MCC, ralentissement axe en rotation, optimisation

[Sarai]

Bonjour,

Je réfléchis actuellement à un projet de contrôle de chute d'un poids. Le but étant de tester un algorithme d'optimisation en temps réel.

La manip (se voulant la plus simple possible) pourrait être la suivante. On attache un poids au bout d'un fil qui est enroulé autour d'un axe entraîné par un moteur électrique. Le poids serait initialement soumis uniquement à la gravité, puis après un certain temps le contrôle s'enclencherait, créant un couple moteur, pour contrôler la chute du poids et "atterrir" doucement sur le sol.

Le moteur doit donc exercer un couple pour ralentir un axe de rotation. Le problème me paraissait assez simple jusqu'à ce que ce mode de fonctionnement du moteur me perturbe.

Si on modélise un moteur à courant continu de la façon suivante : Vm=k*w+I*r+l*dI/dt, on comprend qu'il ne faut pas trop longtemps imposer de couple à vitesse nulle ou faible (risque de surchauffe). Dans la première partie de la manip (chute libre du poids) je ne veux pas que le moteur apporte de couple. Est-ce déjà possible ? Si je ne dis pas de bêtises dans l'alimentation des MCC il y a souvent des diodes de protection pour éviter une discontinuité de courant qui créerait des tensions dangereuses. Cette diode serait à l'origine d'un frein électromagnétique en injectant du courant dans le moteur. Dans des ponts en h il y a souvent un mode high impedance, mais je ne sais pas si cela retire l'effet des diodes de protection.

Ensuite au moment où je veux activer le contrôle le moteur tournera déjà (puisqu'il est relié à l'axe de rotation avec le poids qui tombe) et donc il y aura une tension à ses bornes (tension induite ? négative à priori). Si je comprends bien à ce moment pour avoir un couple nul il faut que j'impose la même tension que la tension induite, une tension supérieur va créer (indirectement) un couple. Donc dans mon cas avec une tension négative je peux avoir un couple nul, avec une tension nulle j'aurais déjà un couple non nul ralentissant l'axe de rotation du poids et je peux augmenter cette tension pour avoir un couple plus important.

J'espère avoir été clair, dans mes pensées cela ne l'est pas trop. Je me demandais aussi si complètement débranché le moteur ne ralentissait pas aussi l'axe de rotation. Dans les moteurs que j'ai pu manipuler j'ai l'impression que l'axe tourne par petits à-coups.

Je vous remercie !
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[gienas]

Bonjour Sarai et tout le groupe

Bienvenue sur le forum.

... On attache un poids au bout d'un fil qui est enroulé autour d'un axe entraîné par un moteur électrique. Le poids serait initialement soumis uniquement à la gravité, puis après un certain temps le contrôle s'enclencherait, créant un couple moteur, pour contrôler la chute du poids et "atterrir" doucement sur le sol ...

J’ai le sentiment que tu ne vois que deux "acteurs" dans ton scénario, à savoir le poids en suspension et le moteur et qu’ils sont supposés se "renvoyer la balle".

La "distribution" est un peu plus fournie et doit comporter en outre l’alimentation nécessaire pendant la descente et un asservissement basé sur un capteur de déplacement appréciant la vitesse de chute qui doit être asservie, en comparant à une consigne.


Édit: par pure curiosité, quel est l’objectif de ton application, et l’ordre de grandeur des puissances et énergies mises en jeu?

[Sarai]

Merci pour ton message Gienas !

Effectivement, je n'ai parlé que du moteur et du poids, principalement parce que je me questionne vis à vis de cette utilisation du moteur. Sinon effectivement y'aura bien sûr un capteur, je pense à un encodeur rotatif. Je devrais avoir à la fois la vitesse de rotation de l'axe et la position du poids.

Pour les ordres de grandeur ça serait quelques dizaines, voire centaines de grammes. Le poids tomberait d'environ 1m de hauteur. Je n'ai pas défini le moteur pour l'instant, mais j'aurais surement besoin d'un réducteur pour avoir plus de couple. Pour la distribution un pont en h devrait suffire, alimenté directement par une lipo ou via un régulateur DC/DC à découpage.

L'objectif est de démontrer et tester la faisabilité d'une optimisation (avec un solveur) de commande en temps réel, style MPC. Pour voir la charge de calcul impliquée, le temps d’exécution et le taux de rafraîchissement qu'il est possible d'obtenir. Un PID serait peut-être suffisant à l'application mais là n'est pas le but. Et pour ça j'ai besoin d'un modèle relativement précis de la manip, d'où mon questionnement sur le moteur. Je compte "fitter" un modèle à partir d'essais en boucle ouverte mais j'aurais préalablement aimé mettre ça en équations pour faire un dimensionnement pas trop aléatoire.

[Antoane]

Bonjour,

Si on modélise un moteur à courant continu de la façon suivante : Vm=k*w+I*r+l*dI/dt, on comprend qu'il ne faut pas trop longtemps imposer de couple à vitesse nulle ou faible (risque de surchauffe).

La conclusion est souvent correcte, mais elle ne peut être déduite de cette équation. Lorsque le moteur est alimenté et que son rotor tourne, cela peut créer (suivant la conception du moteur) un courant d'air refroidissant celui-ci. La chaleur est moins bien évacuée si le moteur est bloqué.

Dans la première partie de la manip (chute libre du poids) je ne veux pas que le moteur apporte de couple. Est-ce déjà possible ?

Quelle est la formule reliant le couple aux grandeurs électriques pour une MCC ?

Dans des ponts en h il y a souvent un mode high impedance, mais je ne sais pas si cela retire l'effet des diodes de protection.

Tant que la FCEM (E=k*w) délivrée par le moteur est d'amplitude inférieure à la tension d'alimentation du pont, celui-ci peut vraiment se comporter comme un circuit en haute-Z. (supposant que le pont est passé dans l'état HZ depuis suffisament longtemps pour que l'effet de l'inductance puisse être négligé).
Il en va de même dans le cas d'une commande simple par demi-pont (i.e. avec un unique transistor).

Ensuite au moment où je veux activer le contrôle le moteur tournera déjà (puisqu'il est relié à l'axe de rotation avec le poids qui tombe) et donc il y aura une tension à ses bornes (tension induite ? négative à priori). Si je comprends bien à ce moment pour avoir un couple nul il faut que j'impose la même tension que la tension induite, une tension supérieur va créer (indirectement) un couple. Donc dans mon cas avec une tension négative je peux avoir un couple nul, avec une tension nulle j'aurais déjà un couple non nul ralentissant l'axe de rotation du poids et je peux augmenter cette tension pour avoir un couple plus important.

Je ne suis pas spécialiste de ces genre de système, mais j'utiliserais une régulation en courant (i.e. en couple) du moteur.
De toute façon, toute commande de MCC "qui se respecte" utilise une boucle de courant imbriquée dans une boucle de tension

[A voir en vidéo sur Futura]

[Dynamix]

Salut

Le moteur doit donc exercer un couple pour ralentir un axe de rotation

Un couple de freinage et non pas un couple moteur .
En fait , ton moteur se comporte en générateur . Il ne faut pas l' alimenter .
Il faut évacuer l" énergie électrique produite dans une résistance chauffante .
La vitesse de rotation est fonction de cette résistance .

[Qristoff]

Salut,
C'est un système complexe que tu demandes là. Et de plus, doit être séquencé rigoureusement en trois phases:
1/ la chute libre:

Le poids serait initialement soumis uniquement à la gravité, puis après un certain temps le contrôle s'enclencherait

2/ le transfert d'énergie (entièrement d'accord avec Dynamix): une résistance de freinage branchée sur le moteur entrainé suffira avec au besoin une modulation de la résistance équivalente pour maitriser le retour à vitesse nulle.
3/ maintien de la charge: soit la charge est arrivée au bout du câble, dans ce cas rien à faire. Soit il faut maintenir la charge à une position et là le moteur doit fournir un couple avec asservissement de position.

[jiherve]

bonsoir
mais il existe aussi des moteurs couple :https://www.etel.ch/fr/moteurs-couple/principe/
souvenir de jeunesse (1981) et çà vole toujours!
JR

[Sarai]

Merci pour vos réponses

La conclusion est souvent correcte, mais elle ne peut être déduite de cette équation.

En multipliant l'équation par I et en régime permanent on a : V*I = I*k*w+r*I², ie Puissance électrique (absorbée) = Puissance mécanique + Pertes joule. Si w=0, il n'y a plus de puissance mécanique développée par le moteur, tout passe dans les pertes joules, ça chauffe. (L'expérience est courte donc ça devrait aller)

Quelle est la formule reliant le couple aux grandeurs électriques pour une MCC ?

Le couple est proportionnel à l'intensité. A haute impédance le moteur ne devrait donc pas fournir de couple (ou juste un petit couple résistant, du moins j'espère qu'il est petit).

De toute façon, toute commande de MCC "qui se respecte" utilise une boucle de courant imbriquée dans une boucle de tension

Avec une modélisation du système il est possible d'imposer une commande indirecte en couple en jouant sur la tension. Mais je ne suis pas expert en commande de MCC, et une boule de courant imbriquée à surement des avantages. Je suis preneur de documentation à ce sujet.

2/ le transfert d'énergie (entièrement d'accord avec Dynamix): une résistance de freinage branchée sur le moteur entrainé suffira avec au besoin une modulation de la résistance équivalente pour maitriser le retour à vitesse nulle.
3/ maintien de la charge: soit la charge est arrivée au bout du câble, dans ce cas rien à faire. Soit il faut maintenir la charge à une position et là le moteur doit fournir un couple avec asservissement de position.

Pour répondre à Qristoff et Dynamix, effectivement pour ralentir le moteur une résistance de freinage pourrait faire l'affaire. Après l'objectif est d'appliquer une commande, faut que je renseigne un peu plus sur la modulation de résistance. Et peut-être que le passage de la phase 2 à la phase 3 risque d'être délicat dans ce scénario. Jouer uniquement sur la tension du moteur (pour imposer le couple désiré) me paraissait plus naturel.

[Antoane]

Bonjour,

En multipliant l'équation par I et en régime permanent on a : V*I = I*k*w+r*I², ie Puissance électrique (absorbée) = Puissance mécanique + Pertes joule. Si w=0, il n'y a plus de puissance mécanique développée par le moteur, tout passe dans les pertes joules, ça chauffe.

Encore une fois : c'est possiblement vrai, mais ces équations ne le démontrent pas.
Il y a toujours des pertes dans le moteur, qu'il tourne ou non. Si le moteur est alimenté sous son courant nominal, les pertes seront les mêmes (du moins en première approximation) que le moteur tourne ou que le rotor soit bloqué : r*I².
Evidement, il en va autrement si le courant n'est pas limité et peut atteindre des valeurs pouvant endommager le moteur par effet thermique ou autre.

Le couple est proportionnel à l'intensité. A haute impédance le moteur ne devrait donc pas fournir de couple (ou juste un petit couple résistant, du moins j'espère qu'il est petit).

Oui, juste le couple de frottement.

Pour répondre à Qristoff et Dynamix, effectivement pour ralentir le moteur une résistance de freinage pourrait faire l'affaire. Après l'objectif est d'appliquer une commande, faut que je renseigne un peu plus sur la modulation de résistance. Et peut-être que le passage de la phase 2 à la phase 3 risque d'être délicat dans ce scénario.

L'idée est de commander en PWM une résistance câblée aux bornes du moteur. Cela permet d'en modifier la valeur équivalente moyenne vue par le moteur.
Il s'agit de réguler le courant/la tension/la puissance extraite du moteur.

Je n'ai jamais expérimenté, mais je pense qu'avec une alimentation réversible (ce qui, étant donnée la faible énergie en jeu ne devrait pas poser de problème : batterie, alimentation conçue pour, ou avec une grosse capacité en sortie) et une régulation du courant dans le moteur, on gère sans difficulté le passage d'une phase à l'autre.

[Sarai]

Bonjour Antoane,

Encore une fois : c'est possiblement vrai, mais ces équations ne le démontrent pas.
Il y a toujours des pertes dans le moteur, qu'il tourne ou non. Si le moteur est alimenté sous son courant nominal, les pertes seront les mêmes (du moins en première approximation) que le moteur tourne ou que le rotor soit bloqué : r*I².
Evidement, il en va autrement si le courant n'est pas limité et peut atteindre des valeurs pouvant endommager le moteur par effet thermique ou autre.

Il y a deux façons de raisonner. Effectivement en raisonnant à courant constant (couple constant), les pertes joules sont constantes. Après si on raisonne à puissance délivrée au moteur constante (ou puissance absorbée), alors plus la puissance mécanique est grande (C*w) moins les pertes joules sont importantes. Mais oui, c'est juste une histoire de comment on arrange les termes

L'idée est de commander en PWM une résistance câblée aux bornes du moteur. Cela permet d'en modifier la valeur équivalente moyenne vue par le moteur.
Il s'agit de réguler le courant/la tension/la puissance extraite du moteur.

Si je ne dis pas de bêtises le moteur n'aime pas les discontinuités de courant (l*di/dt). Mettre en série une résistance, le moteur et un switch commandé en PWM, ça risque de créer des pics de tension importants quand l'interrupteur s'ouvre.

Concernant la phase 2, elle ne pourra pas immobiliser le poids vu que le 'freinage' (sans commande, ie duty cycle du PWM à 100%) dépend de la vitesse de rotation de l'axe. Une vitesse de rotation de l'axe nulle n'est pas un point d'équilibre puisque le poids impose un certain couple. Cette phase pourra diminuer la vitesse de chute du poids jusqu'à une vitesse constante, puis la phase 3 devra prendre le relai pour diminuer la vitesse jusqu'à immobilisation. Autant n'avoir que la phase 3, les puissances en jeu ne sont pas grandes, et j'imagine qu'avec une consigne en courant constante par exemple, le moteur pourra très bien décélérer le poids jusqu'à immobilisation. Mais peut être que je me trompe et que je ne vois pas toutes les difficultés !?

NOTA : J'ai mis un schéma de la manip pour avoir le concept plus facilement en tête, avec un poids attaché à un fil enroulé autour d'un axe relié au moteur.

[Antoane]

Bonsoir,

Si je ne dis pas de bêtises le moteur n'aime pas les discontinuités de courant (l*di/dt). Mettre en série une résistance, le moteur et un switch commandé en PWM, ça risque de créer des pics de tension importants quand l'interrupteur s'ouvre.

Ouioui, cela se résout classiquement avec une diode de roue-libre pour offrir un chemin au courant. Le couple est alors moyenné non seulement par l'inertie mécanique, mais également par l'effet de lissage du courant apporté par l'inductance du moteur.