Alimentation des locomotives avec une tension hachée

Bonjour,

J'ai mis en ligne le premier d'une série de 4 articles expliquant le fonctionnement de ce type d'alimentation. L'objectif est de faire comprendre dans quelles conditions ces alimentations fonctionnent correctement. Pour la petite histoire, c'est patniste qui m'avait demandé des explications suite à des discussions un peu houleuses il y a quelques mois.

Le but final est de substituer la rationalité aux légendes urbaines à propos des moteurs à rotor sans fer.

Ces articles de sont pas de moi mais d'un ami (quand j'ai discuté avec lui du sujet, il m'a donné un document qu'il avait rédigé il y a une dizaine d'années). J'ai apporté des modifications : suppression des équations complexes et remplacement par des explications textuelles, ajout d'exemples, ... Il n'y aura pas d'exponentielles, de logarithmes ou de calcul différentiel et intégral.

Le premier article explique le fonctionnement d'un moteur (qu'il soit à rotor sans fer ou non, du point de vue électrique (pas du point de vue électromécanique) et son comportement avec une tension hachée

C'est par ici :

http://modelleisenbahn.triskell.org/spip.php?article44

Le texte n'est pas gravé dans le marbre. Il faut s'accrocher un peu mais si il y a des problèmes de compréhension, n'hésitez pas à le dire, je tenterai d'y remédier.

J'attends vos retours

Merci Jlb pour cet excellent article. Enfin un dossier complet sur ce sujet qui suscite bien des débats sur les forums modélistes. J'attends les chapitres suivants avec impatience !

Par curiosité, est-il tout de même possible d'accéder à une version incluant exponentielles, logarithmes, calcul différentiel / intégral ? 8)Par MP ?

Merci SavignyExpress

Je mettrai les équations en annexe, il faut que je les mettent en images pour le web. Mettrai aussi un PDF avec l'ensemble des articles en 1 document quand la série sera terminée

Bonjour jlb
 
L'article est interessant, tout comme Savignyexpress j'attends la suite avec impatience.

Une question cependant : dans l'article, les caractèristiques de la loco Roco BR 220 servent d'exemple pour développer les calculs, mais quand il est dit que
Entraînant huit wagons sous une tension de 7,5V, elle consomme un courant d’environ 355mA
On en déduit :

le fcem du moteur : 7,5V - 13
× 355mA = 2,89V ;

la puissance électrique : 7,5V × 355mA = 2,66W ;

la puissance mécanique fournie : 2,89V × 355mA = 1,02W ;

les pertes par effet Joule : 13
× 355mA × 355mA = 1,64W.

Quid de l'intensité consommée dans l'éclairage ??? La mesure des 355 mA a-t-elle été faite lampes enlevées ou débranchées ? Si oui, les calculs sont justes, sinon...

Bonjour DMARRION

Après enquête, il s'avère que la loco est une BR 80 et non une 220. J'ai rectifié l'article (mon copain est plus fort en électrotechnique qu'en identification de modèle). Il n'y a pas d'éclairage sur cette loco.

A priori j'ai bien fait de poser cette question et j'en suis bien content pour tous

Voici la suite. Pas d'équation, pas de formule pour que ça reste compréhensible par le plus grand nombre. Les équations et formules viendront dans un 3e opus.

Même remarques que dans le premier message du fil : si des passages ne sont pas clairs, dites le, j'essayerai d'améliorer

C'est ici : http://modelleisenbahn.triskell.org/spip.php?article45

Pfffouuuu, je suis sur que je devrais trouver pas mal de réponses aux questions que je me pose avec DR, mais je vais prendre le temps de bien lire tout ça à tête reposée, avec une aspirine pas loin . Mais je vais m'accrocher !!!  

Bonjour,

Il y a eu un très bon article dans la revue d'électronique Circuit Cellar qui traite de la précision d'une commande en fonction de la fréquence de commutation.
Pour faire simple, l'auteur démontre que plus la fréquence augmente, moins la précision est bonne.

En ce qui concerne la fréquence du PWM, la problématique n'est pas la même suivant que le moteur est piloté par un décodeur embarqué ou par un générateur extérieur à la locomotive.
Dans le cas d'un générateur extérieur, il faut prendre en compte le câblage et ses caractéristiques : résistance, inductance, capacité ... sans oublier le rayonnement (les perturbations ne sont pas les mêmes à 100 Hz qu'à 20 KHz).

As tu vérifié que ce que tu écrit est valable avec un morceaux de câble de 10 ou 20 mètres ?
Certains réseaux pilotés en analogique ont des longueurs de câblage entre la voie et les cartes de commande qui peuvent atteindre ces longueurs.

Bonjour,

Tout d'abord c'est une étude théorique destinée à mettre en lumière un phénomène. Si on mesurait tout cela avec un oscillo, on aurait plein de parasites et de glitches dans tous les sens.

Mais j'ai des éléments de réponse car le système analogique (en fait c'est du numérique mais les décodeurs ne sont pas embarqués dans les locos) fonctionne et nous pensons savoir pourquoi.

Dans notre équipement, les cartes d'alimentation de canton sont reliées par un bus CAN ce qui permet de les mettre proches des cantons. C'est donc le bus CAN qui ferait 10m environ (on peut monter à 40m en 1Mb/s). Sur mon réseau je ne dépasse pas 1m entre une carte d'alimentation et son canton. Je préfère répartir les cartes pour éviter de câbler en étoile 4 fils par canton et puis mon réseau est petit. Mais ...

Sur les 3 réseaux que nous construisons, le réseau le plus avancé est celui Philippe. Il s'agit d'un grand réseau en H0 (un U de 6x6m environ) et c'est sur ce réseau que nous faisons la mise au point depuis un an. Pour l'instant nous avons 12 alimentations en fonction. Elles sont centralisées pour faciliter la mise au point et le resteront car Philippe veut les mettre dans un tiroir au milieu du U de son réseau. Les câbles qui les relient aux cantons atteignent donc 8-10 mètres.

Nous n'avons pas relevé de problèmes de régulation de vitesse avec cette longueur de câbles (une fois les bugs du logiciel des cartes d'alimentation corrigés ). Les ralentis sont impeccables, y compris en UM avec une loco en traction et l'autre en pousse séparées par une rame de 5 voitures et donc alimentées par 2 alimentations séparées pendant une longue durée. La fréquence de PWM que nous avons choisi est de 32KHz, ce qui est le max que nous puissions faire avec les PIC 18F26K80 à 64MHz. Je ne cache pas que lors de la mise au point, j'ai été tenté à plusieurs reprises de critiquer cette longueur de câble mais j'ai eu à chaque fois tort car le soucis venait d'un bug informatique ou a été réglé par une modification du hard de la carte alimentation (concernant la FCEM des cantons vides qui n'était pas nulle, une résistance de 100k au bon endroit a fait rentrer les choses dans l'ordre).

Je pense que la raison du bon fonctionnement malgré la longueur de câble est dû à la bonne qualité de mesure de la FCEM et s'explique de la manière suivante :

- La mesure de FCEM est synchronisée sur les cantons. Par conséquent lors de la mesure, toutes les PWM sont coupées et il n'y a donc pas de rayonnement perturbateur (à part le 50 Hz, les téléphones portables, ... on baigne dans les rayonnements électromagnétiques mais c'est une autre histoire )
- La mesure de FCEM est effectuée sur 8 échantillons. Ces 8 échantillons sont triés puis les 2 plus faibles et les 2 plus forts sont écartés et une moyenne est faite sur les 4 restants
- Lors de la mesure, aucun courant ne circule par conséquent il n'y a pas de chute de tension dans les câbles ni d'influence des selfs parasites.

Comme la mesure est fiable (si elle ne l'était pas la régulation de vitesse ne fonctionnerait pas), les résistances et self parasites des câbles sont compensée par la régulation même si la PWM que voit le moteur de la loco est sans doute bruitée un peu effondrée et de manière générale pas très belle.

Les cartes alimentations actuelles sont mises au point depuis un peu plus d'un an. Quelques modifications matérielles ont été effectuées mais surtout beaucoup de mise au point de logiciel. Le passage d'un canton au suivant nous a causé quelques soucis, la loco faisait un bond quand les deux régulations se tiraient dans les pattes. Maintenant les 2 alims se « mettent d'accord » sur celle qui a raison. Nous somme actuellement à régler des pb d'erreurs sur le bus CAN avec peut-être un changement de câblage pour de la paire torsadée. Le taux d'erreurs n'est pas tel que les contrôleurs CAN passent bus-off mais c'est agaçant

Nous allons bientôt faire un nouveau prototype intégrant les modifications matérielles. Ensuite ça sera la série : 30 cartes 4 alimentations pour les 120 cantons des 3 réseaux.

jlb a écrit:

Le passage d'un canton au suivant nous a causé quelques soucis, la loco faisait un bond quand les deux régulations se tiraient dans les pattes. Maintenant les 2 alims se « mettent d'accord » sur celle qui a raison.

Quel principe utilisez vous pour que les 2 Alims s'accordent au lieu d'avoir une loco à cheval sur les 2 cantons qui verrait la somme des 2 PWM ?

La comme ça je ne voie pas quelle ruse vous avez trouvé.  

derf

Il y a deux principes :

Le premier est que les PWM soient synchronisées. Pour cela, la contrôleur centrale diffuse un top synchronisation à 32kHz. Les micro-contrôleurs des cartes alimentation reçoivent ce signal et asservisse la génération de PWM. Donc sur toutes les cartes alimentation, les cycles de PWM sont simultanés. De même, il y a un signal de mesure de vitesse diffusés toutes les 10ms. Ceci avait été pris en compte dans la conception initiale.

Le second est plus compliqué.

La régulation de vitesse utilise un asservissement proportionnel intégral. Quand un canton est inoccupé, c'est le cas d'un canton qui va accueillir une rame en déplacement et qui donc a reçu la consigne de vitesse associée à cette rame, il mesure une fcem nulle. L'asservissement fait donc partir la PWM à fond. En effet la fcem nulle correspond à une absence de loco mais aussi à une loco qui ne suit pas la consigne. À cause de cela, quand la loco entre enfin dans ce canton, elle fait un bond le temps que l'asservissement se calme.

Le problème a été résolu via le logiciel. Toutes les 10ms, les cartes alimentation diffusent une trame CAN comportant le numéro de loco, la valeur de la PWM et le composante proportionnelle de l'asservissement. Les cantons vides de loco on une valeur de PWM et une composante proportionnelle plus grande que les cantons occupés par une loco. Donc chaque carte compare sa valeur de PWM/composante intégrale aux valeurs reçues (pour le même numéro de loco) et prend le minimum. De cette manière, un canton que quitte une loco passe ses paramètres de régulation au canton qui accueille la même loco et la transition se passe sans encombre. Ça marche aussi avec plusieurs canton comme ça peut se produire dans les zones d'aiguilles.

La constante I de la régulation PI ne doit pas être bien importante ?

Le gain proportionnel et le gain intégral sont réglables de manière à adapter la régulation à chaque loco.

Mais comme ce n'est pas moi qui ait écrit le logiciel, je ne vais pas pourvoir te répondre précisément tout de suite, il faut que je demande à l'auteur. Mais de mémoire, il me semble que le gain intégral est plus faible que le gain proportionnel.

Merci, mais ne prend pas la peine de m'apporter une réponse.
Je suis automaticien de formation et c'était juste une réflexion par rapport à mes souvenirs sur mon expérience des régulateurs PID auto adaptatifs ou non.

je doute de l'intérêt de rendre le gain et le terme intégral réglables en modélisme ferroviaire d'autant qu'il n'y a pas besoin de terme dérivé ce qui démontre que le système est naturellement stable (système du 1er degré je pense) et qu'un réglage doit convenir à la majorité des loco.
Le réglage des paramètres d'un régulateur s'effectue suivant des méthodes (Ziegler et Nichols - Anström et Hägglund); je ne vois pas très bien la mise en application en modélisme.

Il ne semble pas que dans le gain et le terme intégral soit réglables dans un décodeur DCC.
N'étant pas un spécialiste du DCC, je m'en remets aux connaisseurs pour confirmer ou infirmer.

Si un réglage convient à la majorité des locos, c'est tant mieux

Je ne suis pas automaticien, Pierre non plus. Nous connaissons les bases. Par prudence, Pierre a prévu que ça soit réglable. C'est une fonction nécessaire pour régler les gains du régulateur en tâtonnant. Si les essais montrent qu'un réglage convient à toutes les locos, on mettra ça en dur.

Si ça ne t'embête pas, je voudrais quand même te passer la façon dont le régulateur est implémenté, si tu pouvais y jeter un oeil.

ps: 1er degré = 1er ordre ?

Oui 1er degré = 1er ordre (trop rapide)

Je veux bien regarder l'implémentation du régulateur si cela t'es utile.

Ok, je vais mettre ça en forme la semaine prochaine.

Concernant les régulateurs dans les décodeurs DCC, j'ai trouvé dans la doc de ce décodeur Viessmann les CV 51 (gain intégral) et 52 (gain proportionnel), page 13 : http://www.viessmann-modell.com/shop/media/pdf/english/5243_92108_02_DE-EN_web.pdf

Bien vu et il y a même la dérivée.

michel.b01 a écrit:

Pfffouuuu, je suis sur que je devrais trouver pas mal de réponses aux questions que je me pose avec DR,

Michel,

Je t'ai calculé les pertes Joule à 5kHz sous 12V (conduction discontinue) : 2.26W, +38% par rapport aux pertes en continu.

Bonjour,

La suite, les formules et équations (SavignyExpress si tu me lis ) pour la conduction discontinue. C'est à partir de cela que les tableaux de l'article précédent ont été calculés.

http://modelleisenbahn.triskell.org/spip.php?article47

À lire si vous voulez aller au fond des choses

Je vais sans doute plus tard mettre un calculateur en ligne sur mon blog pour que chacun puisse jouer avec.

jlb a écrit:

La suite, les formules et équations (SavignyExpress si tu me lis ) pour la conduction discontinue. C'est à partir de cela que les tableaux de l'article précédent ont été calculés.

Merci beaucoup pour les équations bien décrites et documentées.

Bonjour

Merci SavignyExpress

Le dernier article de la série : les équations en conductions continue.
À lire si vous voulez aller au fond des choses

http://modelleisenbahn.triskell.org/spip.php?article51

@SavignyExpress : Où en es tu avec le calcul des pertes Joule pour de la Pulse Frequency Modulation ?

jlb a écrit:

@SavignyExpress : Où en es tu avec le calcul des pertes Joule pour de la Pulse Frequency Modulation ?

Bonjour Jlb,

Pas très loin...  

Ces temps-ci, je suis plutôt occupé par la gare du réseau de Jappy. La carte avec l'Atmega8 est terminée, encore quelques tests de toutes les cartes avant de reprendre la programmation. J'ai déjà plusieurs éléments: lecture du clavier analogique (à lire prochainement sur mon blog), commande des relais. Je dois encore reprendre la programmation des machines d'états et l'activation des sorties en fonction de chaque état. Pour éviter l'explosion combinatoire des états, j'ai préféré plusieurs machines en parallèle plutôt qu'une grande.

Bon début de semaine.

Bonjour Jlb,

Je reprends mes réflexions sur la Pulse Frequency Modulation et je suis en train de relire avec attention les 4 articles Tension hâchée et pertes Joule de ton blog.

Je vais certainement pouvoir ré-utiliser une partie des développements, en adaptant les bornes d'intégration ainsi que certaines variables.

J'ai toutefois une question quant à l'affirmation suivante tirée du 1er article. Je comprend bien la seconde partie de la phrase, conséquence directe de la définition de valeur efficace, valeur du courant continu qui produirait la même énergie dans une résistance que le signal. La 1ère partie de l'affirmation est moins claire !

La puissance mécanique est fonction de la valeur moyenne du courant dans le moteur, tandis que les pertes Joule sont fonction du carré du courant efficace.

Merci.