Par Lauren Nagel et Charles Blouin
Les moteurs électriques sont utilisés dans de nombreux outils et véhicules. Dans les drones et les aéronefs électriques, ils sont le plus souvent contrôlés à l’aide d’un contrôleur de gaz et d’un ESC.
Lorsque vous augmentez la commande des gaz sur votre contrôleur, vous augmentez la quantité d’énergie électrique prélevée sur votre alimentation (c’est-à-dire votre batterie) et fournie à votre moteur via l’ESC. Si vous souhaitez ralentir le moteur, réduisez la puissance ; si vous souhaitez l’accélérer, augmentez-la.
Mais quel est le mécanisme qui permet de contrôler la vitesse du moteur ?
Dans cet article, nous aborderons les points suivants :
- Comment augmenter (ou réduire) la vitesse d’un moteur électrique
- Formule de la vitesse d’un moteur électrique
- Vitesse du moteur en fonction du rapport cyclique PWM et de la tension de sortie de l’ESC
- Calcul du KV du moteur en tr/min
Figure 1 : moteur Xoar T110 monté sur un banc d’essai de poussée
Comment augmenter (ou réduire) la vitesse d’un moteur électrique
Contrôler la vitesse d’un moteur électrique revient, en quelque sorte, à gérer la quantité d’énergie électrique fournie au moteur. Dans cet article, nous supposerons que nous examinons une situation en régime permanent, sans accélération.
Plus précisément, pour une charge mécanique (ou résistance) donnée, c’est l’augmentation de la tension qui entraîne une augmentation de la vitesse. Nous pouvons également réduire la charge du moteur.
Formule de la vitesse d’un moteur électrique
Si nous examinons cette équation de la vitesse angulaire :
ω = vitesse angulaire
Nous constatons que la vitesse angulaire, autrement dit la vitesse du moteur électrique, ou encore le nombre de tours par minute (tr/min), est proportionnelle à la tension et inversement proportionnelle au couple.
Par conséquent, si nous souhaitons augmenter la vitesse du moteur, nous pouvons soit a) augmenter la tension fournie, soit b) réduire le couple. Comme la réduction du couple nécessiterait de modifier la conception ou la charge, il est beaucoup plus simple d’augmenter la tension.
L’équation montre également qu’à tension constante, un couple plus élevé entraîne un nombre de tours par minute plus faible.
Il convient également de noter qu’il existe de légères pertes au sein de l’ESC, de sorte que la tension d’entrée est supérieure à la tension de sortie fournie au moteur, mais généralement de quelques pour cent seulement.
Vitesse du moteur en fonction du rapport cyclique PWM et de la tension de sortie de l’ESC
Nous pouvons également décrire ce processus de variation de la vitesse du moteur en fonction des protocoles ESC utilisés pour fournir la puissance.
Avec la PWM, par exemple, la valeur envoyée par le contrôleur (en µs) correspond à un pourcentage de la tension maximale pouvant être envoyée au moteur et à l’ESC.
La valeur PWM en µs se situe entre 1 000 (gaz au ralenti) et 2 000 (plein gaz). Toutes les valeurs intermédiaires ont une durée de signal en µs correspondant à un rapport cyclique compris entre 0 et 100 % .
À 0 %, aucune puissance n’est fournie à l’ESC ni au moteur. À 100 %, la puissance est fournie en permanence à l’ESC et au moteur.
Figure 2 : moteur Xoar TA130 monté sur un banc d’essai
Les fabricants d’ESC peuvent faire varier cette mise en œuvre. Cependant, la relation entre le rapport cyclique et la vitesse du moteur correspond généralement à peu près à la tension de sortie moyenne de l’ESC.
L’ESC produit une sortie approximative d’onde sinusoïdale sur chaque phase. À 50 % de sortie ESC, l’onde sinusoïdale aura environ la moitié de l’amplitude de celle à 100 % de sortie ESC. Notez que les pilotes électroniques de la plupart des ESC ne disposent que d’un état marche/arrêt, de sorte que le signal réel n’est pas aussi régulier qu’une onde sinusoïdale parfaite.
Il existe de nombreuses variations entre les fabricants de moteurs et d’ESC, et les composants électroniques peuvent introduire des non-linéarités. Pour des applications pratiques, il est préférable de caractériser le moteur et l’ESC à l’aide d’un banc d’essai dynamométrique.
L’avenir de la technologie ESC
Comme indiqué précédemment, les moteurs électriques fonctionnent grâce à des signaux électriques qui alternent entre les états marche/arrêt pour produire une rotation. Les ESC conventionnels reposent sur des semi-conducteurs au silicium qui présentent des contraintes physiques intrinsèques. À mesure que les fréquences de commutation augmentent avec des nombres de tours par minute plus élevés, les composants au silicium génèrent une énergie thermique importante en raison des pertes de commutation. Cette chaleur limite l’efficacité et la vitesse maximale du système, car le matériau ne peut pas supporter la charge électrique et thermique à des nombres de tours par minute plus élevés.
Le nitrure de gallium (GaN) est un semi-conducteur qui offre un seuil de tension et de température plus élevé que le silicium. Il présente une conductivité électrique supérieure, ce qui permet des vitesses de commutation plus rapides et une résistance électrique réduite pendant le fonctionnement. Ces caractéristiques permettent aux contrôleurs à base de GaN de maintenir des performances stables dans des environnements où le silicium serait autrement soumis à une défaillance en raison d’une surcharge thermique ou électrique d’intensité supérieure.
Le microDRIVE LP de Hargrave Technologies est l’une des premières applications de cette technologie dans l’industrie des UAV. Bien que ces dispositifs n’aient pas encore de performances supérieures à celles des ESC haute performance au silicium, ils représentent un domaine en développement offrant le potentiel d’augmenter la densité de puissance des ESC.
Figure 3 : ESC compact et léger à base de GaN (source : Hargrave Technologies)
Cliquez ici pour en savoir plus sur le fonctionnement interne d’un ESC.
Les protocoles numériques tels que Dshot et Oneshot utilisent le même concept de rapport cyclique, mais avec une transmission de signal beaucoup plus rapide et des schémas de transmission de signal différents.
Vous pouvez également voir le rapport cyclique exprimé sous la forme d’une valeur comprise entre 0 et 1 024. Cela s’explique par le fait que la technologie a été développée autour de contrôleurs 8 bits. 2 options (marche / arrêt) avec un système 8 bits → 2¹⁰ → 1 024.
Ce système peut également servir à déterminer la tension de sortie de l’ESC.
Par exemple, 796 → 78 % « marche » par rapport à une sortie à 100 %.
Calcul du KV du moteur en tr/min
Dans une configuration sans charge, vous pouvez utiliser la valeur KV du moteur pour estimer sa vitesse en fonction de la tension fournie.
Comme nous l’avons vu dans notre article sur comment calculer le KV d’un moteur, nous pouvons remplacer la force électromotrice par la tension d’entrée dans cette équation afin d’estimer la vitesse de rotation de notre moteur électrique.
Utilisons comme exemple le moteur M50C35 EEE 9 KV de MAD Components. Il possède une tension maximale de 400 V et une valeur KV de 9 KV. En remplaçant ces chiffres dans la formule, nous obtenons une vitesse maximale de :
Ainsi, à plein gaz, ce moteur tournera à 3 600 tr/min. Si nous n’appliquions que 75 % de gaz, ce qui correspond à 300 V, il tournerait à une vitesse de 2 700 tr/min.
Conclusion
Comme nous l’avons démontré dans cet article, il existe plusieurs façons d’augmenter la vitesse du moteur.
La méthode la plus simple consiste à augmenter la tension fournie au moteur en augmentant la commande des gaz. Vous pouvez également réduire le couple, mais cela perturbe généralement davantage la conception ou l’objectif de l’UAV.
Si vous avez d’autres questions sur le fonctionnement des moteurs électriques et des UAV, veuillez consulter nos autres articles ou nous laisser un commentaire ci-dessous.