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Pour les bons bricoleur fabriquez vôtre variateur de vitesse

le 16/11/2010 à 14h32min42s par jocelyn - Lue 24248 fois

Dans cet article, je vous propose des schémas de cablage ainsi que des explications pour fabriquer vôtre variateur. J'ai souhaité que sa fabrication soît accéssible à un plus grand nombre et adaptable sur de nombreux véhicule (jusqu'à 100V 300A).


Comment fabriquer son Variateur pour véhicule électrique?



1.Le principe

Le principe d'un variateur de vitesse pour moteur à courant continu (DC) est de faire varier la tension perçue par le moteur.figure 1

variateur

Dans le cas du moteur à courant continu la variation est effectuée en PWM (Pulse Width Modulation ou modulation par largeur d'impulsion).figure 2

variateur

En PWM l'interupteur est fermé plus ou moins longtemps ( on parle de rapport cyclique ) pendant une certaine periode T et à une fréquence f

PWM


et concrètement...

On rentre dans le vif du sujet, alors techniquement comment faire ?

On s'interresse maintenant au pilotage et dimensionnement des composants. L'interrupteur sera remplacé en pratique par un (ou plusieurs) commutateur de puissance (transistor MOS, IGBT...)

Dans une optique d'évolution le pilotage du transistor en fonction de la tension de consigne se fera par microcontrôleur. Pour ma part j'ai choisi la plate-forme de développement Arduino qui permet une approche facile de la programmation de µcontrôleur.

synoptic


Développement simplifié avec Arduino



Une Arduino vous coûtera une trentaine d'euros maximum. la première chose c'est de se familiarisé avec la bête.

Pour cela il suffit de lancer le programme "blink" qui fait clignoter une led. On peut ensuite changer les initialisations (changer la PIN de la led ...), ou le programme (par exemple le temps de la tempo).

La plate-forme arduino nécessite néanmoins un rapide apprentissage du language C, mais possède aussi des librairies de fonctions simplifiées réduisant considérablement les difficultés au démarrage.
Pour notre application je vous propose le premier schéma suivant.

ADC_read

Programme à copier dans votre logiciel Arduino :

/*
* Programme analog to pwm
*/

int pwm_pin = 9; // output connected to digital pin 9
int pot_pin = 0; // sensor connected to pin an0
unsigned long val_pot = 0;
int val_pot_256 = 0;
void setup() //ici on place les initialisations, elles sont effectuées qu'une seule fois
{
pinMode(pot_pin, INPUT);
pinMode(pwm_pin, OUTPUT);

TCCR1B = 0<
}

void loop() // ici le programme tourne en boucle
{
val_pot=analogRead(pot_pin); //read the value from ADC on 10 bits 1024 values
val_pot_256 = val_pot / 4; //adapt to 256 values
analogWrite(pwm_pin, val_pot_256); //apply PWM
}


Maintenant vous savez convertir vôtre consigne (poignée de moto électrique à potentiomètre ou effet hall ou autre) en PWM, mais pour les plus calés il y deja un problème. La fréquence de la PWM crée par cette fonction est de 500 Hz. Pour respecter les propriétés du moteur et opérer dans le domaine non-audible il faut changer les initialisations afin d'augmenter la fréquence de la PWM.


il faut rajouter dans les initialisations ( pour f=32kHz ):
TCCR1B = 0<< CS22 | 0<< CS21 | 1<< CS20; // Prescaler setting f=32kHz


Commander la puissance


La plate-forme Arduino fournissant les bons signaux de commandes, on s'interesse maintenant au choix du transistor et à sa mise en oeuvre.

On peut se laisser tenter pas l'utilisation de transistors en montage de surface ( SMD surface mount device ) car peu cher, mais leur mise en oeuvre est moins intuitive qu'un module de puissance. Pour orienter son choix il faut connaître les caractéristiques du moteur à piloter. J'utilise le moteur NPC black max acheté chez robot market place. Voir caractéristiques ci-dessous :

moteur 24V (peut s'utiliser en 36V avec régulation de courant)
Reversible, à aimant permanent
3400 trs/min @ 24V (approx 140 trs/min par volt)
consommation 200 ampères en moyenne, 470 ampères moteur bloqué
3.8 chevaux @ 24V
7 kilos

Mon choix s'est porté sur un module de puissance MOSFET de chez Microsemi APTM10AM02FG bien que nous ne l'utiliseront qu'à moitié pour ce variateur V1.

le choix du transistor est surdimensionné afin de pouvoir l'utiliser pour d'autres applications cependant il respecte les caractéristiques du moteur. Voir tableau ci-dessous.

NPC  VS APT

Ensuite le paramètre le plus important à vérifier c'est si ce transistor va chauffer.

On peut déja se faire une idée de la puissance dissipée dans le transistor grâce à la documentation technique du composant ( ou datasheet ) et quelques notions d'électronique.

On peut maintenant calculer la puissance à dissiper par la formule de l'effet joule dans une resistance P=RI² avec R le Rdson max du transistor ( la resistance maximum mesurée à ses bornes lorsqu'il est passant ) et I le courant max traversant le transistor pour mon cas il est de 450 A. Cependant en régime PWM des pertes s'ajoutent lors de la commutation, pour un courant effectif de 450 A il faudra compter un courant consommé de 500 A.

On a RI² = 2,5.10^-3 * 500² = 625 W

la datasheet donne une resistance thermique de la jonction au boitier de 0,1 °C/W, c'est à dire que l'on produira un excédent de chaleur au niveau de la jonction ici de :

0,1 * 625 = 62,5 °C de plus que la température du boitier.


Le transistor de MICROSEMI sur son radiateur avec pistes de puissance ne pas oublier la pâte thermique!

transistor sur radiateur avec les pistes de puissance

Maîtriser la commutation



Ce transistor est de technologie MOSFET, contrairement au transistor bipolaire il se commande en tension. On l'utilise ici en régime passant/bloqué, il faut donc repérer la tension à appliquer sur la grille (ou gate, repéré G sur la datasheet) pour laquelle on est sûr d'obtenir un passage suffisant du courant. On la détermine d'après la caractéristique de transfert suivante:

caractéristique de transfert

Cette tension de commande étant supérieure à la tension de sortie du µcontroleur, il faudra placer un circuit d'interfaçage entre le µcontroleur et la grille du transistor, ces types de circuits sont appelés MOSFET driver. On peut parfois les commander en samples (échantillon gratuit) chez certains fabriquant de composant ( je vous recommande MAXIM qui ne m'ont jamais refusé ce type de commande ).

Pour dimensionner et choisir ce composant, il faut connaître ce que doivent respecter ses caractéristiques. En premier lieu il faut savoir que la grille d'un transistor MOSFET est capacitive, c'est-à-dire que la grille met un certain temps pour atteindre la valeur de tension finale, ici de 6V min. Ces temps doivent être maîtrisés parce que l'on à décidé de fonctionner à une fréquence élevée.

Le programme effectue un découpage de la tension de sortie sur 256 valeurs à une fréquence de 32kHz. On choisira donc un temps de montée de 1/(256(32.10^3)) soit 120 ns.

D'après le calcul de la résistance de sortie qui permet de maitriser le temps de monté de la tension de commande du transistor. Le driver de mosfet devra respecter les caractéristiques suivantes :

Il doit pouvoir être alimenté par des tension supérieure à 9V.
Il doit avoir une resistance de sortie de l'ordre de celle calculé ci-dessous :

On connait le temps de charge d'un condensateur soummis à une alimentation résistive to = R*C avec R la resistance du conducteur et C la capacité du condensateur à charger. On connait Cgs la capa présente sur la grille du transistor et Tm le temps de monté de la tension sur la grille.

On obtient à 2*to -> 87% de la charge du condensateur on cherche donc R = (2*to)/ Cgs = 1,5 Ohms.

Le driver choisi est le MAX4420 de chez MAXIM.


Première version du variateur

vue generale du variateur

deuxième version du variateur V1 avec radiateur plus mince et dans son boîtier

variateur voiture electrique

Schéma de la première version du variateur avec un convertisseur DC-DC type Traco

Schéma première version variateur moto electrique
Agrandir

Le variateur dans son boitier connecté aux batteries et moteur

Le variateur dans son boitier connecté aux batteries et moteur


Commentaires

Jcle@base.be le 08/01/2011 à 23h50min48s

Bonjour,
Sur les photos je vois 4 capa électrochimiques (1 grosse noire et 4 grises). A quoi servent-elles?
Cordialement,
Jean-Claude

jocelyn le 12/01/2011 à 23h06min50s

Le gros condensateur noir permet de réguler le 24V en entrée du convertisseur DC-DC les capas grises sont pour le 12V en sortie de celui-ci.

le 23/01/2011 à 10h14min18s

Bonjour,
Dans votre programme vous dites de rajouter ceci:TCCR1B = 0<< CS22 | 0<< CS21 | 1<< CS20; // Prescaler setting f=32kHz.Comment les 32KHz sont-ils selectionnés? auriez vous un calcul? et n est ce pas plutot avec le timer 2 que l on obtient les bits CS22 CS21 CS20
merci d avance

caco74 le 18/05/2011 à 00h30min49s

par mesure de securité utilise la redondance. double ton potentiometre de commande car si une piste lache ca part à fond !!!!!

jocelyn le 24/05/2011 à 01h09min52s

Doublez les capteurs et souvent une bonne chose, mais pour ma part j'utilise une poignée de trottinette électrique (à effet Hall) plutôt sûre. De toute façon, un bouton d’arrêt d'urgence à porté de genou permet de coupez l'alimentation à tout moment.

Anonyme le 05/03/2012 à 17h08min39s

Bonjour,
Pensez vous qu'un tel montage serait possible avec un moteur un peu plus puissant (pour voiture)? J'ai un projet de conversion de citroen 2CV et suis très intéressé car je connais bien arduino...

Jocelyn le 15/03/2012 à 15h02min34s

Ce variateur est utilisé en 24V mais le transistor peut fonctionner jusqu'à 100V à 200A aisément. Soit une motorisation possible jusqu'à 20kW (p=u.i). Il suffit de changer le convertisseur dc dc en entrée du variateur.

clafrite@yahoo.fr le 13/07/2012 à 22h45min08s

Bonjour,

j'ai pas mal de questions :

je veux alimenter un moteur de 11KW sous 200 A max.

Sur la photo on voit des capas et un circuit intégré est ce le convertisseur ?

faut il un logiciel spécifique pour programmer arduino ?

Quel est le poids de ton variateur ? C'est pour un avion.

Cordialement

Jocelyn le 14/07/2012 à 14h38min29s

Bonjour, Oui la grosses capas est en entrées du convertisseur, j'aurais pu mettre plusieurs capas plus petites mais je l'avais sous la main.

Pour l'Arduino, elle est fourni avec un câble USB le logiciel de prog est libre et gratuit.

Mon variateur aurais pu être plus compact mais la grosses capa ne me pas trop laissé le choix, il doit faire 900 grammes y'a pas mal de vide dedans.

clafrite@yahoo.fr le 14/07/2012 à 22h34min35s

Rebonjour,

Encore pas mal de questions mais je suis electrotechnicien et j'ai seulement quelques connaissances de base en electronique...
est ce qu'il y a des composants associés avec le Mic 4420 comme on peut le voir sur son datasheet ? Par cela j'aimerai savoir si tous les composants nécessaires apparaîssent sur ton schéma.
Autre chose quel est le rendement de ton variateur ?
Pourquoi y a t'il deux mosfet sur ton schéma ?
Où je peux trouver le logiciel de prog ?

Merci

Jean Noël

Jocelyn le 18/07/2012 à 13h55min36s

Avec le max4420 (driver de mosfet) il y a quelques capas à rajouter qui figurent sur la datasheet, à ce détail près le schéma est complet. J'ai deux mosfet car je souhaitais faire de la régénération par la suite. les mosfets ont été surdimensionnés pour convenir à une utilisation plus puissante c'est pourquoi sur mon variateur il ne chauffe pas le rendement doit être très bon. Pour le logiciel tu le trouvera sur arduino.cc (rubrique download).

bougeard le 25/01/2013 à 11h16min15s

Bonjour,

je cherche à calculer le dissipateur pour 250 A. mais je n'arrive pas à calculer la rth du dissipateur. Quel est le rth de votre dissipateur sachant que vous avez 450 A en continu ?

merci

Dan le 25/01/2013 à 11h36min47s

BONJOUR JE SUIS ÉTUDIANT EN GEII,j'aimerai réalisé un bornier de commande avec des bontons poussoire. Je dispose d'un variateur Lenze de type E82EV371-2C.
Mon objectif est d'éviter l'achat d'un bornier de commande.
Pourrais je avoir de l'aide svp?
Merci.

Jocelyn le 28/01/2013 à 18h26min53s

Réponse à M. bougeard :

Dans mon application le courant est aussi de 250-300A max environ, environ 150A continu. Le dissipateur est largement suffisant. Il ne chauffe quasiment pas. Je ne connais pas le rth du dissipateur, c'est de la récup. Pour 250A continu, si vous utilisez le même genre de dissipateur avec un grande surface de contact à l'air, il faudra tout de même prendre un peu plus grand de quelques cm. PS : Désolé mon contact ne m'a pas répondu pour l'achat d'un module mosfet.

bougeard le 28/01/2013 à 20h48min34s

merci pour votre réponse, pouvez vous me donnez les côtes de votre radiateur ?

Merci et à bientôt

BOUGEARD le 28/02/2013 à 22h00min54s

Bonjour,

est ce que les batteries conrad energie sont prévus pour la traction ? Avez vous une chute de tension au max de votre courant ? Est ce qu'elles chauffent ? J'ai regardé leur caractéristique pour les 17 Ah et 12 V, si je comprend bien elle peuvent tenir 250 A sans problème.

Merci et bonne route

jocelyn le 28/02/2013 à 23h25min22s

A vrai dire les batteries conrad energie n'ont pas bien tenue du tout. Pour le choix des batteries il faut vérifier les courbes de capacités de décharge souvent la capacité est donnée pour une décharge de 1C soit 17A pour des batterie de 17Ah pour des décharge plus importantes il vaut mieux prendre des batteries spéciale traction, genre optima ou au moins des batteries de voitures capable d'encaisser ces fortes decharges. Dans le cas de batteries quelconque au plombs je vous deconseille de decharcher à plus de 2C en continu. Mon radiateur fait 17*10 cm environ. Je peux vous proposer une autre solution pour le transistor si vous n'avez pas trouvé. Cordialement.

aziz le 02/03/2013 à 21h09min42s

bonjour
pour le moteur 36V 500W sur votre boutique on trouve un pignon pour chaîne , je demande si c'est possible de monter une poulie au lieu de la chaîne ?

aziz le 02/03/2013 à 21h13min18s


bonjour
pour le moteur 36V 500W sur votre boutique on trouve un pignon pour chaîne , je demande si c'est possible de monter une poulie au lieu du pignon ?

Jocelyn le 05/03/2013 à 14h57min37s

Bonjour,pour le moteur celui-ci est livré avec un pignon pour chaine mais il est démontable et il y a donc possibilité de monter une poulie pour courroie compatible

Aziz le 08/03/2013 à 19h38min35s

On veut commander ce moteur sur votre boutique pour cela on demander les details techniques ( dimenssions ) de l arbre et la fixation !

Jocelyn le 13/03/2013 à 12h06min03s

Bonjour, pouvez-vous m'envoyer un mail dans la rubrique contact je vous enverrai une photo avec les dimensions, cordialement

bougeard le 22/03/2013 à 15h36min29s

Rebonjour,

je met l'entrée AREF à 0 Volt mais la sortie PWM 09 se force à 5 V en permanence. Si je retire ce 0 Volt la modulation fonctionnne bien. Est ce normal, bien que je crois respecter le schéma ?
Pourquoi noter l'entrée reset barre alors que sur la platine arduino c'est reset ?

Cordialement et encore merci

benjmaa le 25/01/2014 à 01h47min38s

bonjour est ce possible de remplacer mon variateur dorigine pour vespa 350w par un variateur 1000w

Louis-D le 19/03/2014 à 15h28min19s

A mon avis, il manque quelque chose à la figure 2 c'est la diode (dite diode de roue libre, par exemple le modèle ixys M1102NC500 ou DS1F300N4S) en anti parallèle du moteur qui permet au courant de circuler quand l'interrupteur est ouvert. En effet le courant doit pouvoir être maintenu même si dans cette phase il décroit. L'absence de diode risque d'ailleurs de détériorer le transistor car l’arrêt brutale du courant dans un circuits comportant des bobinages crée une surtension.
D'après ce que je vois de la maquette réalisée, le deuxième transistor en parallèle joue ce rôle car il contient intrinsèquement un diode en anti parallèle. De plus, les condensateurs ajoutés en série permettent aussi une continuité du courant et c'est pour cela que le montage fonctionne. Cependant il fonctionnerait bien mieux avec une diode rapide en anti parallèle. On pourrait ainsi enlever les condensateurs en sortie donc un prix de revient nettement inférieur et le transistor s'en porterait mieux (suppression d'une surtension à la coupure) Si la fréquence est élevée (plus de 20 khz) le condensateur en sortie ne joue aucun rôle si ce n'est de ralentir la réponse aux demandes de variation. On maintiendra un C de 1 µF (non chimique) pour simplement faciliter les commutations
Cordialement,
Louis.

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