La fréquence de découpage d'un contrôleur : un compromis entre chaleur, bruit et précision
Un contrôleur découpe la tension de la batterie en impulsions, des milliers de fois par seconde, pour produire les courants du moteur. Le nombre de cycles par seconde s'appelle la fréquence de découpage, ou fréquence de PWM. Ce réglage discret influence la chauffe du contrôleur, celle du moteur, le bruit et la qualité de la commande. Il n'existe pas de bonne valeur universelle : seulement un compromis à trouver pour chaque couple contrôleur-moteur.
L'essentiel
- Plus la fréquence est élevée, plus les transistors du contrôleur chauffent à chaque commutation.
- Plus elle est basse, plus le courant du moteur ondule, ce qui chauffe le moteur et peut faire du bruit.
- Les moteurs à faible inductance demandent une fréquence plus élevée.
- La fréquence fixe aussi le rythme de la commande : elle limite la rapidité de la boucle de courant.
Ce que fait le découpage
Chaque phase du moteur est reliée alternativement au plus et au moins de la batterie. La proportion de temps passé de chaque côté fixe la tension moyenne. Les bobinages, grâce à leur inductance, lissent ces impulsions : le courant monte un peu pendant une impulsion, redescend pendant la suivante. Il garde ainsi une petite ondulation en dents de scie autour de la valeur voulue. Voir l'intérieur d'un contrôleur et la modulation vectorielle.
Monter la fréquence : avantages et prix
Ce qu'on gagne
- Moins d'ondulation de courant : le courant a moins de temps pour s'écarter entre deux impulsions. Les pertes dans le moteur dues à cette ondulation diminuent.
- Moins de bruit audible : au-delà d'environ 20 000 cycles par seconde, la limite de l'oreille humaine, le sifflement du découpage n'est plus entendu.
- Une commande plus fine : le contrôleur mesure et corrige à chaque cycle ; plus de cycles, c'est une boucle de courant qui peut être plus rapide.
Ce qu'on paie
- Plus de pertes de commutation : à chaque basculement, un transistor dissipe un peu d'énergie. Doubler la fréquence double ces pertes. À fort courant, cela peut forcer à réduire le courant admissible.
- Plus de calcul : le microcontrôleur doit exécuter toute la commande à chaque cycle.
- Plus de perturbations électromagnétiques, à maîtriser par la conception du circuit.
Le rôle de l'inductance du moteur
L'ondulation de courant dépend directement de l'inductance du moteur : plus elle est faible, plus le courant varie vite à chaque impulsion. Les moteurs très puissants et compacts, à faible inductance, demandent donc une fréquence plus élevée pour garder une ondulation raisonnable. À l'inverse, un moteur moyeu de trottinette, d'inductance plus forte, se contente d'une fréquence plus basse.
C'est une raison pour laquelle on ne branche pas n'importe quel moteur sur n'importe quel contrôleur sans vérification : un moteur à très faible inductance sur un contrôleur à fréquence basse peut voir des pointes de courant importantes.
Le lien avec la vitesse du moteur
Pour bien reproduire une sinusoïde, il faut un nombre suffisant de cycles de découpage par tour électrique. Or la fréquence électrique augmente avec la vitesse et le nombre de pôles (voir notre guide sur le Kv, le Kt et les pôles). À très haute vitesse sur un moteur à nombreux pôles, une fréquence de découpage trop basse dégrade la commande.
Trouver le compromis
Sur les contrôleurs de petits véhicules électriques, la fréquence se situe généralement entre une dizaine et quelques dizaines de milliers de cycles par seconde. Le choix se fait en regardant :
- la température des transistors du contrôleur à fort courant ;
- la température du moteur à vitesse stabilisée ;
- le bruit, à basse vitesse surtout ;
- la qualité de la commande à la vitesse maximale.
Le conseil de l'atelier
Ne changez la fréquence de découpage qu'avec une raison précise et un moyen de mesurer les températures. Le réglage d'usine d'un contrôleur correspond en général à la conception de son étage de puissance.
Questions fréquentes
Pourquoi mon moteur siffle-t-il à basse vitesse ?
Le découpage fait vibrer légèrement les bobinages. Si sa fréquence est dans la plage audible, on l'entend, surtout à basse vitesse quand le reste est silencieux. Une fréquence plus élevée réduit ce sifflement, au prix d'un peu plus de chauffe du contrôleur.
Une fréquence plus élevée est-elle toujours meilleure ?
Non. Elle réduit l'ondulation et le bruit, mais augmente les pertes du contrôleur. Au-delà d'un certain point, le contrôleur chauffe davantage sans bénéfice sensible pour le moteur.
La fréquence de découpage change-t-elle l'autonomie ?
Un peu : elle déplace les pertes entre le contrôleur et le moteur. Bien choisie pour le couple contrôleur-moteur, elle minimise le total. L'effet reste faible devant celui de la vitesse et du style de conduite.