux composants: le mosfet et le
fusible. Aussi, il faut choisir d'utiliser ou de ne pas utiliser le ventilateur du radiateur.
Dans ce choix il est preferable de prendre une bonne marge de securite. Trois mosfets
dierents ont ete suggeres et rempliront leur rôle pour les charges prevues. Dans
certains cas, si le choix des mosfets est dierent, il peut être souhaitable de refaire des
calculs pour s'assurer que les composants resisteront. En particulier si le ventilateur
n'est pas utilise et que la temperature de l'environnement est elevee. Par exemple,
lorsque les amplicateurs sont installes en groupe dans un espace clos et peu ventile,
la temperature de l'air ambiant peut devenir passablement plus haute que celle qui
etait prevue.
Il est possible que le niveau d'emission EMI soit eleve. Malheureusement, aucune
mesure experimentale n'a pu être prise a ce sujet. Toutefois, on sait que les variations
rapides des tensions et courants du circuit accroissent le niveau d'emission. Il est
possible de reduire ces variations rapides en augmentant la valeur des resistances de
grille. Ceci a pour eet de reduire la rapidite des transitions conduction-blocage des
mosfets. Il faut par contre faire attention a la dissipation thermique qui augmente
dans ce cas et aussi aux transitions spontanees qui peuvent se produire a cause des
CHAPITRE 4. DISCUSSION
38
capacites de Miller. Ces transitions ont tendance a ce produire si la resistance de grille
est vraiment trop grande.
Il peut aussi être utile d'utiliser des ferrites sur les câbles d'alimentation pour
eviter de contaminer le systeme dans lequel s'insere l'amplicateur avec du bruit
a haute frequence. Dans ce cas, on desire bloquer le bruit en mode commun. Ce
ltrage est tres important si des circuits sensibles sont utilises dans le systeme. Même
des circuits numeriques peuvent en sourir dans certains cas. Il faut donc garder en
memoire les interferences possibles du circuit d'amplication lorsque des problemes
bizarres surviennent. Les ferrites peuvent aussi être utilisees sur les câbles du moteur
dans les cas ou la capacite parasite du bobinage provoque des problemes de EMI.
Conclusion
La solution elaboree et realisee consiste en ce qu'il y a de plus simple pour rencontrer eÆcacement les objectifs xes. Les experiences precedentes ont montre qu'il valait
mieux ne pas tenter de mettre tous les gadgets dans la premiere version du circuit
pour être certain de le mener a terme dans un temps raisonnable. On a pu en cours
de route valider le circuit concu a l'aide d'essais et aussi de simulations qui apparaissent en annexe. Avec un nombre minimum de composants et dans des dimensions
minimums, nous avons construit un amplicateur en mode hacheur capable de fournir
250 watts de puissance utile a un moteur. En fait, pour des puissances de l'ordre de
250 watts ou plus il faut être prudent au niveau du choix des composants. De plus,
les pointes maximales de courant admissible dans le circuit doivent être veriees.
Le circuit compte 21 composants dierents pour un total de 55 composants. A ceci
s'ajoutent le circuit imprime, les vis et les isolateurs pour la xation des composants
sur le radiateur. La dimension nale du circuit est relativement restreinte compte
tenu du nombre de composants et de la taille des conducteurs du circuit imprime.
Ces dimensions sont de 2.17"x3.27"x1.37". Ceci correspond aux contraintes xees.
Au niveau de la robustesse et de la protection, le mandat est aussi rempli. Le circuit
demontre une certaine robustesse etant donne son montage mecanique solide et l'utilisation d'un circuit imprime fait en industrie. Il est relativement bien protege contre
les surcharges et les inversions de polarite sur l'alimentation. Le coût du produit ni
n'etait pas une contrainte en soit, mais celui-ci compte pour environ 60$ de pieces,
ce qui est tres acceptable pour SAE Robotique. Le coût n'inclut pas le circuit imprime, celui-ci ayant ete fabrique en commandite. On voit que les objectifs de depart
ont ete rencontres puisque nous avons un circuit d'amplication MLI fonctionnel et
respectant les contraintes xees.
Enn, les dierents aspects du projet realise constituent un eventail assez complet
des tâches a realiser pour mener un projet de la conception a la realisation nale.
Dans le cas present, le travail a ete plus loin que le premier prototype, c'est-a-dire
jusqu'a la production d'une petite serie d'amplicateurs. L'experience en est d'autant
CONCLUSION
40
plus complete qu'il fallait parvenir a la version nale du circuit et de la documentation
en eliminant tous les pepins releves a l'aide des prototypes. Par ailleurs, le projet fait
partie d'un projet plus grand, celui de la realisation de robots, ce qui lui donne un
contexte et un but tres precis. L'amplicateur de puissance realise permet de solidier
un element de la cha^ne de commande des robots de SAE Robotique qui etait jusqu'a
maintenant fragile. Le projet apporte beaucoup a la abilite du systeme electrique
des robots, ce qui est necessaire pour travailler eÆcacement sur les problemes de
robotique.
BIBLIOGRAPHIE
41
Bibliographie
[1] MOSPOWER Applications Handbook. Siliconix Incorporated, 1984.
[2] AAVID Thermal Products Inc. Product selection guide, December 1997.
[3] Rick Belair. Conception et fabrication d'une carte contrôleur de moteurs c.c. E cole
Polytechnique de Montreal, 1996.
[4] Maxon. Maxon motor. Interelectric AG, CH-6072 Sachsein/OW Switzerland,
96/97 edition, 1997.
[5] Raychem. Circuit Protection Databook, February 1997.
[6] ZIERICK Manufacturing Corporation. Electronic Connectors And Assembly
Equipement, 1994.
ANNEXE A. SCHEMAS
DU CIRCUIT
Annexe A
Schemas du circuit
42
ANNEXE A. SCHEMAS
DU CIRCUIT
Fig.
A.1 { Schema electrique
43
ANNEXE A. SCHEMAS
DU CIRCUIT
Fig.
Fig.
Fig.
A.2 { Cuivre côte dessus
A.3 { Cuivre côte dessous
A.4 { Masque de soudure côte dessus
44
ANNEXE A. SCHEMAS
DU CIRCUIT
Fig.
Fig.
Fig.
A.5 { Masque de soudure côte dessous
A.6 { Masque de serigraphie côte dessus
A.7 { Masque de serigraphie côte dessous
45
46
ANNEXE A. SCHEMAS
DU CIRCUIT
MOTEUR
+24 V
PWM
SENS
0V
MOTEUR
FAN
Fig.
A.8 { Schema de branchement de l'amplicateur
1.960
0.975
0.550
0.310
Fond plein
Région des Aillettes
- Fraiser 5/16"
- Percer 1/8"
1.425
2.044
0.400
Mesures en pouce
Tolérence: ±0.01"
0.125
Fig.
0.3125
A.9 { Plan d'usinage du radiateur.
ANNEXE B. LISTE DES PIECES
Annexe B
Liste des pieces
47
Quantite
8
5
1
2
3
2
8
1
1
1
4
1
4
2
2
4
2
1
1
1
1
Item
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
U3
U5
U6
{
R1,R2
R3,R4
R5,R6,R7,R8
U2,U1
Reference
C1,C2,C4,C5,C6,C7,C8,C9
C3,C10,C11,C12,C13
C14
C15,C19
C16,C17,C18
D1,D2
D3,D4,D5,D6,D7,D8,D9,D10
D11
F1
JP1
JP2,JP3,JP4,JP5
JP6
Q1,Q2,Q3,Q4
Piece
0.1uf 25v
22uf 35v
1uf 16v
4.7uf 35v
470uf
1N914
MURS310
P6SMB27AT3
RUE300
HEADER 5X2
HEADER 1
HEADER 2
IRFZ34N
IRFZ44N
IRFZ48N
1k
75k
22
TLP2200
HCPL0201
HIP4081AIB
MC78M12CT
MC14001BD
Heat sink
Bo^tier
0805
case-e
1206
case-c
radial 0.2mils
sot23
SMB
SMC
radial 0.2mils
thru-hole
thru-hole
thru-hole 0.1
TO220
TO220
TO220
0603 1/16W
0603 1/16W
0805 1/8W
SOIC08
SOIC08
SOIC20 (wide)
TO220
SOIC14
Pentium MMX
Fournisseur
Teknor
Teknor
Teknor
Teknor
Addison
Teknor
Newark
Newark
Newark
Teknor
Addisson
Teknor
Newark (IR)
Newark (IR)
Newark (IR)
Teknor
Teknor
Teknor
DigiKey (Toshiba)
Newark (HP)
Newark (Harris)
Newark (Motorola)
Newark (Motorola)
Teknor
ANNEXE B. LISTE DES PIECES
48
49
ANNEXE C. SIMULATION
Annexe C
Simulation
Les simulations sont realisees avec Spice3f4 et Octave sous Linux. Les modeles utilises pour les mosfets proviennent du site web de International Rectier :
http://www.irf.com.
C.1 Simulation de la charge des grilles
An de voir comment se charge la grille, le circuit test de la gure C.1 a ete simule
a l'aide de Spice3f4. Les resultats de la tension gs sont presentes a la gure C.2 pour
dierentes valeurs de resistance. On voit qu'en theorie la resistance pourrait être plus
faible et que la commutation serait alors bien plus rapide. Les valeurs des composants
sont les suivantes:
1, 10, 22 g
g 5, 50, 100 nH
1.11 c
200 uH
c
Les valeurs pour c et c sont choisies pour representer approximativement la
resistance de terminal et l'inductance d'un moteur typique de 70 watts . La resistance
g et l'inductance g sont variables pour voir l'eet sur la charge de la grille. Les
valeurs g sont une estimation plutôt grossiere de ce que pourrait être l'inductance
de la trace du circuit imprime. On voit que la sensibilite des resultats a la valeurs
de g diminue lorsque g augmente. Il est donc plus sûr d'utiliser une valeur de g
superieure a 10 pour eviter des problemes oscillatoires sur la tension gs.
Le chier Spice suivant contient la description du circuit test.
V
R
L
R
L
R
L
1
R
L
L
L
R
R
V
1. Moteur MAXON #118798 presente a l'annexe D
50
+24
Rc
Lc
Rg
Lg
IRFZ48N
+
-
Fig.
C.1 { Circuit pour simulation de
gs
V
Charge des grilles pour differentes resistances
16
R=1,I=5
R=1,I=50
R=1,I=100
R=10,I=5
R=10,I=50
R=10,I=100
R=22,I=5
R=22,I=50
R=22,I=100
14
12
tension [volts]
10
8
6
4
2
0
0
50
100
150
200
250
temps [ns]
Fig.
C.2 { Simulation de la charge de la grille du mosfet IRFZ48N pour dierentes
valeurs de resistance
51
test de charge de grille
*
.include /home/jp/document/poly/pfe/model/irfz48n.spi
* sources
V1 6 0 24
Vgs 1 0 pulse(0 12 0ns 1ns 1ns 4998ns 10us)
*
*resistance de grille
Rg 1 2 RES
Lg 2 3 INDnH
*
*mosfet DGS
Xa 4 3 0 irfz48n
*
* charge
Lc 5 4 200uH
Rc 6 5 1.1
*
.op
.ic
.tran 1ns 250ns UIC
.save v(3)
.end
Le chier Octave suivant est utilise pour collecter les resultats des simulations et
generer le graphique.
## script pour generer le graphique de charge de la grille
##
## rouler les 3 simulations
hold on
title("Charge des grilles pour differentes resistances");
xlabel("temps [ns]");
ylabel("tension [volts]");
grid
gset terminal postscript color
gset output "/dev/null"
for res = [1 10 22]
for ind = [5 50 100]
command = sprintf("sed -e s/RES/%d/ -e s/IND/%d/ grille.cir > \
temp.cir", res, ind);
system(command);
system("spice3 -b -r temp.raw temp.cir");
system("raw2m < temp.raw > temp.dat");
load -force -ascii temp.dat
index = sprintf(";R=%d,I=%d;", res, ind);
plot(TRAN(:,1)*1e9, TRAN(:, 2), index);
endfor
endfor
gset output "grille.ps"
replot
system("rm -f temp*");
C.2 Simulation du pont en H
Nous simulons le pont en H an d'avoir une approximation de ce qui se passe au
niveau des tensions et des courants. Nous pourrons evaluer la puissance dissipee dans
les dierents mosfets a partir des resultats de cette simulation. An de simuler le
52
moteur, un modele de ce dernier doit être choisi. Puisque les mesures experimentales
sont faites en regime permanent, on utilise dans la simulation un modele simplie
pour le moteur comme explique en annexe D.4. Ici on genere un signal MLI de 50%
et de frequence 10 kHz. On veut imposer un courant d'environ 12 A dans le moteur.
Le calcul de b est le suivant:
V
I
m
b
V
Les valeurs utilisees sont:
V
b
V
b
= in b
m
= in m m
= 0 5 24 0 273 12
= 8 724
V
V
R
V
:
:
R
I
:
(C.1)
(C.2)
(C.3)
(C.4)
12 A
0.273 66 uH
8.724 V
La gure C.3 montre un gros plan des signaux de la simulation. On voit que le
courant dans le moteur est en dents-de-scie, comme prevu. Les gures C.4 et C.5
montrent un agrandissement des fronts montants et descendants des signaux utiles.
On remarque que le courant moyen dans le moteur n'est pas tout a fait celui qui
avait ete calcule. Ce n'est pas problematique puisque l'objectif ici est de generer
des courbes typiques et de calculer les puissances a partir de celles-ci. La courbe de
d de la gure C.4 revele un phenomene facile a oublier: le temps de recouvrement
des diodes. Lorsque le courant circule dans la diode interne du mosfet C et que D
entre en conduction, la diode est temporairement un court-circuit jusqu'a ce qu'elle
bloque. L'intensite du courant n'est pas facile a determiner et la simulation ne donne
probablement pas un resultat tres able a ce niveau. Ceci car les inductances et les
capacites parasites du circuit sont negligees et qu'elles auraient un impact important.
Selon la simulation, l'amplitude de ces pointes de courant serait de plus de 40 A, ce
qui est sans doute exagere par rapport a la realite.
A partir des resultats de la simulation on peut evaluer des puissances. La moyenne
du courant m donne 9.11 A. Les puissances obtenues par simulation pour les 4 mosfets
m
Rm
Lm
Vb
I
I
I
53
Simulation du pont en H, vue d’ensemble
25
Vgs
Vds
Im
tension [volts], courant [Amperes]
20
15
10
5
0
1
Fig.
1.02
1.04
1.06
1.08
1.1
temps [ms]
1.12
1.14
1.16
1.18
1.2
C.3 { Simulation du pont en H, vue generale.
sont les suivantes:
a =1.06
Pb =0.00
Pc =2.35
Pd =0.77
W
W
W
W
Il est interessant de remarquer que le mosfet qui dissipe la plus grande puissance est
le C alors qu'il ne sert que de diode. En fait, la diode chute une tension de 0.7 volt
alors que la tres faible resistance des mosfets leur permet de chuter beaucoup moins
de tension.
Le chier Spice correspondant au pont en H est presente ci-dessous. L'alimentation
des grilles est simulee en utilisant des sources de tension. La valeur des resistances de
grille correspond a celle du circuit actuel, soit 22 . L'inductance de grille est aussi
modelisee par la valeur raisonnable de 50 uH.
P
test de H-Bridge
*
.include /home/jp/document/poly/pfe/model/irfz48n.spi
.include /home/jp/document/poly/pfe/model/murs320t.lib
* sources
Vs
1 0 24
Rs
1 2 0.1
Cs
2 0 1520uf
*alimentation des grilles
Vgsa 12 3 12
Vgsb 22 0 0
Vgsc 32 4 0
Vgsd 42 0 pulse(0 12 0ns 10ns 10ns 49.98us 100us)
*resistance de grille
Ra 11 10 22
Rb 21 20 22
54
Simulation du pont en H, front montant
45
Vgs
Vds
Id
40
35
30
25
20
15
10
5
0
1
1.0002
Fig.
1.0004
1.0006
temps [ms]
1.0008
1.001
1.0012
C.4 { Simulation du pont en H, front montant.
Simulation du pont en H, front descendant
25
Vgs
Vds
Id
20
15
10
5
0
-5
1.0492
Fig.
1.0494
1.0496
1.0498
1.05
1.0502
1.0504
temps [ms]
1.0506
1.0508
1.051
1.0512
C.5 { Simulation du pont en H, front descendant
55
Rc 31 30 22
Rd 41 40 22
*inductance de grille
La 12 11 50nH
Lb 22 21 50nH
Lc 32 31 50nH
Ld 42 41 50nH
*mosfet
Xa 2 10
Xb 3 20
Xc 2 30
Xd 4 40
DGS
13 irfz48n
23 irfz48n
33 irfz48n
43 irfz48n
*diodes antiparalleles
Da 3 2 murs320t3
Db 0 0 murs320t3
Dc 60 2 murs320t3
Dd 0 4 murs320t3
*amperemetre des diodes
Vdd 60 4 0
*amperemetre courant de drain
Va 13 3 0
Vb 23 0 0
Vc 33 4 0
Vd 43 0 0
*charge
Rl 50 51 Rm
Vl 51 4 Vm
Ll 3 50 Lm
.option METHOD=Gear
.op
.ic
.tran 100ns 1.2ms 1ms
.save v(40) v(3) v(4) v(2) i(va) i(vb) i(vc) i(vd) i(vl) i(vs) i(vdd)
.end
Le chier suivant est un script Octave permettant de collecter les donnees de
simulation. Les graphiques et les calculs des puissances sont realises dans ce chier.
## script pour generer les graphiques de la simulation du pont
## en H.
##
function y=locate(X, val)
for i=1:length(X)
if (X(i) > val)
y = i;
break;
endif
endfor
endfunction
function y=integ(t, x)
sum = 0;
for i = 1:length(x)-1
sum = sum + ((x(i) + x(i+1)) * (t(i+1) - t(i)) / 2);
endfor
y = sum;
endfunction
gset terminal postscript color
grid
## simulation moteur 70W, Courant moyen=2.4A
Rm=0.276
Lm=0.066e-3
Vm=8.724
command = sprintf("sed -e s/Rm/%f/ -e s/Lm/%f/ -e s/Vm/%f/ hbridge.cir > temp.cir", Rm, Lm, Vm);
system(command);
system("spice3 -b -r temp.raw temp.cir");
system("raw2m < temp.raw > temp.dat");
load -force -ascii temp.dat
title("Simulation du pont en H, vue d'ensemble");
xlabel("temps [ms]");
ylabel("tension [volts], courant [Amperes]");
## graphique vue d'ensemble
plot(TRAN(:,1)*1e3, TRAN(:, 2), ";Vgs;", TRAN(:,1)*1e3, TRAN(:, 4), ";Vds;", \
TRAN(:,1)*1e3, TRAN(:, 10), ";Im;");
gset output "hbridge_1.ps"
replot
## graphique zoom
i = locate(TRAN(:,1), 1.001e-3);
j = locate(TRAN(:,1), 1.0480e-3);
k = locate(TRAN(:,1), 1.051e-3);
title("Simulation du pont en H, front montant");
xlabel("temps [ms]");
ylabel("tension [volts], courant [Amperes]");
plot(TRAN([1:i],1)*1e3, TRAN([1:i],2), ";Vgs;", TRAN([1:i],1)*1e3, \
TRAN([1:i],4), ";Vds;", TRAN([1:i],1)*1e3, TRAN([1:i],9), ";Id;")
replot
title("Simulation du pont en H, front descendant");
plot(TRAN([j:k],1)*1e3, TRAN([j:k],2), ";Vgs;", TRAN([j:k],1)*1e3, \
TRAN([j:k],4), ";Vds;", TRAN([j:k],1)*1e3, TRAN([j:k],9), ";Id;")
replot
t = TRAN(:,1);
dt = TRAN(length(TRAN(:,1)),1) - TRAN(1,1);
im = TRAN(:,10);
ia = TRAN(:,6);
ib = TRAN(:,7);
ic = TRAN(:,8);
id = TRAN(:,9);
va = TRAN(:,5)-TRAN(:,3);
vb = TRAN(:,3);
vc = TRAN(:,5)-TRAN(:,4);
vd = TRAN(:,4);
iam = sqrt(integ(t, ia.^2) / dt)
imm = sqrt(integ(t, im.^2) / dt)
pam = sqrt(integ(t, (ia.*va).^2)
pbm = sqrt(integ(t, (ib.*vb).^2)
pcm = sqrt(integ(t, (ic.*vc).^2)
pdm = sqrt(integ(t, (id.*vd).^2)
iam = integ(t, ia) / dt
imm = integ(t, im) / dt
pam = integ(t, ia.*va) / dt
pbm = integ(t, ib.*vb) / dt
pcm = integ(t, ic.*vc) / dt
pdm = integ(t, id.*vd) / dt
system("rm -f temp*");
/
/
/
/
dt)
dt)
dt)
dt)
56
57
ANNEXE D. SPECIFICATIONS
DE MOTEUR
Annexe D
Specications de moteur
D.1 Moteur type de 70 watts
Un moteur de 70 watts est habituel pour les applications de SAE Robotique. Le
moteur choisi comme exemple est un moteur de la compagnie Maxon. Il s'agit d'un
moteur c.c. a aimants permanents et brosses de graphite, #118798. La specication
est la suivante:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Puissance nominale
Tension nominale
Vitesse sans charge
Couple a rotor bloque
Gradient vitesse/couple
Courant sans charge
Courant de demarrage
Resistance aux bornes
Vitesse maximum admissible
Courant continu maximum
Couple continu maximum
Puissance maximum (tension nominale)
EÆcacite maximale
Constante de couple
Constante de vitesse
Constante de temps mecanique
Inertie du rotor
Inductance aux bornes
Resistance thermique (stator-ambiant)
Resistance thermique (rotor-stator)
70
24.00
6210
783
8.05
105
21.5
1.11
8200
2440
88.8
125
% 85.1
36.4
263
5.71
67.7
0.20
6.40
3.40
W
V
rpm
mN m
rpm=mN m
mA
A
rpm
mA
mN m
W
mN m=A
rpm=V
ms
gcm
2
mH
K=W
K=W
58
DE MOTEUR
D.2 Moteur de puissance maximum 250 watts
Un moteur d'une puissance de 250 watts est la charge maximum prevue pour
l'amplicateur. Ceci represente un courant continu de 10 amperes. Le circuit peut
supporter des courants superieurs même en regime continu, mais il devient plus critique d'être certain du bon fonctionnement de ce dernier dans toutes les situations. Le
probleme survient au niveau des regimes transitoires ou les courants sont tres eleves.
Voici la specication d'un moteur c.c. a aimants permanents et brosses de graphique,
#118854 de Maxon:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Puissance nominale
Tension nominale
Vitesse sans charge
Couple a rotor bloque
Gradient vitesse/couple
Courant sans charge
Vitesse maximum admissible
Couple continu maximum
Puissance maximum (tension nominale)
EÆcacite maximale
Constante de couple
Constante de vitesse
Constante de temps mecanique
Inertie du rotor
Resistance thermique (stator-ambiant)
Resistance thermique (rotor-stator)
250
24.00
3770
13.90
0.283
1440
240
0.100
4000
10.0
581
1290
% 79.8
58.1
164
4.14
1400
0.04
1.30
1.50
W
V
rpm
Nm
rpm=mN m
mA
A
rpm
A
mN m
W
mN m=A
rpm=V
ms
gcm
2
mH
K=W
K=W
D.3 Moteur utilise pour les tests
Le moteur utilise pour les tests de l'amplicateur est malheureusement mal documente. Les caracteristiques essentielles ont ete mesurees.
2
3
7
8
10
18
Tension nominale
Vitesse sans charge
24
3500
60
0.276
13
0.066
V
rpm
A
A
mH
59
DE MOTEUR
Rm
Lm
+
Vb
-
Fig.
D.1 { Modele simplie d'un moteur c.c. tournant a vitesse constante.
D.4 Modelisation du moteur
An de faire une simulation aussi complete que possible et de pourvoir comparer
les resultats experimentaux aux simulations, il faut etablir un modele electrique du
moteur. Celui-ci peut être complet ou simplie selon ce que l'on cherche a simuler.
Un modele simple, representant le moteur en regime permanent avec une charge
constante, est represente a la gure D.1. Dans ce modele, la resistance et l'inductance
sont respectivement les parametres 8 et 18 dans les tableaux ci-haut. La valeur de
la source de tension depend simplement de la vitesse du moteur. Selon le cas, on
peut choisir cette vitesse de sorte que le courant souhaite circule dans le moteur,
connaissant la tension moyenne d'alimentation. C'est ce qui est realise dans la section
de conception du pont en H.
Un modele complet est aussi realisable, mais il faut conna^tre la charge du moteur
en detail, ce qui n'est pas utile ici.
ANNEXE E. PROCEDURE
D'ASSEMBLAGE ET DE VERIFICATION
60
Annexe E
Procedure d'assemblage et de
verication
E.1 Montage du circuit imprime
La procedure d'assemblage suivante permet de construire le circuit eÆcacement.
Les procedures de verication doivent être respectees an d'eviter des pertes de temps
inutiles lors du test nal.
1. Inspecter visuellement les trous du PCB pour des mauvais vias et des mauvaises
connections trace-trou.
2. Souder R1, R2, R3, R4.
3. Souder C1, C2, C4, C5, C6, C7, C8, C9.
4. Souder R5, R6, R7, R8.
5. Souder U1, U2, U6, U3. Ajouter un l (wire wrap) entre U1.5 et U2.5.
6. Souder C15, C19 avec JP6 en place.
7. Souder C14, C3, C10, C11, C12, C13.
8. Souder JP2, JP3, JP4, JP5, JP1, JP6.
9. Inserer les anneaux de nylon isolateur sur Q1, Q2, Q3, Q4, U5.
10. Plier les pattes de Q1, Q2, Q3, Q4, U5 selon la gure E.1.
11. Visser Q1, Q2, Q3, Q4, U5 sur le radiateur sans graisse thermique ni isolateurs
comme a la gure E.1.
12. Placer le radiateur sur le circuit et souder les composants Q1, Q2, Q3, Q4, U5.
13. Souder F1.
14. Souder C16, C17, C18.
ANNEXE E. PROCEDURE
Fig.
E.1 { Montage des mosfets et du regulateur sur le radiateur.
0.075"
Fig.
E.2 { Pliure des pattes des mosfets et du regulateur.
61
ANNEXE E. PROCEDURE
15.
16.
17.
18.
19.
62
Enlever le radiateur.
Executer la procedure de validation A.
Appliquer la graisse thermique sur Q1, Q2, Q3, Q4, U5 et le radiateur.
Placer les micas isolateurs sur Q1, Q2, Q3, Q4.
Visser le radiateur en place. Serrer les vis genereusement pour assurer un bon
contact thermique.
20. Executer la procedure de validation B.
E.2 Procedure de verication
A (a) Verier la connectivite entre les points suivants:
U3.20-Q4.1 22 U3.19-Q4.3 0 Q4.3 -Q3.2 0 U3.18-Q3.1 22 U3.13-Q2.1 22 U3.12-Q1.3 0 Q1.3 -Q2.2 0 U3.11-Q1.1 0 U5.1 -D11.2 0 U5.2 -JP5 0 U5.3 -C15.1 0 (b) Inspecter visuellement les soudures de Q1, Q2, Q3, Q4 et U5. Ces soudures
ont tendance a être mauvaises.
B (a) Verier l'isolation des points suivants:
Q1.2-Q2.2
Q3.2-Q4.2
Q2.2-Q3.2
Q1.2-U5.2
Q2.2-U5.5
Q3.2-U5.2
(b) Brancher l'alimentation:
Sans ventilateur : 30 mA
Avec ventilateur : 85 mA
ANNEXE E. PROCEDURE
63
(c) Verier l'operation du circuit avec un moteur. Utiliser une source MLI. La
vitesse du moteur doit pouvoir être variee de 0 a 100% dans les deux sens de
rotation. S'assurer que le courant consomme par le circuit concorde avec le
pourcentage de MLI. Dans le cas contraire, le pont en H fait court-circuit.
E.3 Problemes et solutions
Problemes
Solutions
Le moteur ne tourne pas. Verier l'alimentation du circuit. Verier le moteur.
Verier que la logique de contrôle fournit des signaux
adequats. Observer les tensions gs des mosfets.
L'amplicateur est court- Verier le câblage du moteur et le moteur pour des
circuit.
courts-circuits. Un ou des mosfets sont detruits. Le
HIP4081AIB est fautif provoquant un court-circuit
de branche.
Le moteur tourne d'un Verier les tensions gs. En general, le HIP4081AIB
côte seulement.
est fautif.
Le moteur tourne tou- Verier les tensions gs. En general, le HIP4081AIB
jours a 100%.
est fautif.
Le moteur tourne d'un Un mosfet est detruit et fait court-circuit. Le
côte. De l'autre le circuit HIP4081AIB est peut-être endommage.
est en court-circuit.
V
V
V
E.4 Test des mosfets
Les mosfets ont normalement une resistance innie (
) entre les dierents
terminaux: gs, gd et ds. Une faible resistance indique un bris de l'isolation de la
grille ou la destruction du semiconducteur.
>>> M
R
R
R
ANNEXE F. SPECIFICATIONS
TECHNIQUES
64
Annexe F
Specications techniques
{ Les indices NF et F indiquent respectivement ((sans ventilateur)) et ((avec ventilateur)).
{ Les valeurs de courant sont donnees pour une temperature ambiante de 50o C.
Entree logique:
Alimentation:
5 V, 1.6 mA
16 a 30 V (fusible RUEXXX)
16 a 35 V (fusible RXEXXX)
Courant moyen max.:
5.5 A (NF) 12 A (F) (IRFZ34N)
6.5 A (NF) 17 A (F) (IRFZ44N)
7.0 A (NF) 20 A (F) (IRFZ48N)
Frequence MLI:
20 kHz
Temperature d'operation: 0 a 50o
Dimensions:
Longueur: 3.27"
Largeur: 2.17"
Hauteur: 1.00" (NF) 1.37" (F)
<
C
ANNEXE G. CONTENU DES DISQUETTES
65
Annexe G
Contenu des disquettes
Les ches techniques des composants utilises ainsi que les notes d'application utiles
sont fournies sur diquette. Aussi, les modeles Spice utilises sont inclus. Les chiers
en format Orcad du schema et du PCB sont inclus sur la disquette B de même que
les chiers naux en format Gerber pour la fabrication des PCB.
Disquette A:
Disquette B:
Repertoires Fichiers
datasheet hcpl2201.pdf
irfz34n.pdf
irfz48n.pdf
mc78m00.pdf
hip4081a.pdf
irfz44n.pdf
mc14001ub.pdf
rue400.pdf
Repertoires Fichiers
appnotes an-937.pdf
an-9405.3.pdf
an-949.pdf
an-9506.pdf
datasheet p6smb6.8at3.pdf
models
irfz34n.spi
irfz44n.spi
irfz48n.spi
murs320t.lib
orcad
driver98.zip
gerber.zip

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Transcription

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