Avant d’explorer les détails de la « Modulation de Largeur d’Impulsions », il est essentiel de comprendre un peu mieux comment fonctionne un moteur à courant continu.

Avec les moteurs pas à pas, le moteur à courant continu avec aimant permanent (PMDC) est le type de petit moteur à courant direct le plus couramment utilisé, offrant une vitesse de rotation continue qui peut être facilement contrôlée. Les petits moteurs à courant continu sont idéaux pour des applications nécessitant un contrôle de la vitesse, telles que dans les petits jouets, modèles, robots et autres circuits électroniques.

Un moteur à courant continu se compose essentiellement de deux parties : le corps stationnaire du moteur appelé « Stator » et la partie intérieure qui tourne, produisant le mouvement, appelée « Rotor ». Dans les machines à courant continu, le rotor est communément nommé « Armature ».

Généralement, dans les petits moteurs à courant continu légers, le stator se compose d’une paire d’aimants permanents fixes produisant un flux magnétique uniforme et stationnaire à l’intérieur du moteur, ce qui donne à ces types de moteurs leur nom de « moteur à courant continu à aimant permanent » (PMDC).

L’armature des moteurs se compose de bobines électriques individuelles reliées entre elles dans une configuration circulaire autour de son corps métallique, produisant un système de champs de type nord-sud-nord, etc.

Le courant circulant à l’intérieur de ces bobines de rotor produit le champ électromagnétique nécessaire. Le champ magnétique circulaire produit par les enroulements de l’armature génère à la fois des pôles nord et sud autour de l’armature, qui sont repoussés ou attirés par les aimants permanents du stator, produisant un mouvement de rotation autour de l’axe central du moteur, comme indiqué.

Moteur à Aimant Permanent à 2 Pôles

Au fur et à mesure que l’armature tourne, le courant électrique est transmis des bornes du moteur au prochain ensemble d’enroulements de l’armature via des balais en carbone situés autour du collecteur, produisant un autre champ magnétique. Chaque fois que l’armature tourne, un nouvel ensemble d’enroulements est alimenté, forçant l’armature à tourner de plus en plus.

La vitesse de rotation d’un moteur à courant continu dépend donc de l’interaction entre deux champs magnétiques, celui établi par les aimants permanents fixes du stator et l’autre par les électroaimants tournants de l’armature. En contrôlant cette interaction, nous pouvons contrôler la vitesse de rotation.

Le champ magnétique produit par les aimants permanents du stator est fixe et donc ne peut pas être modifié. Cependant, en modifiant la force du champ électromagnétique de l’armature en contrôlant le courant circulant à travers les enroulements, un flux magnétique plus ou moins grand sera produit, entraînant une interaction plus forte ou plus faible et donc une vitesse plus rapide ou plus lente.

Ensuite, la vitesse de rotation d’un moteur à courant continu (N) est proportionnelle à la tension inverse (V_b) du moteur divisée par le flux magnétique (qui est constant pour un aimant permanent) multiplié par une constante électromécanique dépendant de la nature des enroulements de l’armature (K_e), ce qui nous donne l’équation : N ∝ V/K_eΦ.

Alors, comment contrôlons-nous le flux de courant à travers le moteur ? Eh bien, de nombreuses personnes tentent de contrôler la vitesse d’un moteur à courant continu en utilisant un grand résistor variable (rheostat) en série avec le moteur, comme montré.

Bien que cela puisse fonctionner,comme cela se fait avec les courses de voitures Scalextric, cela génère beaucoup de chaleur et d’énergie perdue dans la résistance. Une méthode simple et efficace pour contrôler la vitesse d’un moteur est de réguler la quantité de tension à ses bornes, ce qui peut être réalisé grâce à la « Modulation de Largeur d’Impulsions » ou PWM.

Comme son nom l’indique, le contrôle de vitesse par modulation de largeur d’impulsions fonctionne en alimentant le moteur avec une série d’impulsions « ON-OFF » et en variant le rapport cyclique, la fraction de temps pendant laquelle la tension de sortie est « ON » par rapport à quand elle est « OFF », tout en maintenant la fréquence constante.

La puissance appliquée au moteur peut être contrôlée en variant la largeur de ces impulsions appliquées et ainsi en modifiant la tension continue moyenne appliquée aux bornes du moteur. En changeant ou en modulant le timing de ces impulsions, la vitesse du moteur peut être contrôlée, c’est-à-dire que plus l’impulsion est « ON » longtemps, plus le moteur tournera vite, et inversement, plus l’impulsion est « ON » brièvement, plus le moteur tournera lentement.

En d’autres termes, plus la largeur de l’impulsion est grande, plus la tension moyenne appliquée aux bornes du moteur est élevée, plus le flux magnétique à l’intérieur des enroulements de l’armature est fort, et plus le moteur tournera vite, comme montré ci-dessous.

Forme d’Onde de Modulation de Largeur d’Impulsions

L’utilisation de la modulation de largeur d’impulsions pour contrôler un petit moteur a l’avantage que les pertes de puissance dans le transistor de commutation sont réduites, car le transistor est soit complètement « ON », soit complètement « OFF ». En conséquence, le transistor de commutation a une dissipation de puissance considérablement réduite, offrant un contrôle de type linéaire qui permet une meilleure stabilité de vitesse.

De plus, l’amplitude de la tension du moteur reste constante, donc le moteur fonctionne toujours à pleine puissance. Le résultat est que le moteur peut tourner beaucoup plus lentement sans caler. Alors, comment pouvons-nous produire un signal de modulation de largeur d’impulsions pour contrôler le moteur ? C’est facile, utilisez un circuit oscillateur astable 555 comme montré ci-dessous.

Ce circuit simple basé sur la puce timer NE555 ou 7555 est utilisé pour produire le signal de modulation de largeur d’impulsions requis à une sortie à fréquence fixe. Le condensateur de temporisation C est chargé et déchargé par le courant circulant à travers les réseaux de temporisation R_A et R_B, comme nous l’avons vu dans le tutoriel sur le timer 555.

Le signal de sortie à la broche 3 du 555 est égal à la tension d’alimentation, commutant les transistors complètement « ON ». Le temps nécessaire pour que C soit chargé ou déchargé dépend des valeurs de R_A et R_B.

Le condensateur se charge à travers le réseau R_A mais est détourné à travers le réseau résistif R_B et à travers la diode D₁. Dès que le condensateur est chargé, il est immédiatement déchargé à travers la diode D₂ et le réseau R_B dans la broche 7. Pendant le processus de décharge, la sortie à la broche 3 est à 0 V et le transistor est commuté « OFF ».

Le temps nécessaire pour que le condensateur C passe par un cycle complet de charge-décharge dépend des valeurs de R_A, R_B et C avec le temps T pour un cycle complet donné par :

Le temps, T_H, pendant lequel la sortie est « ON » est : T_H = 0.693(R_A).C

Le temps, T_L, pendant lequel la sortie est « OFF » est : T_L = 0.693(R_B).C

Le temps total du cycle « ON »-« OFF » est donné par :  T = T_H + T_L  avec la fréquence de sortie étant ƒ = 1/T

Avec les valeurs de composants indiquées, le rapport cyclique de la forme d’onde peut être ajusté d’environ 8,3 % (0,5 V) à environ 91,7 % (5,5 V) en utilisant une alimentation de 6,0 V. La fréquence astable est constante à environ 256 Hz et le moteur est commuté « ON » et « OFF » à ce rythme.

La résistance R₁ plus la partie « supérieure » du potentiomètre, VR₁, représentent le réseau résistif de R_A. Tandis que la partie « inférieure » du potentiomètre plus R₂ représentent le réseau résistif de R_B ci-dessus.

Ces valeurs peuvent être modifiées pour s’adapter à différentes applications et moteurs à courant continu, mais tant que le circuit astable 555 fonctionne suffisamment vite à quelques centaines de Hertz au minimum, il ne devrait y avoir aucune saccade dans la rotation du moteur.

La diode D₃ est notre ancienne favorite, la diode de roue libre, utilisée pour protéger le circuit électronique de la charge inductive du moteur. De plus, si la charge du moteur est élevée, mettez un dissipateur thermique sur le transistor ou MOSFET de commutation.

La modulation de largeur d’impulsions est une excellente méthode pour contrôler la quantité d’énergie fournie à une charge sans dissiper d’énergie perdue. Le circuit ci-dessus peut également être utilisé pour contrôler la vitesse d’un ventilateur ou pour atténuer la luminosité des lampes à courant direct ou des LED. Si vous devez contrôler quelque chose, utilisez la Modulation de Largeur d’Impulsions pour le faire.