Commutation rapide et "isolation" physique

[makoto]

Bonjour à tous,

A titre personnel (je suis amateur et autodidacte même si j'ai un très vieux background en électronique qui date du lycée), je suis en train de monter un système qui permet de faire des commutations rapides pour transmettre le signal de 4 bobines reliées entre elles en série. Ces bobines peuvent être tour à tour ou concomitamment excitées par un aimant (produisant une fem) et je veux pouvoir récupérer le signal ainsi produit suivant une fréquence et un algorithme défini.

Schéma basique de fonctionnement d'un cycle (1 phase = 1,25ms) :
Phase 1 : je récupère le signal de la bobine 1 uniquement
Phase 2 : je récupère le signal de la bobine 1 et 2
Phase 3 : je récupère le signal de la bobine 1, 2 et 3
Phase 4 : je récupère le signal de la bobine 1, 2, 3 et 4
Phase 5 : je récupère le signal de la bobine 1, 2 et 3
Phase 6 : je récupère le signal de la bobine 1 et 2
Phase 7 : je récupère le signal de la bobine 1 uniquement

J'utilise les timers d'un arduino pour contrôler finement les fréquences de commutation (de 1,25ms pour chaque phase) et j'utilise les PIN de l'arduino depuis leurs registres pour assurer une rapidité de commutation (62,5ns).
Entre l'arduino et les bobines, puisque l'arduino sera en 3,3V et les bobines auront une tension / un courant induit variable en fonction du champs magnétique, j'ai imaginé des relais pour faire la liaison et isoler les deux sous-systèmes (arduino / bobines) mais c'est justement là mon problème :

> Les relais mécaniques sont trop lents vis à vis de la période de commutation (1,25ms).
> Les relais statiques ou les MOSFET sont un peu plus rapide (pas assez) mais leur utilisation implique selon moi un problème de taille vis à vis de ce projet : il faut que, par exemple, lors de la phase 2 ci-dessus, les bobines 3 et 4 soient physiquement ouvertes pour éviter qu'elle ne subissent un champs magnétique et donc une fcem et qu'il y ait une tension induite dans ces bobines qui viennent perturber, voir annuler, le signal des bobines 1 et 2.
> Les optocoupleurs sont suffisamment rapides mais je n'ai pas d'isolement franc des bobines devant restées physiquement ouvertes (dito ci-dessus).
> Les relais reed me paraissent nickel mais leur temps de commutation est de 1ms globalement donc trop lent selon moi.

En clair, je cherche désespérément une sorte de relais qui permette 1. "d'ouvrir" un circuit physiquement 2. dans un laps de temps trés cours (0,1ms avec rebond serait idéal à mon sens).
La condition 1. ci-dessus est importante sinon le système que je monte n'aura pas d'intérêt.

Auriez-vous une idée ou des pistes d'idées pour réussir à allier ces deux contraintes soient avec un composant soit avec un montage spécifique ? Je vous avoue que je suis à sec ...
Ou tout simplement, est-ce que je fais une grossière erreur de débutant en pensant que, lorsque les optocoupleurs ou MOSFET ne sont pas alimentés, les bobines soumises à un champs sont "conductrices" et donc développent une fcem que je cherche à éviter ?

J'espère avoir été le plus clair possible mais si ce n'est pas simple à expliquer pour un novice comme moi.
Par avance, merci de vos éclaircissements !

Nota : pour ceux qui se poseraient la question, je ne cherche pas à faire un contrôleur de vitesse pour un moteur brushless mais si on veut faire une analogie rapide, c'est comme si je faisais l'inverse, comme si j'avais un générateur à la place du moteur et que je cherchais à récupérer l'électricité induite ... grossomodo même si ce n'est pas vraiment l'objet
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[Antoane]

Bonjour et bienvenue sur Futura,

Un relais à contacts "mercurés" https://en.wikipedia.org/wiki/Relay#...y-wetted_relay pourrait convenir (après compensation software du delay de commutation). Cependant, ils risquent de ne pas apprécier la surtension au blocage.

Il est très probablement possible d'utiliser un MOSFET, éventuellement avec commande isolée, mais il faudrait plus de détails sur l'applications. En particulier, la présence d'une FCEM ne dépend pas de la connection ou non de la bobine à un circuit externe.
Un schéma du circuit électrique montrant comment les bobines sont interconnectés, et où les switchs doivent être placés, aiderait. Il faudrait connaitre les tensions, les courants, et les inductances en jeu, ainsi que savoir si ce cycle se répète (à quelle frequence?) ou si c'est du "one-shot". Une description de la mécanique aiderait également à comprendre l'idée générale.

[gienas]

Bonjour makoto et tout le groupe

Bienvenue sur le forum.

... les bobines 3 et 4 soient physiquement ouvertes pour éviter qu'elle ne subissent un champs magnétique et donc une fcem et qu'il y ait une tension induite dans ces bobines qui viennent perturber, voir annuler, le signal des bobines 1 et 2 ...

Je ne suis pas sûr d'avoir tout compris de ton besoin, mais je crains une confusion.

Une fcem est une force contre électromotrice qui s'oppose au passage du courant tant que la fém ne l'a pas atteinte. Je ne comprends pas non plus l'usage de relais, pour des délais exprimés en nanosecondes.

Ii existe des interrupteurs analogiques, CMOS (4016) commandés en logique mais pour des ns ...

Les bobines, elles sont supposées générer des fém si du champ magnétique passe par là et surtout, est variable.


Edit: grillé par Antoane, que je salue également, et qui, lui aussi a des doutes sur la demande.

[penthode]

hello ,

le grand CONFUCIUS (que j'ai bien connu) disait :

une image vaut 1000 mots

[A voir en vidéo sur Futura]

[makoto]

Re-bonjour,

En effet, une image sera peut-être plus claire, voici le schéma des bobines, du champ magnétique aléatoire, des "interrupteurs" commandés par les PIN de l'arduino et la table de fonctionnement de commutation :



La commutation recherchée est de 1,25ms (les ns c'est juste pour la commutation des ports dans l'arduino et je suis large vis à vis de mon besoin ).

Les relais reed à mercure, je vais me renseigner ... je vais faire des recherches, je ne connaissais pas du tout, ça n'a pas l'air de courir les rues.

Pour les autres retours, le problème que j'appréhende est dans le cas de la "phase 2" mentionnée sur mon premier message par exemple, les bobines 1 et 2 sont en série avec le circuit mais il faut absolument que les bobines 3 et 4 soient physiquement ouvertes pour éviter qu'elles n'induisent une fem sous le champs magnétique et tout ce que cela peut induire.
Avec un interrupteur analogique, j'ai peur de le griller dans la mesure où je risque d'avoir des tensions / intensités induites dans les bobines bien supérieures aux seuils et j'imagine que je vais avoir le même problème qu'avec les MOSFET : est-ce que mes bobines se comporteront en bobine "ouverte" si elles sont reliées à un circuit de ce type ?

L'avantage d'une ouverture "franche" est que je suis certain qu'il n'y aura pas de fem dans les bobines mais peut-être que je suis trop psychorigide et que les MOSFET, CMOS ou optocoupleur assureront un isolement franc des bobines ?

[lutshur]

Bonjour,

"1" c'est ouvert ou fermé ? PD0 reste toujours dans le même état ?

[Antoane]

A la vue de ton schéma, un mosfet, ou à la rigueur deux si on veut du bidirectionnel, fera l'affaire.
Par contre, à l'ouverture de chaque switch (transistor, relay, ou autre), il y aura une surtension potentiellement destructrice. Il faudrait mieux connaitre le contexte pour savoir quoi faire : l'empécher, l'absorber, ou la laisser se produire au maximum de sa tension.

Quelle est la structure du recepteur ?

Avec un interrupteur analogique, j'ai peur de le griller dans la mesure où je risque d'avoir des tensions / intensités induites dans les bobines bien supérieures aux seuils

Sans plus d'info (cf. post 2), on parle dans le vide. Pour l'instant, Gienas imagine un circuit sous 20 V, alors que dans ma tête on parle de technologie 1.2 kV

L'avantage d'une ouverture "franche" est que je suis certain qu'il n'y aura pas de fem dans les bobines mais peut-être que je suis trop psychorigide et que les MOSFET, CMOS ou optocoupleur assureront un isolement franc des bobines ?

"isolement franc" ne n'a pas de sens technique. Il faudrait que tu mettes du quantitatif, ou qu'on comprenne suffisament le montage pour t'orienter.

[gienas]

... En effet, une image sera peut-être plus claire, voici le schéma des bobines, du champ magnétique aléatoire, des "interrupteurs" commandés par les PIN de l'arduino et la table de fonctionnement de commutation ...

Oui, mais non.

Le récepteur est-il sensible à la tension?

Là, "naturellement", sa masse n'est pas connectée ou nécessite un contact de relais je pense inutile.

Si le parasitage par les "voisins" est si gênant, ne serait-il pas possible de relier chaque bobine à son récepteur, et ne s'intéresser qu'aux signaux de sortie, et/ou, si deux bobines doivent être obligatoirement en série, les regrouper dans le même récepteur?


Édit: à nouveau, Antoane ne comprend pas non plus. Il n'est pas le seul.

[lutshur]

Mesurer la tension induite sur les bobines à vide, dépend de la taille des bobines, du champ magnétique... Selon l'énergie en jeu, c'est faisable ou pas.
Je verrais plus des bobines chargées lorsque leur interrupteur s'ouvre. Un peu comme ça,

[makoto]

@Lustur : "1" c'est fermé et PD0 reste toujours dans le même état mais uniquement sur cet exemple de cycle car je veux faire d'autres essais où PD0 commutera à 0.
Concernant le schéma, si j'ai bien compris le fonctionnement, avec un flux magnétique variable, inévitablement, je vais avoir une tension induite dans chacune des bobines ou une utilisation permanente des bobines pour cette utilisation ce que je ne souhaites pas. L'explication est dans le § ci-dessous @genias.

@Antoane : oui, tout à fait, mais à ce stade, je n'ai pas encore bossé la partie "Circuit récepteur" qui nécessitera une protection / filtrage / etc. , en clair le circuit récepteur peut être tout et n'importe quoi dans la mesure où je ne sais pas encore quelle tension / intensité je vais récupérer à son entrée car la partie à droite du circuit récepteur est une sorte de générateur (au maximum j'aurais du 60V / 5A dans un premier temps).

@genias : oui, j'en conviens, je n'en suis qu'à essayer de concevoir une première maquette et de procéder petit à petit en faisant des maquettes améliorées que je veux ensuite extrapoler pour éviter de faire trop d'erreur d'un coup et ne pas comprendre pourquoi ça ne marche pas.

En fait, le truc peut vous sembler idiot mais j'aimerais aller au bout de mon idée : je cherche à réutiliser les bobines d'un moteur brushless en générateur (lorsque ces dernières ne sont pas utilisées pour faire tourner le moteur) et tenter de réduire sa consommation in fine.
D'où la modélisation de 4 bobines qui représentent arbitrairement 4 bobines d'un moteur lorsque celles-ci ne sont pas utilisées.
Celles-ci ne sont pas alimentées en moteur pendant 10ms, j'ai 8 phases dans un cycle pour tirer profit au maximum du flux (cf. tableau ci-dessus) soit 10ms / 8 = 1,25ms par phase.
D'où l'importance pour moi d'avoir des bobines avec des "relais" ouverts pour éviter une sorte de court-circuit lorsque les bobines seront appelées à être utilisées pour le moteur (erreur de programmation, de commutation, composant grillé, etc.) ou lorsque le moteur est bloqué ce qui aboutirai potentiellement à une fem induite qui risque de faire cramer le circuit. Même si à terme, je peux faire autrement (gestion avec un seul micro-controleur, photocapteur, etc.), pour cette première phase j'aimerais procéder ainsi (et j'ai l'intuition que ça me servira quand même ... au moins intellectuellement).

Le schéma que j'ai posté, c'est juste une partie isolée de l'ensemble du système pour comprendre si le fondement de ce que je veux faire (récupérer la fem des bobines) peut fonctionner ou non et si je peux l'optimiser ou non en fonction de la table des phases par cycle. Après, j'agrémenterais ma maquette progressivement pour prendre en compte l'intégralité de l'installation y compris le fonctionnement avec un contrôleur de vitesse et l'utilisation d'un micro-controleur unique pour gérer la fonction moteur et la fonction générateur.

Je suis autodidacte et donc j'aime bien y aller progressivement en décomposant bien toutes les problématiques pour les traiter individuellement et bien les comprendre, quitte à y revenir dessus si plus tard la solution choisie provoque d'autres problèmes insurmontables.

En me relisant, je ne sais pas si j'arrive à être beaucoup plus clair ... vos questions m'aiguillent également.
Si vous avez des idées ou des interrogations ou si vous constatez que c'est un tissu d'âneries même si ça fait des semaines que je potasse le sujet, n'hésitez pas non plus, ça me fera toujours avancer

[lutshur]

En fait, le truc peut vous sembler idiot mais j'aimerais aller au bout de mon idée : je cherche à réutiliser les bobines d'un moteur brushless en générateur (lorsque ces dernières ne sont pas utilisées pour faire tourner le moteur) et tenter de réduire sa consommation in fine.
D'où la modélisation de 4 bobines qui représentent arbitrairement 4 bobines d'un moteur lorsque celles-ci ne sont pas utilisées.
Celles-ci ne sont pas alimentées en moteur pendant 10ms, j'ai 8 phases dans un cycle pour tirer profit au maximum du flux (cf. tableau ci-dessus) soit 10ms / 8 = 1,25ms par phase.

Ou je me fais des idées, ou tu expliques vouloir récupérer de l'énergie via les bobines non alimentées pendant que d'autres le sont. Je ne vois pas comment réduire la consommation : soit tu contres le frein magnétique ainsi constitué, en augmentant l'énergie fournie aux autres bobines. Soit tu perds en couple.
Ou bien récupérer cette énergie lorsque le moteur n'est vraiment plus sollicité et tourne par inertie. Ca va être peanuts.

[makoto]

C'est ça.
Je "joue" avec la commutation des bobines pour limiter le freinage et récupérer l'énergie que je peux récupérer ainsi.
Et inévitablement, il y aura une certaine inertie dans le rotor même en fonctionnement, ce qui aidera à limiter le phénomène de freinage.
La commutation fera le reste pour "ouvrir" les bobines quand le frein sera "trop" important (en suivant le déphasage à la façon d'une spire de Frager), d'où l'aspect expérimentable en modulant la table de commutation par la suite et la fréquence de commutation.

Et comme évoqué ci-dessus, ce premier montage me servira essentiellement à vérifier le fonctionnement, à voir ce qui se passe et à faire évoluer la conception que j'imagine de la chose, j'y vais à tâtons
Même si ce n'est pas grand chose, cela me permettra de visualiser et quantifier la puissance que je peux récupérer.

[jiherve]

bonjour,
Amha le brushless doit être piloté par des demi ponts en H et ceux ci doivent avoir des diodes de clamp(roue libre) sur leur sortie.
ces diodes font de la récupération d'énergie et la réinjectent dans l'alimentation primaire de l'onduleur; donc cela existe déjà de facto.
Amélioration possible : diminuer les seuils de diode.

JR

[Forhorse]

Ce n'est que mon avis, je n'ai pas vraiment compris par quel principe tu comptes "récupérer" de l’énergie (ou en économiser) sur ton moteur brushless, mais vu la quantité de ces moteurs qui sont utilisé dans un peu tout les domaines (industrie, etc...) s'il y avait un moyen d'augmenter leur rendement de la sorte, même de seulement quelques %, ce serait déjà fait.
Rien que dans le domaine des voitures électriques (où de nombreux modèles sont motorisé par des moteurs brushless) s'il y avait un moyen de gagner un peu d'autonomie (le nerf de la guerre actuellement dans ce secteur) avec ce genre de montage, ça existerais déjà.
Même chose dans l'industrie (robot) si un fabriquant de robot pouvait se vanter, grâce à ce genre de montage, que ses robots consomment moins que ceux de la concurrence, idem..

Bref, à ce que j'ai compris, actuellement la recherche pour gagner en performances de ces moteurs se fait surtout sur leur structure même (j'ai entendu parlé de moteur à flux combinés)

[Antoane]

Bonjour,

A ma connaissance, les voitures électriques utilisent (aujourd'hui) généralement des PMSM (machine synchrones à aimants permanants), très proches des BLDC (brushless). Et, comme l'indique Forhorse, de très importants efforts derecherche sont menés pour chercher à augmenter lerendement puisque, en gros, chaque % de rendement gagné, c'est un % de gagné sur le prix de la batterie (à autonomie constante), et donc ~0.25% de gagné sur le prix de la voiture.

Avec un BLDC, pour récupérer de la puissance 'naturellement', en utilisant uniquement les diodes des ponts en H alimentant la machine, il faut ou bien un bus DC de tension variable, que la machine tourne suffisament vite pour que ses FEM dépassent la tension de bus.
Avec une PMSM, la récupération dènergie est triviale et relativement indépendante de la tension du bus DC et de la vitesse de rotation : il suffit de controler la tension de sortie de l'onduleur avec la bonne phase.

Et inévitablement, il y aura une certaine inertie dans le rotor même en fonctionnement, ce qui aidera à limiter le phénomène de freinage.

Limiter les a-coups : éventuellement, mais limiter le freinage : non.

[makoto]

Bonjour,

Yes, mais je ne me place que dans le cas de moteurs brushless qui ont 3 phases avec une alimentation DC "carré" (moteurs pour drones dans mon cas), je ne pense pas que je pourrais faire la même chose avec des PMSM avec une alimentation "sinusoïdale" (je n'utilise peut-être pas les bons terme mais je pense que vous voyez ce que je veux dire).

Je voulais profiter du moment où l'une des trois phases est inutilisée (0) pendant un certain temps pour récupérer de l'énergie car, à ce moment là, des aimants permanent seront inévitablement en mouvement en face de ces bobines et je souhaitais donc récupérer la fem induite de ce court intervalle avant que la fcem prenne le pas.

Le bus DC de tension variable, c'est ce que j'utiliserais in fine pour assurer une fem dépassant la tension de bus (avec une fréquence qui sera alors inférieur à 1ms je pense ...) et c'est à ma portée d'amateur même si je tâtonnerais pour y arriver comme d'habitude mais internet et ce forum fourmillent déjà d'exemples, d'idées et d'explications.

Cependant, pour le moment, je voulais juste pouvoir récupérer la fem, aussi faible soit-elle, de ce court moment sans griller toute l'installation in fine en "isolant" correctement les bobines lorsque je ne les utilises pas pour éviter l'arrivée d'une fcem qui viendrait en effet freiner le moteur.

Par contre @jiherve pour les diodes de roue libre qui réinjectent dans l'alimentation primaire de l'onduleur, je pensais qu'elles ne servaient qu'à protéger bien sûr et récupérer uniquement la surtension à l'ouverture du circuit et non la fem qu'induirait la rotation des aimants sur la dite bobine ... mais je ne vois pas pourquoi ça ne marcherais pas !
Si tu as un exemple de circuit, je suis preneur mais le fait d'avoir une diode de roue libre "permanente" impliquerait alors l'apparition d'une fcem qui freinerait le moteur comme disait Lutshur ... il faudrait donc que je coupe au moment approprié la diode de roue libre pour qu'elle "évacue" la surtension et éventuellement la fem puis qu'elle ne vienne pas freiner le moteur ... et j'en reviens à mon problème de commutation rapide permettant "d'isoler" la bobine afin qu'elle ne génère aucune fem sous l'action du champs magnétique ...

[Antoane]

Bonjour,

Je voulais profiter du moment où l'une des trois phases est inutilisée (0) pendant un certain temps pour récupérer de l'énergie car, à ce moment là, des aimants permanent seront inévitablement en mouvement en face de ces bobines et je souhaitais donc récupérer la fem induite de ce court intervalle avant que la fcem prenne le pas.

Si la FEM est présente mais qu'aucun courant n`est délivré par elle, alors la puissance extraite est nule, et le moteur ne ralenti pas.
Si la FEM est présente et que tu tires du courant, alors la puissance extraite est prise au rotor et ou bien le moteur ralenti, ou bien une puissance équivalente (ou plutôt supérieure, du fait des rendements en jeu) est prélevée sur les bobines alimentant le moteur.
Ton expérience est similaire à celle consistant à mettre une éolienne en face d'un ventilateur, et à se dire que la présence de l'éolienne ne modifera pas le flux d'air.

[makoto]

Bonjour,

Si la FEM est présente mais qu'aucun courant n`est délivré par elle, alors la puissance extraite est nule, et le moteur ne ralenti pas.
Si la FEM est présente et que tu tires du courant, alors la puissance extraite est prise au rotor et ou bien le moteur ralenti, ou bien une puissance équivalente (ou plutôt supérieure, du fait des rendements en jeu) est prélevée sur les bobines alimentant le moteur.

On est d'accord pour la fem mais l'idée est justement d'utiliser le déphasage qu'il y a entre le champs magnétique et la fem induite pour éviter le moment où cela freinera, je ne profite pas pleinement de la période à 0 mais juste ce qu'il faut pour éviter de perturber le moteur et récupérer ce que je peux (2 fois 1/8 de la période de mémoire) d'où les cycles très courts que je veux tester.

[Antoane]

Si elle n'est pas prise au rotor, d'ou veint selon toi la puissance récupérée ?
Si ca ne freine pas il n'y a pas de puissance récupérée.