Par Michele Lorusso et Soudeh Tavousi
Les interférences électromagnétiques (EMI) constituent un problème courant et souvent frustrant lors des essais de systèmes de propulsion de drones. Les symptômes liés aux EMI peuvent entraîner des interruptions des essais, en particulier dans les configurations de test à forte puissance, où les moteurs, les ESC et les équipements de mesure fonctionnent simultanément.
En pratique, il peut être difficile d’identifier une source unique d’EMI. D’après notre expérience avec plusieurs systèmes d’essai clients, les problèmes liés aux EMI se résolvent souvent grâce à une disposition soignée des composants, à un câblage adapté et à de bonnes pratiques de mise à la terre. Lorsque les mesures passives ne suffisent pas, des techniques d’atténuation actives peuvent être utilisées pour mieux isoler les composants électroniques sensibles.
Cet article présente les sources courantes d’EMI lors des essais de drones et des méthodes pratiques pour les réduire.
Figure 1 : Configuration d’essai d’un système de propulsion de drone avec le Flight Stand 15
Table des matières
- Sources des EMI lors des essais de drones
- Composants du système de propulsion
- Équipement d’essai
- Environnement d’essai
- Comment réduire les EMI
- Comment mesurer les EMI
- Procédure de réduction des EMI
- Techniques passives de réduction des EMI :
- Modifications du câblage
- Boucles de masse et mise à la terre
- Sources mécaniques d’EMI et isolation
- Perles de ferrite et filtres EMI
- Connexions
- Techniques actives de réduction des EMI :
- Isolation des masses
- Exemple : optocoupleur
1. Sources des EMI lors des essais de drones
Les EMI se manifestent souvent par des déconnexions intermittentes plutôt que par des pannes constantes, ce qui complique l’identification de leur cause profonde.
Les EMI peuvent provenir de sources mécaniques comme électriques. Parmi les sources mécaniques figurent les étincelles ou les contacts intermittents de composants tels que les démarreurs d’allumage ou les relais. Les sources électriques comprennent les composants électroniques à commutation rapide, les convertisseurs de puissance et les signaux de commande numériques. Comprendre la nature de la source aide à déterminer où concentrer les efforts d’atténuation.
Voici quelques sources courantes d’EMI lors des essais de drones.
Composants du système de propulsion
Dans les environnements d’essai de drones, les EMI sont principalement générées par les composants qui consomment beaucoup de puissance ou commutent rapidement. Les moteurs et les ESC y contribuent fortement, notamment en raison des transitoires de courant élevés et de la commutation PWM. Les câbles haute tension de la batterie peuvent également rayonner du bruit, et les câbles longs peuvent agir comme des antennes.
Figure 2 : Système de propulsion de drone monté sur le Flight Stand 50
Lorsque vous achetez un nouveau composant pour votre configuration d’essai de propulsion, lisez attentivement le manuel d’utilisation et repérez les consignes spécifiques concernant la réduction des EMI. Nous avons rencontré certains modèles d’ESC et de pompes de refroidissement qui semblent ajouter des EMI à un système. Les fabricants de ces composants indiquent souvent des mesures d’atténuation supplémentaires dans leurs manuels et leurs fiches techniques : consultez ces documents pour obtenir des conseils.
Équipement d’essai
Les équipements d’essai, tels que les unités de mesure et les alimentations externes, complexifient davantage le système. Ils ajoutent du câblage, des chemins de mise à la terre supplémentaires et multiplient les possibilités de couplage du bruit avec les composants électroniques sensibles.
Voici un schéma d’une configuration d’essai de drone correctement agencée, comprenant un banc d’essai Flight Stand, un moteur, un ESC, une batterie, une unité de mesure électrique (EMU) et un Sync Hub :
Figure 3 : Configuration d’essai de propulsion correctement mise en place
En plus de connecter ainsi les composants du système, nous recommandons de brancher les appareils directement à l’ordinateur lorsque cela est possible et d’éviter d’utiliser des concentrateurs USB.
Environnement d’essai
Les conditions environnementales peuvent influencer le comportement des EMI de manière subtile, mais significative.
La température influe sur le comportement de commutation des semi-conducteurs : les composants plus chauds commutent généralement un peu plus lentement, tandis que les composants plus froids produisent des fronts plus nets qui augmentent les émissions haute fréquence. Les oscillateurs et les horloges peuvent également dériver en fonction de la température.
L’humidité affecte principalement la conductivité de surface et le couplage, plutôt que les émissions directement. Une faible humidité favorise l’accumulation de charges statiques et accroît le risque de décharges électrostatiques (ESD), tandis qu’une forte humidité peut augmenter les courants de fuite en surface sur les câbles et les circuits imprimés et atténuer légèrement les champs rayonnés.
La température et l’humidité modifient ensemble les propriétés diélectriques de l’air, ce qui peut légèrement affecter la propagation électromagnétique et le couplage des antennes.
Bien que ces effets soient généralement faibles et souvent inférieurs à 1 à 3 dB, ils peuvent contribuer à des variations qui font apparaître les problèmes d’EMI sous forme de déconnexions intermittentes plutôt que de pannes reproductibles.
2. Comment réduire les EMI
Comment mesurer les EMI
Les EMI dans une configuration d’essai de propulsion sont généralement évaluées à l’aide de mesures en champ proche et d’une analyse fréquentielle, afin de repérer les sources d’émissions et les chemins de couplage.
Pour une première évaluation des EMI, nous recommandons notamment un oscilloscope pour vérifier la présence de boucles de masse et un analyseur de spectre pour une analyse fréquentielle plus détaillée.
Figure 4 : Un oscilloscope (à gauche) et un analyseur de spectre (à droite)
Pour les analyses d’EMI plus poussées, notre équipe chez Tyto a également utilisé du matériel supplémentaire, notamment une sonde magnétique de champ proche, un préamplificateur en ligne à faible bruit, un atténuateur fixe pour protéger l’entrée et garantir la linéarité, ainsi qu’un oscilloscope muni d’une sonde différentielle pour mettre en corrélation les émissions spectrales et le comportement de commutation sur les lignes d’alimentation et de signal. Ce matériel supplémentaire n’est pas nécessaire pour un dépannage de base.
Figure 5 : Une sonde différentielle haute tension, utile dans certains cas, mais superflue pour le dépannage de base des EMI
Pour établir le niveau de bruit de fond des instruments, mettez tout l’équipement hors tension et effectuez un balayage en champ proche selon une géométrie fixe : maintenez la sonde de champ magnétique à une distance constante du châssis, utilisez un chemin d’impédance fixe, des réglages de bande passante fixes et une configuration de préamplificateur fixe, puis considérez le niveau de référence obtenu comme le bruit de fond local à des fins de comparaison.
Utilisez la sonde magnétique de champ proche pour balayer les moteurs, les ESC, les câbles et les surfaces du châssis. Les émissions observées sur une large plage de fréquences sont interprétées par rapport au bruit de fond local. Les bandes de fréquence élevées (à savoir celles qui dépassent le bruit de fond d’environ 20 dB) doivent être signalées pour une investigation et une atténuation supplémentaires.
Procédure de réduction des EMI
En cas de problèmes liés aux EMI, il est recommandé de commencer par des techniques passives de réduction. Ces méthodes privilégient la disposition du câblage, la stratégie de mise à la terre et la séparation physique, plutôt que l’ajout de nouveaux composants électroniques. La section suivante fournit plus de détails.
L’évaluation des conditions environnementales de votre laboratoire peut également vous indiquer si la température ambiante ou l’humidité contribue à la propagation des EMI.
Les techniques actives de réduction des EMI peuvent notamment consister à isoler les masses, comme l’explique l’exemple de la section 4 de cet article.
Les techniques passives suffisent souvent à résoudre les déconnexions lors des essais de drones et doivent être pleinement mises en œuvre avant de passer aux méthodes d’atténuation actives.
3. Techniques passives de réduction des EMI
Modifications du câblage
L’un des moyens les plus efficaces de réduire les EMI consiste à séparer les câbles d’alimentation haute puissance des câbles de données et de signal. Les câbles de même type doivent être regroupés. Les câbles de données doivent être torsadés ou réunis en faisceau, tout comme les câbles d’alimentation haute puissance.
Cela réduit la surface des boucles et limite le bruit rayonné. Il est également recommandé de raccourcir autant que possible les lignes PWM reliant le FMU à l’ESC afin de minimiser le captage du bruit.
Boucles de masse et mise à la terre
Les boucles de masse sont une source courante d’EMI lors des essais de propulsion.
Une boucle de masse se produit lorsque des appareils interconnectés, partageant plusieurs chemins de retour conducteurs, dont une masse commune, présentent des potentiels de tension différents. Cet écart peut n’être que d’une fraction de volt, mais il suffit à introduire des interférences dans le système.
Ces boucles permettent aux courants parasites de circuler et de se coupler aux composants électroniques sensibles. Il convient d’inspecter le câblage à la recherche de chemins en boucle et, dans la mesure du possible, de le réacheminer en formant des courbes régulières en S.
Pour éviter les boucles de masse dans une configuration Flight Stand, reliez la masse du Sync Hub à celle de la batterie en empruntant le chemin de plus faible impédance disponible, généralement le câble le plus court possible et de calibre adapté le plus faible.
Il faut éviter à tout prix les montages en guirlande. Un câblage en étoile est recommandé pour réduire les différences de potentiel de masse.
Figure 6 : Câblage en étoile correct (à gauche) et câblage en guirlande incorrect (à droite)
Il est essentiel de mettre correctement à la terre tous les composants conducteurs. Le banc d’essai lui-même doit être relié à la même référence de masse que la batterie et le Sync Hub, au moyen de la connexion la plus courte et de plus faible impédance possible.
En veillant à ce que tous les composants principaux partagent une référence de masse commune, on réduit les différences de potentiel et on empêche les courants indésirables de circuler dans les chemins de signal.
Figure 7 : Câbles de terre offrant au courant un chemin direct vers la terre (source : Electrotechnik)
Sources mécaniques d’EMI et isolation
Les EMI peuvent également provenir de sources mécaniques ou électromécaniques, telles que les démarreurs d’allumage, les relais ou les pompes de refroidissement. Ces appareils peuvent générer d’importantes EMI et décharges électrostatiques en raison d’étincelles, de contacts intermittents ou de variations rapides du courant, et sont souvent négligés dans les configurations d’essai de propulsion.
Pour les appareils qui génèrent beaucoup d’EMI, comme les systèmes d’allumage ou les pompes de refroidissement, il est recommandé de les alimenter à partir d’un connecteur ou d’un disjoncteur distinct de celui des composants électroniques sensibles. Il est essentiel que ces appareils ne partagent pas de chemins de masse avec le Flight Stand, l’ESC ou les équipements de mesure, afin d’éviter le couplage du bruit et des courants de décharge dans le système.
La séparation physique est également une technique d’atténuation efficace. Les appareils générant beaucoup d’EMI doivent être placés aussi loin que possible du Flight Stand. Pour des composants tels que les pompes, une distance minimale recommandée est d’environ 2 mètres.
Enfin, les appareils connus pour générer beaucoup d’EMI doivent être raccordés à une terre dédiée de faible impédance. Cela crée un chemin de décharge privilégié pour les décharges électrostatiques et les courants parasites, qui sont ainsi dirigés directement vers la terre plutôt que vers les composants électroniques sensibles.
Perles de ferrite et filtres EMI
Des perles de ferrite peuvent être utilisées pour supprimer le bruit haute fréquence sur les lignes de données et de signal. Installées sur ces câbles, elles peuvent atténuer les EMI sans perturber le fonctionnement normal des signaux.
Figure 8 : Une perle de ferrite sur un câble USB
Les filtres EMI réduisent le bruit haute fréquence indésirable en atténuant les interférences tout en permettant le fonctionnement normal de l’alimentation ou du signal. Ils sont généralement installés sur les entrées d’alimentation ou les interfaces de signal afin d’empêcher le bruit d’entrer dans le système ou d’en sortir.
Les perles de ferrite comme les filtres EMI présentent une plage de fréquences dans laquelle leur efficacité est maximale. Un analyseur de spectre peut servir à repérer les fréquences problématiques de votre système, puis à choisir une perle ou un filtre adapté. Par exemple, les perles de ferrite couramment utilisées sur les câbles USB sont généralement plus efficaces dans la gamme de quelques dizaines à quelques centaines de mégahertz, souvent autour de 100 MHz.
Ces techniques sont particulièrement utiles lorsque les modifications de la disposition du câblage ne suffisent pas à résoudre le problème et peuvent être mises en œuvre rapidement sans modifier la conception générale du système.
Connexions
Si les déconnexions liées aux EMI persistent, il peut être utile de débrancher temporairement les connexions de mesure non essentielles susceptibles de servir de points d’entrée au bruit.
Par exemple, débrancher le port de détection haute tension de l’EMU du Flight Stand peut aider à déterminer si cette connexion contribue au problème.
Réduire le nombre de chemins électriques menant aux composants électroniques sensibles améliore souvent la robustesse du système pendant les essais.
4. Techniques actives de réduction des EMI
Si les techniques passives de réduction des EMI ne résolvent pas le problème, il est possible de recourir à des méthodes d’atténuation actives. Elles interrompent directement les chemins de propagation du bruit, au lieu de simplement réduire le couplage.
Isolation des masses
Une approche active efficace consiste à isoler les masses entre l’ESC et le FMU. En interrompant la connexion directe à la masse, on empêche le bruit généré par les composants électroniques de forte puissance de se propager aux circuits analogiques et numériques sensibles.
L’isolation des masses est particulièrement utile lorsque les déconnexions de l’ADC ou les erreurs de communication persistent malgré un câblage et une mise à la terre soignés.
Les isolateurs analogiques et numériques peuvent tous deux contribuer à l’isolation des masses : les isolateurs analogiques pour les alimentations et les réseaux de distribution électrique, et les isolateurs numériques pour les ESC et autres équipements de transmission des signaux.
Exemple : optocoupleur
Un optocoupleur, ou optoisolateur, est un exemple d’isolateur numérique qui peut assurer l’isolation des masses tout en préservant l’intégrité du signal. Dans cette configuration, les signaux de commande sont transmis par voie optique plutôt qu’électrique, ce qui empêche le bruit de passer d’un domaine d’alimentation à un domaine de commande.
Figure 9 : L’optoisolateur SparkFun
Des optoisolateurs ont été utilisés avec succès pour isoler les lignes PWM ou de commande entre l’ESC et l’unité de mesure de force (FMU) du banc d’essai Flight Stand, réduisant considérablement les déconnexions liées aux EMI dans des environnements d’essai exigeants.
Voici, à titre d’exemple, le schéma de câblage de l’optoisolateur SparkFun :
Figure 10 : Schéma de câblage de l’optoisolateur SparkFun
Conclusion
Les interférences électromagnétiques sont inévitables lors des essais de systèmes de propulsion de drones, où des moteurs de forte puissance, des ESC et des composants électroniques à commutation fonctionnent aux côtés de systèmes de mesure et de commande sensibles. Les problèmes d’EMI se manifestent souvent par des déconnexions intermittentes plutôt que par des pannes reproductibles. Ils sont donc difficiles à diagnostiquer sans une approche systématique reposant sur la mesure des EMI, une disposition soignée du câblage et une mise à la terre adéquate.
La plupart des problèmes d’EMI lors des essais de propulsion peuvent être atténués par des techniques passives, comme la séparation des câbles d’alimentation et de données, l’élimination des boucles de masse, l’amélioration des chemins de mise à la terre et l’installation de perles de ferrite ou de filtres EMI aux interfaces critiques.
Lorsque les méthodes passives ne suffisent pas, des techniques actives de réduction des EMI, comme l’isolation des masses à l’aide d’optoisolateurs, peuvent mieux protéger les composants électroniques sensibles, améliorer la fiabilité des essais et garantir des résultats constants et reproductibles.