TIPE Etudiant CPGE : Choix des moteurs dans la conception d'un drone

[Corentin49]

Bien le bonjour,
Je suis actuellement étudier en deuxieme année de classe préparatoire en PSI et doit réaliser un projet autour des transports. Je me suis penché sur la conception d'un drone, et mon sujet est le choix des moteurs pour un drone caméra

Mon objectif est donc de montrer de manière générale que le moteur brushless est meilleur que le moteur CC pour la conception de ce type de drone

1) Par rapport à la commande PWM

Je suis actuellement en train d'essayer de mesurer le temps de réponse d'un moteur brushless à un échelon de tension.
L'objectif final sera de comparer cette réponse à celle d'un moteur CC.
Pourquoi ?
Car, si j'ai bien compris, la PWM (ou MLI) serait une succession d'échelons permettant de contrôler un moteur, à savoir sur une période T donnée, plus le pourcentage de PWM est élevée plus l'échelon est à l'état haut ???

J'espère donc montrer que le moteur brushless répond plus rapidement aux échelons qu'un moteur CC, afin de justifier son utilisation dans la construction du drone (car si le moteur CC répond moins vite aux commandes, je suppose que le drone est moins maniable...)
Voici l'expérience :
A l'aide d'un potentiomètre et d'une carte arduino, je fais tourner mon moteur brushless (en alimentant l'esc associé avec une certaine tension dépendant de la position de mon potentiomètre
Un capteur à effet hall repère à chaque tour de mon moteur une petite pièce aimantée que j'ai accroché dessus.
Finalement, en créant un compteur qui se réinitialise toutes les 50ms par exemple, je suis en mesure de connaître approximativement la vitesse de mon moteur, (la valeur du compteur s'affiche sur le moniteur Arduino) donc je peux faire basculer brusquement mon potentiomètre d'une position à une autre et observer le temps de réponse...

J'aimerais donc savoir si mon raisonnement est le bon c'est à dire que si pour un moteur CC de même Kv que mon Brushless, on trouve qu'il répond plus lentement à un échelon, alors il répondra également de manière plus lente à une commande PWM, qui est (je ne suis pas sur), la technique utilisé par la carte de commande d'un drone pour contrôler les moteurs .
Si tel est le cas alors je pourrais conclure que le drone sera en conséquence moins maniable avec des moteurs CC qu'avec des moteurs brushless.
Voila voila. Je peux joindre une photo du montage ou du programme arduino si vous le souhaitez

Merci d'avance pour votre réponse, je m'excuse si tout n'est pas très clair c'est la première fois que je poste sur ce forum
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[bobflux]

Il me semble que le facteur important pour un drone, c'est le poids. Donc il faut considérer :

- Rapport poids/puissance du moteur. Je parle bien sûr de la puissance mécanique du moteur, qui fait voler le drone. A puissance égale, un moteur plus léger donne un drone plus léger.

- Rendement du moteur. A puissance mécanique égale, un moteur ayant un meilleur rendement consommera moins de puissance électrique, ce qui permettra soit de mettre des batteries plus petites (plus légères, moins chères) soit de voler plus longtemps. Le rendement dépend de la vitesse de rotation, donc il faut prendre un moteur qui a son rendement max à la vitesse de rotation habituelle des hélices.

- Le prix, aussi.

Concernant le temps de réponse que tu veux mesurer, c'est une bonne idée je trouve, et puis c'est l'occasion de faire une expérience intéressante. Donc, on s'intéresse à l'accélération angulaire, qui dépend du couple moteur et du moment d'inertie du bazar en rotation.

Attention, le couple moteur dépend de la vitesse de rotation ! Par exemple, pour piloter finement le drone, les moteurs tournent quasi tous à la même vitesse, donc il faut mesurer l'accélération angulaire autour de cette vitesse. Par contre si tu veux faire une pirouette il faut stopper ou inverser 2 moteurs sur 4 très vite, donc c'est un autre scénario plus proche de ton test "marche/arrêt".

> A l'aide d'un potentiomètre et d'une carte arduino, je fais tourner mon moteur brushless (en alimentant l'esc associé avec une certaine tension dépendant de la position de mon potentiomètre

Perso je remplacerais le potentiomètre par un bon vieux GBF et je lui ferais sortir un signal carré à 1 Hz ou à peu près. En jouant sur les réglages d'amplitude et d'offset du GBF tu peux donc définir un scénario de test pour ton moteur, par exemple "0/100%" ou "80/90%". Le GBF élimine aussi l'aspect manuel et non reproductible du potentiomètre.

Ensuite tu mesures la vitesse de rotation avec ton arduino, et puis tu traces la courbe.

[PA5CAL]

Bonsoir

L'idée de vouloir comparer les temps de réponse d'un moteur à courant continu et d'un moteur synchrone me paraît un peu surprenante, compte tenu du fait que les deux dispositifs ne se commandent pas de la même façon, et que les résultats dépendent essentiellement des critères qui permettent de considérer qu'on réalise dans les deux cas des expériences équivalentes.

Il n'est pas nécessaire de réaliser des expériences pour conclure qu'il est possible de faire mieux avec un moteur synchrone qu'avec un moteur à courant continu, du seul fait que le fonctionnement du premier est entièrement contrôlé par son circuit électronique, tandis que les bobines du second sont alimentées par une tension constante et commutées mécaniquement à des positions angulaires fixes, avec au final un rendement naturellement plus faible dans le cas d'une configuration électromécanique identique.

Toutefois, une commande non optimale du moteur synchrone au regard du comportement particulier souhaité pourrait très bien aboutir à des performances plus mauvaises que celles obtenues avec un moteur à courant continu.

Par conséquent, si l'on se contente d'utiliser des circuits de commandes existants et assez mal définis ou des moteurs jugés équivalents sur la base de critères peu pertinents, l'expérience consistera pour une grande part à comparer leurs performances des différents éléments choisis plutôt que celle des principes de motorisation sous-jacents. Si l'on obtient le résultat attendu, cela ne constituera pas une véritable preuve, faute de pouvoir quantifier la part des différentes causes dans le surcroît de performances constaté. Et au pire, on pourrait trouver incidemment que, dans les cas testés, le moteur à courant continu arrive à mieux faire que le moteur synchrone...

[Dynamix]

Salut

J'espère donc montrer que le moteur brushless répond plus rapidement aux échelons qu'un moteur CC

Un drone camera n' a pas besoin d' être très réactif .
Ce n' est pas sur ce critère que se fait le choix du moteur .

[A voir en vidéo sur Futura]

[Corentin49]

Bonsoir PA5SCAL et bobflux
Je vous remercie d'avoir pris le temps de me répondre.
Suite à vos réponses j'ai un peu remis en question mon travail. Je pense que je n'ai pas accordé suffisamment d'importance aux exigences les plus pertinentes en ce qui concerne la conception d'un drone caméra.
Il est vrai qu'en conséquence comme tu me l'as dit PA5SCAL, une comparaison de réponse à un échelon d'un moteur CC par rapport à un moteur Brushless semble un peu illogique étant donné qu'effectivement les deux moteurs ne fonctionnent même pas de la même façon...
Peut-être pourrais-je reformuler mon expérience ou la replacer dans un contexte plus précis qui m'autoriserait alors à comparer les deux moteurs.

Par exemple si mon sujet (qui peut évoluer seuls les imbéciles ne changent pas d'avis), n'est plus le choix des moteurs dans la conception d'un drone mais la justification du choix de moteurs pour un drone déjà connu, alors peut-être mon expérience pourrait coller d'avantage.
C'est-à-dire que si le drone est connu, alors je connais déjà son poids, et en conséquence "il faut prendre un moteur qui a son rendement max à la vitesse de rotation habituelle des hélices." comme me l'a indiqué bobflux.
Alors si l'on trouve deux moteurs, un brushless et un CC respectant tous deux cette condition, peut-être suis-je dans mon droit de comparer la réponse à un échelon des deux moteurs.

En réfléchissant un peu j'ai donc pensé à utiliser pour mon TIPE l'un de mes deux drones caméra (DJI Phantom 1 et Bebop 2).

Pour la pertinence des critères je pense que je devrais faire un peu l'ordre dans mes pensées. J'ai bien compris avec vos réponses que toutes mes expériences devraient dépendre de ce que l'on veut sur notre drone caméra.
Alors je devrais commencer par me poser les bonnes questions comme par exemple :
Pourquoi Parrot utilise ces moteurs brushless-ci pour faire le compromis entre rendement, stabilité pour son drone faisant tel poids....

Quand à l'idée du GBF j'adhère parfaitement et je n'y avait pas pensé. Il est vrai que derrière le mot potentiomètre on va comprendre "l'étudiant choisit une vitesse un peu au hasard, ce n'est pas précis".
Bon par contre, j'avoue ne pas être très très bon en électronique c'est mon gros défaut du moment, je ne vois donc pas trop comment m'y prendre. Je ne vois pas très bien comment relier mon ESC au GBF... L'ESC à des petites encoches alors que le GBF arrive avec deux fils monstrueux... (il y'a un adaptateur qui permet de passer d'un type de fils à un autre ?)

[PA5CAL]

Pourquoi Parrot utilise ces moteurs brushless-ci pour faire le compromis entre rendement, stabilité pour son drone faisant tel poids....

Malheureusement, il est fort probable que les moteurs soient choisis bien plus sur des critères de prix et de disponibilité que de rendement ou de stabilité. Un moteur peut être choisi dès lors que ses performances sont suffisantes au regard des besoins fonctionnels spécifiés. Cela ne signifie absolument pas que ses performances seront optimales du seul point de vue technique.

On pourrait tout-à-fait concevoir un drone avec des moteurs et un système de contrôle qui lui confèrent des performances extraordinaires, mais qui aboutirait de ce fait à prix de revient prohibitif. Il est rarement intéressant pour une entreprise de mettre à son catalogue un appareils qui atteint la perfection mais qui s'avère dans le même temps pratiquement invendable.

[Corentin49]

D'accord... Mais ils n'essayent pas dans une moindre mesure de satisfaires à ces exigences ? L'objectif étant toujours de même de conserver mon expérience en cours donc définir précisément le contexte dans lequel je me place afin qu'elle soit valide...
Je ne sais pas encore si il serait mieux de partir d'un drone connu et conçu ou d'imaginer la conception d'un drone à partir de critères...
Peut-être qu'alors en définissant moi-même les exigences je peux d'emblée indiquer ne pas me fixer de limite de prix et chercher la performance... Mais je ne pourrai pas me procurer des moteurs aussi cher donc mes expériences ne resteront que modélisation... je pense par exemple à Scilab...

[bobflux]

Ton ESC prend en entrée une tension continue pour contrôler la vitesse ? Quelle est la plage de tensions ?

[Corentin49]

Pour l'expérience actuelle j'ai pris exactement ce moteur et cet ESC : https://www.amazon.fr/BGNing-Brushle...3NJAZC79HRN36K

[Corentin49]

Pour moi il prend bien une tension continue (jamais vu un ESC prenant une tension sinusoïdale en entrée... J'avoue que vous m'apprenez quelque chose j'ai toujours pensé que c'était justement son rôle de transformé un courant continu en courant triphasé sinusoïdal)

[bobflux]

Je me demandais si c'était du continu ou du PWM, c'est probable que ça gère les deux. Si ça marche avec un potentiomètre ça marche avec du continu...

[Dynamix]

Salut

Je me demandais si c'était du continu ou du PWM, c'est probable que ça gère les deux.

PWM , c' est le signal de commande .
Le continu (de la batterie 2 ou 3 S) c' est la puissance .

[Corentin49]

Oui ok en gros la batterie fournit une puissance constante et continue qui est distribuée via la carte de commande par des impulsions (commande PWM) à l'entrée de l'ESC c'est bien ça ?

Mais pour en revenir au problème de départ, mon expérience de comparaison est-elle à abandonner ou est-elle utilisable si on se replace dans un contexte particulier (pour un poids de drone fixé, une vitesse nominale de rotation fixée en amont...)

[Dynamix]

Oui ok en gros la batterie fournit une puissance constante et continue qui est distribuée via la carte de commande par des impulsions (commande PWM) à l'entrée de l'ESC c'est bien ça ?

La puissance n' est pas constante et n' est pas distribuée "par des impulsions"
L' ESC reçoit le continu de la batterie et le PWM du système de commande .
En fonction de ça , il envoie ce qu' il faut (triphasé) au moteur .

[Corentin49]

D'accord je vois : on alimente continuement les composants de l'ESC et en fonction de ce qu'il reçoit en PWM il redistribue ce qu'il faut.
Merci pour la précision

[bobflux]

L'ESC (Electronic Speed Controller) de ton moteur contient un microprocesseur et des MOSFET. C'est un onduleur triphasé en fait, il créé le courant alternatif triphasé dont a besoin le moteur brushless, qui est un moteur synchrone triphasé. Comme c'est un moteur synchrone, le contrôleur doit générer les bonnes formes d'ondes avec le bon timing, il a donc besoin d'une certaine intelligence, d'où le microcontrôleur dedans. Il prend en entrée :

- Une alim de puissance continue depuis les batteries

- Un signal de commande (pas de puissance, courant très faible) qui lui dit quoi faire, et apparemment sur le tien ce signal peut être une tension continue ou bien un PWM qui sera probablement filtré par le contrôleur. En tout cas ce signal de commande est utilisé comme entrée par le microprocesseur pour calculer les formes d'ondes à générer par la partie "courants forts".

[Dynamix]

Un signal de commande (pas de puissance, courant très faible) qui lui dit quoi faire, et apparemment sur le tien ce signal peut être une tension continue ou bien un PWM

D' ou sort cette ineptie ?

[bobflux]

D' ou sort cette ineptie ?

Il dit que son ESC prend en entrée un signal de commande en DC. Bon, perso ça m'étonne un peu, j'aurais plutôt vu un PWM comme tout le reste du monde de la radiocommande, mais bon, si y dit que ça marche...

[Dynamix]

En fait , si j' ais bien compris , il veux interposer un potar entre la batterie et le contrôleur
Par contre , je ne vois pas ou il met la carte arduino ...

[Corentin49]

Le potentiomètre est directement relié à la carte arduino. En fonction de la valeur qu'il lui transmet, larduino retransmet une tension à lESC en conséquence proportionnellement à la valeur reçue du potentiomètre.

[Corentin49]

Excusez-moi ma dernière explication n'était pas très clair. Autant aller directement au but voyez plutôt mon programme arduino.
J'ai semé le doute avec mes histoires de tensions continues avec l'ESC pardon si je me suis mal exprimé :

#include <Servo.h>
int valeur = 0; // Variable potentiomètre
Servo esc ;
int capteurpin = 2;
int sensorValue;
int lastsensorValue = LOW;
int compteur = 0 ;
unsigned long temps = 0;
unsigned long duree = 1000;

void setup() {
  esc.attach(8);
  esc.writeMicroseconds(1000); // On attribue la valeur min
  Serial.begin(9600);
  temps = millis();
  }

void loop() {
  // Lecture du potentiomètre pour régler la vitesse
  valeur = analogRead(A0);
  int valeuresc = map (valeur , 0 , 1023, 1000, 2000);
  esc.writeMicroseconds(valeuresc); // On attribue la variable mappée qu'on attribue à l'esc
  sensorValue = digitalRead(capteurpin);
  if (( sensorValue == HIGH) && (lastsensorValue == LOW)) compteur++;
  lastsensorValue = sensorValue;
  delay(1);

  if (millis() - temps > duree) {
    temps = millis();
    Serial.println(compteur);
    Serial.println(valeur);
    compteur = 0;
  }
 
}

L'objectif était pour moi d'observer la réponse de mon moteur à un échelon mais je ne savais pas trop comment m'y prendre.
Mon expérience consiste à tourner brutalement le potentiomètre et je regarde comment mon moteur tourne en conséquence.

D'une manière plus globale, je voulais montrer que pour le moteur à courant continu, la réponse à cet échelon serait plus tardive qu'elle que soit la vitesse.

Mais comme me l'a dit PA5SCAL c'est assez illogique comme raisonnement puisque les deux types de moteurs ne fonctionnent pas de la même manière... L'expérience apparaît donc impertinente et rien ne me dit que ce que je vais trouver en plus (je n'ai fait l'expérience que pour un moteur brushless)

[Dynamix]

je voulais montrer que pour le moteur à courant continu, la réponse à cet échelon serait plus tardive qu'elle que soit la vitesse.

Il suffit de constater que le rotor est beaucoup plus lourd (ceteris paribus)

[Corentin49]

Oui je sais bien mais je cherchais à le montrer par une expérience :/
Parce que sinon pour mon sujet je ne voyais pas trop quoi faire d'autre...
Le calcul des pertes énergétiques n'est qu'un calcul donc tout ce qui touche à l'autonomie du drone, le rendement se déduisent de simples calculs...
Or il faut que je présente une expérience aussi et c'est là tout mon problème...
Encore que pour le rendement on pourrait par exemple prendre la vitesse nominale de rotation des moteurs pour un certain drone, on fait tourner un moteur à cette vitesse et on regarde combien de temps met la batterie à se décharger. (bon on n'oublie pas de diviser par 4)

[calculair]

bonjour,

si tu recherches l'autonomie maximum il faut veiller à :

le rendement du moteur avec son dispositif de commande : les moteurs brushless sont très performants , il se peut que se soit lié a leur conception )

Par ailleurs il faut optimiser les hélices en jouant sur leur diamètre et le pas, ici les gains peuvent ^être spectaculaires, mais tu peux avoir des problèmes de géométrie (notamment à cause des diamètres )

[Corentin49]

D'accord. Il est vrai qu'il est très important de prendre en compte les hélices pour le calcul du rendement si l'on pousse l'expérience jusqu'au bout.

Mais donc finalement concrètement pour comparer le moteur brushless d'un moteur CC comment s'y prendre ?
De ce que je retiens de cette conversation avec vous tous, je me devrais de sélectionner et faire attention aux critères les plus importants : poids, rendement... et ne faire intervenir de comparaison que dans des situations pertinentes où les deux moteurs sont semblables sur un certain nombre de points (Kv, tension nominale...)

Je pense qu'il serait aussi judicieux de prendre en compte des critères un peu moins purement scientifiques je pense par exemple à la sécurité et le problème possible des étincelles lié à certains moteurs CC.
Qu'en pensez vous ?

[bobflux]

De ce que je retiens de cette conversation avec vous tous, je me devrais de sélectionner et faire attention aux critères les plus importants : poids, rendement... et ne faire intervenir de comparaison que dans des situations pertinentes où les deux moteurs sont semblables sur un certain nombre de points (Kv, tension nominale...)

Oui, puisque tu suis une formation d'ingénieur, il faut penser comme un ingénieur, c'est-à-dire faire des compromis. Aucune solution n'est parfaite sous tous rapports, dans toutes les conditions, sans parler du prix. Donc, quand on cherche le meilleur compromis, il faut définir le domaine d'application, et chercher ce qui répond le mieux au cahier des charges. C'est important de ne pas être perfectionniste et de savoir ignorer les critères qui ne sont pas pertinents. A chaque fois qu'on élimine un critère qui ne sert à rien, on gagne des degrés de libertés sur les autres critères qui sont utiles.

Par exemple, si je dois choisir une voiture et que je suis milliardaire, je vais avoir un problème parce que j'ai trop de critères de choix possibles. Mais si je suis pas milliardaire, je vais devoir réfléchir à des compromis plus pertinents du genre : je ne vais pas rouler à 250 km/h tous les jours, donc finalement la performance de la voiture à cette vitesse n'est pas un critère, par contre il faut que j'aille acheter un frigo, donc j'aimerais bien que ça rentre dans le coffre...

> je pense par exemple à la sécurité et le problème possible des étincelles lié à certains moteurs CC.

C'est pertinent seulement si ton drone va aller dans des atmosphères explosives. La plupart des visseuses ont des moteurs brushed qui balancent des étincelles, parce que la plupart des bricoleurs ne vont pas resserrer une vis au fond de la cuve d'un pétrolier

[calculair]

bonjour,

Je pense qu'effectivement bobflux te donne de bonnes pistes de réflexion :

Cependant si les étincelles sont un problème, on peut enfermer le moteur dans une mini enceinte.

Je pense que les moteurs Brushless pour des raisons que j'ignore, ont un rapport puissance /poids supérieur au moteur à CC

il faudrait comparer ce rapport sur des moteurs existants et si c'est le cas , il serait interessant de connaitre la raison de cet écart

[bobflux]

Je pense que les moteurs Brushless pour des raisons que j'ignore, ont un rapport puissance /poids supérieur au moteur à CC

Oui, c'est généralement admis, mais pourquoi ? Je me suis posé la même question et je suis allé voir un peu sur internet, j'ai pas trouvé grand chose, bon il y a ça.

[antek]

Oui, c'est généralement admis, mais pourquoi ?

La masse du collecteur est reportée sur le pont 3P ?
Le collecteur présente davantage de pertes que le pont 3P ?

[calculair]

bonjour,

il faudrait sans doute analyser finement le fonctionnement du moteur à cc et le brushless

une piste : dans le moteur à cc l"energie stockée dans l'enroulement du rotor est dissipée en chaleur dans la commutation liée à la rotation du comllecteur

Dans le brushless les diodes de roue libre associées au contrôleur permettent une ciculation du courant , si les commutations sont bien gérées qui contribuent à la rotation du moteur ( l'énergie n'est donc pas perdue)

je ne garantie pas que c'est la bonne explication