P09AB06
Générateur de commande PWM aléatoire pour hacheur survolteur
Projet GE2-GE3 2009
Client
M. Christophe PASQUIER
Auteurs
Laurent COSTE
Kamel EL MELOUANI
Kamel EL MELOUANI
Responsable projet
M. Christophe PASQUIER
Tuteur technique
M. Xavier CLAVAUD de la société Santerne Résocom
Sommaire
L'objectif du projet « Générateur PWM aléatoire pour un hacheur survolteur », proposé par M. PASQUIER, professeur et chercheur au LASMEA, est de réaliser une modulation à largeur d'impulsion (P.W.M : Pulse Width Modulation) qui aura comme spécificitée : un rapport cyclique fixe et une fréquence variant entre deux limites données par l'utilisateur. Actuellement, dans l’industrie et dans tous les systèmes utilisant une commutation hachée, nous avons un signal de commande avec une fréquence fixe, et donc, par l’intermédiaire d’une analyse spectrale, nous nous apercevons qu’il y a un pic de forte amplitude à la fréquence de commutation, ce qui crée des interférences électromagnétiques.
Le produit sortant sera donc de réaliser une carte de commande universelle, pour tous les types d’hacheur et dans toutes les gammes de fréquence. Pour tester cette carte de commande, nous devons réaliser une carte de puissance. Ces deux cartes formeront un ensemble permettant d’observer l’influence d’une telle commande sur la commutation d’interrupteurs de puissance et de valider les résultats théoriques.
L'idée principale est donc de générer une PWM dont la période sera variable suivant un cycle pseudo-aléatoire, tout en maintenant le rapport cyclique constant. Ce type de commande permet d’étaler sur une bande plus large, autour d'une fréquence moyenne, les interférences électromagnétiques et de diminuer l’amplitude de celles-ci. Ceci s'avère donc être bénéfique d'un point de vue C.E.M. Cette commande sera réalisée par un microcontrôleur M32C87 de chez Renesas, mis à disposition par le département Génie Electrique de Polytech’Clermont-Ferrand.
Mots clefs
- Hacheur survolteur
- Carte de commande pour interrupteur de puissance
- P.W.M. aléatoire (Modulation à Largeur d’Impulsion)
- Microcontrôleur
- Etalement du spectre de puissance
- C.E.M. (Compatibilité Electromagnétique)
The objective of the project “Random PWM Generator for a boost converter”, proposed by Mr. PASQUIER, professor and researcher at LASMEA (Research Laboratory in engineering sciences), is to achieve a special Pulse Width Modulation (PWM). The final product will be a command board and a power board. These two boards form a group to observe the effect of such a command on the switching of power switch and validate the theoretical results.
The main idea is to generate a PWM period which will vary according to a random cycle. The duty cycle will be fixed. We will use this type of command to spread Electromagnetic Interferences over a wider band around the switching frequency, and to reduce their peaks. This appears to be beneficial concerning Electromagnetic Compatibility. This command will be developed using a M32C87 microcontroller from Renesas, made available by the Department of Electrical Engineering of Polytech'Clermont-Ferrand.
Key Words
- Boost converter
- Command board for power switches
- Random P.W.M. (Pulse Width Modulation)
- Microcontroller
- E.M.C. (Electromagnetic Compatibility)
Dans le cadre de notre formation d’ingénieur au département Génie Electrique (GE) de Polytech’Clermont-Ferrand (anciennement C.U.S.T), nous devons réaliser un projet de type industriel, qui s’intitule « Générateur de commande PWM aléatoire d’un hacheur survolteur ». Ce projet s’étale sur nos deux dernières années de formation. Pour cela nous devons réaliser une étude de faisabilité en quatrième année (48 heures), en proposant une solution au client lors d'une revue d'appel d'offre, et la conception du produit en cinquième année (250 heures). Ce projet est proposé par le LASMEA, LAboratoire des Sciences et Matériaux pour l’Electronique et l’Automatique. Notre client est M. Pasquier, maître de conférence en compatibilité électromagnétique (C.E.M.) au département GE de Polytech’Clermont-Ferrand qui est rattaché au LASMEA. Nous avons pour nous aider et nous encadrer Mr. James, Mr. Laffont et Mr. Pasquier, enseignants au département GE de Polytech’Clermont-Ferrand et un tuteur industriel Mr Clavaud, ingénieur chargé de projet chez Santerne-Résocom.
De nos jours, dans le monde de l'industrie et également dans notre quotidien, nous avons à notre disposition de nombreux appareils alimentés en tension continue pour pouvoir fonctionner. Pour acheminer cette puissance et cette tension, il est nécessaire d'utiliser des appareils issus de l’électronique de puissance et donc le but du projet est de réaliser une carte de commande universelle pour commander des interrupteurs de puissance, avec un signal PWM à fréquence variable. Cela va permettre de diminuer l’influence des interférences électromagnétiques qui peuvent poser des problèmes d’un point de vue fonctionnement et CEM.
Ainsi, l’objectif de ce projet est de mettre en place cette commande sur microcontrôleur, afin de piloter ces interrupteurs et de valider les recherches menées par le LASMEA. Afin de bien nous rendre compte des résultats et pour une raison démonstrative, les études seront réalisées avec une carte de puissance utilisant un hacheur survolteur. Dans un premier temps, nous présenterons le sujet ainsi que le cahier des charges. Ensuite, nous nous intéresserons à la problématique, et enfin nous verrons le travail réalisé et les methodes pour mener à terme le projet.
Afin d'arriver au résultat, le système sera décomposé en plusieurs parties comme décrit dans le synoptique présenté en figure 1. Pour parvenir à le mettre en place, le département Génie électrique de Polytech’Clermont-Ferrand met à notre disposition une carte M32C87 de chez Renesas.
Figure 1 : Synoptique du projet
Tout d’abord, nous allons développer la partie commande en implantant un programme dans le microcontrôleur, permettant de réaliser une Modulation à Largeur d’Impulsion (MLI) particulière, dont la période variera d’un cycle à l’autre en maintenant un rapport cyclique constant.
Ensuite, nous réaliserons la partie puissance, qui aura pour rôle d'élever la tension d'entrée, qui sera du 12V, et de transmettre fidèlement le signal généré en sortie du M32. Cette partie aura un but démonstratif.
De plus, une isolation galvanique sera réalisée afin d’isoler galvaniquement la partie commande de la partie puissance. Elle sera rattachée à la carte de commande afin de la rendre universelle. Afin de permettre à l'utilisateur de rentrer les paramètres nécessaires à la commande, il aura à disposition une interface graphique facile et agréable, développée sur Labview.
Le but final est d’observer les interférences électromagnétiques, afin de conclure que leurs amplitudes sont atténuées lorsqu'on applique la commande MLI aléatoire car nous aurons réaliser un étalement du spectre de puissance. La figure 2 montre clairement ce phénomène.
Figure 2 : Densité spectrale d'un interrupteur de puissance
L’objectif est de fournir au client un produit composé de trois éléments :
- Une carte de commande
Cette partie devra fournir un code générant un signal MLI dont le rapport cyclique est maintenu constant et dont la fréquence doit varier aléatoirement d’un cycle à l’autre. Cette variation aléatoire de la fréquence se fait entre une fréquence minimale et maximale, plage qui est configurable suivant un spam entré par l’utilisateur.
Elle devra être isolée galvaniquement de la partie puissance afin d’éviter tout liant physique entre ces parties car les puissances mises en jeu sont totalement différentes.
- Une carte de puissance
La réalisation d’une carte de type hacheur (convertisseur continu – continu) met en œuvre un ou plusieurs interrupteurs commandés et permet de modifier la valeur de la tension d'une source de tension continue avec un rendement élevé.
Elle comportera l’interface entre les interrupteurs de puissance et la partie commande.
Elle devra aussi apporter la puissance nécessaire afin de piloter les interrupteurs. Enfin elle devra rendre fidèle le signal d’entrée à la grille de l’interrupteur.
- Une interface graphique
Nous devons mettre en place un logiciel de saisie des différents paramètres. Elle doit être facile d’accès c’est-à-dire que nous pouvons le faire fonctionner à partir d’un PC par l’intermédiaire d’une liaison série. Les paramètres à rentrer sont les suivants :
- Le rapport cyclique
- La fréquence centrale (entre 10 kHz et 150 kHz)
- Le biais que nous désirons (entre 5% et 40% de la fréquence central)
- La fréquence centrale (entre 10 kHz et 150 kHz)
- Le biais que nous désirons (entre 5% et 40% de la fréquence central)
Ainsi, on peut récapituler l’ensemble des fonctions à réaliser et les contraintes à respecter dans le Cahier des Charges Fonctionnel suivant :
Figure 3 : Cahier des Charges Fonctionnel
De nos jours, dans le monde de l'industrie et également dans notre quotidien, nous avons à notre disposition de nombreux appareils alimentés en tension continue pour pouvoir fonctionner. Pour acheminer cette puissance et cette tension, il est nécessaire d'utiliser des appareils issue de l’électronique de puissance. Cependant, les systèmes de commande et de puissance forment un système global, souvent confinés dans un espace restreint (prenons par exemple le cas d'un ordinateur). Les commutations des interrupteurs de puissance, utilisées pour assurer le bon fonctionnement du système, peuvent créer de nombreux problèmes tels que les interférences électromagnétiques, ceci est dût à la commutation hachée.
L’objectif sera donc de réaliser une commande permettant d’atténuer l’amplitude de ces interférences en les étalant sur une gamme de fréquence (autour d'une fréquence moyenne), afin que les appareils ne soient plus perturbés par ces dernières.
Ce projet a déjà été proposé à la promotion précédente, mais il n'a pas abouti en raison de la réduction de l'équipe de travail et de la partie puissance qui n'a pas été traitée. Par conséquent l'objectif sera de finaliser ce nouveau projet afin d'obtenir le produit souhaité. Lors de notre étude de faisabilité, nous avons rencontré quelques problèmes dû à la complexité du sujet. Pour la partie commande, nous avons réalisé cette étude sur Matlab, afin de voir les différentes méthodes pour créer une MLI pseudo-aléatoire. Au final nous utilisons une fonction interne de Matlab qui est la fonction ‘rand’. Nous sommes parvenus au résultat voulu, c’est-à-dire avoir une diminution de notre amplitude maximale de la densité spectrale.
En ce qui concerne la partie puissance, le cahier des charges nous demandait un hacheur survolteur. Nous avons tout de même étudié les différents types de puissance pouvant être utilisés, afin de savoir s'ils étaient faisables et enfin d'en choisir un seul, tout en comprenant son intérêt.
Nous avons réalisé une recherche bibliographique sur le fonctionnement des interrupteurs de puissance de type IGBT et MOSFET et sur l'architecture des drivers du commerce, mais aussi sur le M32 et ses méthodes pour créer un signal MLI aléatoire.
1. Modulation à Largeur d'Impulsion
A partir du microcontrôleur mis à notre disposition, nous allons créer le signal de commande de type Modulation à Largeur d’Impulsion (MLI) qui permettra de commander les interrupteurs de puissance. Pour cela, il nous faudra utiliser deux timers. Ce sont des périphériques matériels implantés dans le microcontrôleur permettant de fractionner le temps en tic (ou quantum), et donc pour simplifier cela permet de mesurer des durées. Nous utiliserons les timers A et B suivant différentes configurations :
- le timer A aura pour but d’appliquer le rapport cyclique
- le timer B configurera la période
De plus, comme notre période varie aléatoirement sur chaque nouveau cycle, nous devons lancer le calcul de la nouvelle période et donc de la nouvelle valeur du timer A pour avoir un rapport cyclique constant au début du cycle.
Figure 4 : Modulation à Largeur d'Impulsion pseudo-aléatoire
2. Génération nombre pseudo-aléatoire
Pour mener à bien notre projet nous devons créer une période aléatoire, le but de ce procédé c’est d’avoir un étalement du spectre de puissance pour diminuer l’amplitude maximale de notre signal. Pour cela, nous avons étudié principalement deux méthodes :
- la première consiste à faire un étalement avec une période qui croît d’un cycle à un l’autre. Avec cette méthode nous avons bien une diminution de notre amplitude maximale par rapport à une commande classique.
- la deuxième porte sur une période aléatoire. Grâce à cette méthode nous avons pu constater que l’amplitude était plus basse qu’avec la première méthode.
Notre choix s’est donc porté, tout naturellement, sur la réalisation d’un code de commande en utilisant la deuxième méthode. Le problème maintenant est de pouvoir réaliser un nombre aléatoire, afin de l’implanter dans notre microcontrôleur.
La génération d’un nombre aléatoire peut s’effectuer par l’intermédiaire d’un calcul d’une division polynomiale et nous utiliserons le reste de cette division pour créer un nombre aléatoire, car la probabilité d’avoir le même reste est très faible, cependant nous aurons une période pseudo-aléatoire.
Un polynôme P(x) est une fonction de x de la forme :
P(x) = FN * XN + FN-1 * XN-1 + ... + F0 * X0
La division de polynômes est une opération mathématique donnant comme résultat le calcul de deux valeurs polynomiales : un Quotient et un Reste (division euclidienne). Le degré du Reste est égal au plus à celui du Diviseur moins 1.
Dividende = Quotient * Diviseur + Reste
De plus cette méthode est simple à mettre en œuvre car nous allons utiliser le résultat du calcul du C.R.C. (Contrôle de Redondance Cyclique) de notre microcontrôleur car un algorithme de CRC donné utilise un polynôme particulier. Comme dans la division binaire, le résultat donne un quotient et un reste, mais vus comme un polynôme avec un coefficient binaires.
Mettre en application un algorithme de calcul de CRC revient à effectuer une division. Mais nous ne pouvons pas directement effectuer cette division. Nous allons donc effectuer une division, octet par octet, de la trame d'entrée. Le récepteur de la trame divisera la somme des octets de la trame + la valeur du CRC par le même polynôme.
Le choix du polynôme générateur est fonction de la qualité recherchée : le plus simple est d'utiliser ceux qui sont déjà définis, le CRC est codé sur 17 bit donc nous obtenons un polynôme de dégrée 16 :
P(x) = x16 + x12 + x5 + 1
Donc pour effectuer cette division, nous allons créer un " Registre de division " auquel nous passerons les octets de la trame. A la fin du calcul, le registre de division contient le reste de la division comme vous pouvez le voir sur le schéma précédent.
Figure 5 : Synoptique d'un générateur d'un nombre aléatoire
3. Hacheur Survolteur
Le fonctionnement du hacheur survolteur se décompose en 2 phases : la première est une phase d’accumulation d’énergie durant laquelle le courant dans l’inductance va augmenter. Cette dernière emmagasine de l’énergie sous forme magnétique. Durant la seconde phase, il y a un transfert de l’énergie vers la capacité, qui va fixer la tension continue de sortie.
La fonction de transfert du système est de la forme suivante :
Vo⁄Vi= 1⁄(1- α)
Cette dernière expression montre que la tension de sortie est toujours supérieure à celle d'entrée (le rapport cyclique variant entre 0 et 1), qu'elle augmente avec α. C'est pour cela que l'on parle de survolteur.
Son rôle dans notre projet est démonstratif. En effet, il s’agit d’un démonstrateur à courant et tension normale pour montrer que la commande M.L.I. aléatoire va moins polluer en rayonnement et en conduit. Ceci illustre que la commande spécifique utilisée va baisser les niveaux de pollution.
A l’entrée de la carte, la commande aléatoire générée attaque l’optocoupleur qui aura pour but d’isoler galvaniquement la commande de la puissance. Avant de commander le transistor Mosfet, un driver est utilisé pour aider à la commutation. Pour ce qui est de la puissance, la tenson d’entrée sera d’environ 12V et permettra d’obtenir en sortie une tension continue réglable de 13.3V à 120V.
Afin d'organiser notre travail, nous avons découpé notre projet en différentes tâches et sous-tâches. Le découpage correspondant à notre projet est le suivant :
Figure 6 : WBS (Work Breakdown Structure)
Dans le but de respecter l’échéance de la date à laquelle le projet doit être rendu, il nous a fallu établir un planning comportant les durées estimées du développement des différentes parties à réaliser. Après avoir crée les tâches et les sous-tâches, nous les avons placées sur le calendrier en estimant leurs durées, afin de bien rendre compte de l'avancement de notre projet, et des ressources utilisées. Le Gantt correspondant à cette répartition a été définie de la manière suivante :
Figure 7 : GANTT
Le fichier joint explique la methode à utiliser pour pouvoir créer un commande PWM à periode aléatoire.
Création d'une commande aléatoire
Dimensionnement et mise en oeuvre d'un hacheur survolteur
Lors de la deuxième année, notre travail a consisté en l’étude de faisabilité. Nous avons déterminé les solutions techniques faisables et choisi celles à retenir. De plus, nous avons effectué une étude technique afin de déterminer si le fait d’étaler notre signal sur une bande plus large en fréquence a réellement des résultats positifs d’un point de vue des interférences électromagnétiques. La diminution de l’amplitude de ces interférences nous a montré que c’était le cas.
Dès le début de la troisième année, une recherche bibliographique a été menée afin de pouvoir commencer les travaux de conception.
Tout d’abord, nous nous sommes répartis les tâches, en divisant le travail de la manière suivante : chaque étudiant s’occupe d’une partie, soit la partie commande, soit la partie puissance.
La partie commande a consisté à développer le code informatique permettant de générer un signal MLI à fréquence variable mais à rapport cyclique constant. Pour la partie puissance, réalisée par la deuxième personne de l’équipe, le travail a consisté à dimensionner les composants.
Une fois ce travail réalisé, nous nous sommes occupés de la sous-traitance. Notre équipe de deux étudiants GE2 a été chargée de saisir le schéma de la carte de puissance, et de faire le routage. Nous avons réservé une heure chaque séance pour le suivi de la sous-traitance afin de nous assurer du bon déroulement des travaux, ce qui nous a permis d’avoir une carte très correcte et dans les délais.
Les documents fournis (calques, fichiers sources, schémas, …), nous ont permis de faire tirer la carte au sein de l’atelier GE à Polytech’Clermont-Ferrand.
Parallèlement, nous avons géré la commande et l’approvisionnement des composants de la carte de puissance. Ces derniers ont ensuite été soudés sur la carte.
En ce qui concerne l’interface graphique, elle a été réalisée à l’aide du logiciel Labview. La communication série RS232 entre l’IHM et la carte de commande a également été finalisée, le réglage des paramètres de commande, ainsi que la génération du signal sont donc opérationnels.
Il reste à finaliser les tests sur la carte de puissance. Les tests de l’ensemble ont été réalisés : la commande spécifique a été testée sur la carte de puissance avec succès. Il reste cependant quelques points à éclaircir (retard du courant lors de la commutation et fréquence de commande.
A la fin de notre projet et à la vue des résultats obtenus, nous pouvons faire un bilan des travaux futurs et améliorations qui pourront constituer une possible reprise du sujet lors des années suivantes. En effet, après avoir validé la génération d’une MLI, utilisant deux timers, un pour la fréquence et l’autre pour le rapport cyclique et validé la génération d’un nombre aléatoire, de manière indépendante, le problème qui s’est posé a été la fréquence qui se limite à une valeur maximum de 70kHz.
Donc, il pourrait être intéressant pour les années suivantes de travailler sur l’optimisation de la commande par exemple. Ainsi une des perspectives serait de revoir le code informatique afin d’améliorer cette partie. De plus, il serait préférable, d’incorporer d’autres fonctionnalités sur cette partie.
Pour ce qui est de l’IHM, nous l’avons créé afin qu’elle soit ergonomique et simple d’utilisation. Nous ne voyons pas d’amélioration dessus, On pourrait tout de même rendre l’ensemble plus indépendant en y intégrant un clavier et un afficheur LCD afin de pouvoir régler les différentes variables mises en jeu (le Biais, la fréquence de commande et le rapport cyclique) indépendamment, pour former une maquette de test. De même pour la carte de commande microcontrôleur, que l’on pourrait flasher directement.
Enfin, sur cette maquette de test, on pourrait y ajouter un, voire plusieurs points d’observation sur lesquelles on pourrait obtenir les formes des interférences électromagnétiques.
En ce qui concerne la partie puissance, nous avons réalisé un hacheur survolteur. Nous pensons qu’il serait judicieux et possible de réaliser un hacheur dévolteur et finaliser les tests de l’ensemble.
Electronique de puissance
- Cours d'Electronique de Puissance (module EP4-EP6) Polytech'Clermont-Ferrand, enseignant Khalil El Khamlichi
- Cours de C.E.M. Polytech'Clermont-Ferrand, enseignant Christophe Pasquier
- Electronique de puissance par Philippe Barrade
- L'électronique de commutation , analyse par Jean-Louis Cocquerelle, Pierre Borne
- Rayonnement électromagnétique des convertisseurs à découpage, par Jean-Louis Cocquerelle, Christophe Pasquier
- Sites internet
Réalisation de la partie commande
- Qu'est-ce qu'un signal M.L.I.?
- Cours de T.S.I. (Traitement du Signal) Polytech'Clermont-Ferrand, enseignant Roland Chapuis
- Sites internet
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