VARIATEUR  pour  ELECTRIQUE
Le VAR11-v4

I. PRESENTATION RAPIDE.

Caractéristiques essentielles :

- Possibilité en courant de 150 ampères max THEORIQUES
- Résistance de passage pouvant descendre à  5 mW
- Découpage du courant moteur à 2000 Hz
- Frein moteur possible à l'arrêt
- Système BEC prévu
- Batterie moteur de 7 à 28 éléments
- Gestion par microcontrôleur permettant
         . Une réalisation TRES SIMPLE
         . Absence totale de mise au point
         . Processus de sécurité au    
           démarrage, interdisant toute mise
           en marche inopinée du moteur,
           avec les dangers qu'elle présente.
         . Programmation par l'utilisateur des points de fonctionnement : point d'arrêt, point de régime maxi ...
         . Programmation de la tension de la batterie effectivement utilisée
         . Surveillance permanente de cette tension batterie avec coupure automatique du moteur lorsque le seuil programmé
           est atteint.
- Prix de revient modéré et modulable par le choix et le nombre des MOSFET utilisés .

II. ETUDE du SCHEMA.                     Voir Fig. 1

.

1. Observons d'abord la partie puissance : Le moteur relié au +BATT retourne au -BATT à travers les transistors
MOSFET T5, servant d'interrupteurs. Parmi les nombreux types possibles .. et disponibles ( Voir tableau 1 ) le meilleur
passe 75 ampères ! Si vous en montez deux, cela donne 150 A ! Excusez-nous du peu ! Ce modèle a une résistance de passage RDSon de 9 m typique. Avec deux, vous tombez à 5 mW !
Pour un moteur consommant 50 A ( ce n'est pas rien ! ) la chute de tension due aux MOSFET est de 50 x 0.005 = 0,25 V ...     Dérisoire !
La diode D4, dite "de roue libre" protège les MOSFET des surtensions
engendrées par le collecteur du moteur et elle régularise le fonctionnement. C5 et C6 réduisent les parasites.
Les transistors T5 sont de "canal N". Ils ont le "drain" côté + et la "source" côté -. Ils deviennent conducteurs quand le "gate" est porté à une tension supérieure à +4.5V.
On notera d'ailleurs que la conduction d'un MOSFET n'est pas linéaire : Sous 4.5V, il est bloqué et il devient rapidement conducteur au-dessus de cette tension.
Pour une résistance de passage faible, il faut porter le "gate" à +7V au moins. Les caractéristiques constructeur sont souvent données pour Vgs = +10V.
Le maximum absolu est de +20V. Ajoutons à cela, que si la consommation "gate" est nulle en statique, elle ne l'est plus en dynamique ( découpage), à cause de la capacité gate-source
importante ( 2 à 3000 pF ) qu'il faut charger et décharger.

Ces considérations nous amènent au circuit retenu pour la commande des "gates":

- Un doubleur de tension D1,D2,C3,C4, alimenté par un créneau rectangulaire à 2000 Hz fabriqué par IC1, en sortie PA6, élève la tension de +5V issue du régulateur REG2, à presque +10V
   ce qui, dans tous les cas, et jusqu'à la décharge complète mais contrôlée de la batterie nous garantit une conduction optimum des MOSFET.
- La commande de puissance est générée sur la sortie PA5 de IC1. Si PA5 = +5V, T1 conduit, bloque T2 qui fait conduire T3. Le +10V issu du doubleur est appliqué sur les gates, à travers R16
   permettant un temps d'établissement contrôlé malgré la capacité Cgs importante. Lorsque PA5 = 0, T2 conduit et met les gates à la masse à travers D3, ce qui les bloque énergiquement.
   Ce système de commande des MOSFET permet d'avoir un créneau bien rectangulaire sur les gates avec un blocage total ou une excellente conduction. Ce ne serait pas le cas si la tension de déblocage
   était insuffisante ou si des temps de basculement trop longs mettaient les MOSFET en régime de conduction moyenne pendant une notable partie du cycle de découpage :
   Dans un tel cas les MOSFET chauffent anormalement.
- La tension minimale de la batterie est déterminée par le régulateur BEC. C'est un modèle LOW-DROP.
  Pour une sortie restant à +5V, on peut estimer nécessaire +5.4V à l'entrée de ces régulateurs. Si l'on admet que la tension d'une batterie déchargée est les 2/3 de sa tension de fin de charge,
  ( soit 1.4 x 2/3 = 0.93V par élément de 1.2V ) on arrive à 5.4 x 3/2 = 8.1 V.
  Dans ces conditions, la batterie minimale aurait 7 éléments. ( 8.4V ) La tension maximale de batteries est simplement limitée par la tension de claquage des MOSFET : 50 à 60V selon les modèles.
- Pour en terminer avec la section puissance, remarquons le MOSFET T6, de canal P ( drain au - et source au + ).
  Lorsque PA3 de IC1 est à 0, T4 est bloqué ainsi que T6. Lorsque PA3 = +5V, T4 conduit et porte le gate de T6 à -BATT, ce qui le fait conduire. Le moteur est court-circuité, donc freiné.
  Bien entendu, le logiciel interdit la conduction simultanée des T5 et de T6 !

2. La section MICROCONTROLEUR , avec IC1, est "apparemment" beaucoup plus simple. IC1 est un MC68HC11A1FN de MOTOROLA. Il fonctionne ici en mode BOOTSTRAP
( ModA = ModB = 0 ) sur un programme interne contenu dans la mémoire EEPROM. La capacité de celle-ci n'étant que de 512 octets, il nous a fallu faire beaucoup d'efforts pour loger toutes
les routines nécessaires. Nous y sommes parvenu, avec 5 ou 6 octets restants !! Le quartz d'horloge est à 8 MHz.

- L'entrée de l'impulsion de commande issue d'une voie du récepteur se fait, à travers T0 sur PA1 qui détecte le front montant et PA0 pour le front descendant. Seules sont acceptées les impulsions
POSITIVES, ce qui est le cas de tous les systèmes actuels. Le transistor T0 a été ajouté pour permettre le bon fonctionnement avec certains récepteurs commerciaux dont les signaux de voies ont une
amplitude inférieure à 4Vcc. Par ailleurs, l'arrêt est obtenu avec une impulsion courte ( 1 ms typ.) et le plein gaz avec une impulsion longue ( 2 ms typ.)
Ces paramètres d'entrée ne sont pas modifiables. Par contre, les points de fonctionnement sont programmables. Voir Fig. 2.


     . Le MINIMUM ABSOLU, ( MINAB ) correspondant à la butée basse du manche, côté arrêt.
     . Le MINIMUM, ( MIN ) terminant la zone d'arrêt et amorçant celle du découpage accélérant de plus en  plus le moteur  jusqu'au régime maxi.
    . Le MAXIMUM ( MAX ) point au-delà duquel le découpage est supprimé pour être remplacé par une conduction  permanente des MOSFET.

L'utilisateur peut placer ces 3 points, dans l'ordre de la figure 2, où IL LE VEUT.

Le frein n'agit qu'entre MINAB et le point central de la zone d'arrêt allant de MINAB à MIN.
Cela permet un contrôle de l'action frein par le pilote. Si le variateur est utilisé sur une voiture électrique, on peut ainsi donner des coups de frein contrôlés.
La maximum absolu ( MAXAB ) n'est pas programmable, mais fixé par logiciel à 2.5 ms. Si l'impulsion d'entrée dépasse cette valeur, le soft considère qu'il y a défaut et stoppe le moteur.

- Le 68HC11 contient un convertisseur A/D à 8 entrées ( PE0 à PE7 ). Il est donc possible de mesurer la tension batterie en permanence.
Le maximum mesurable est la valeur de la référence haute ( VRH ) donc +5V. Pour pouvoir mesurer jusque 40V, un pont diviseur est réalisé avec R8, R9 et R10.
Ce pont réduit la tension batterie à 12.5% ( 40V -> 5V , 8.4V -> 1.05V ) et l'applique sur les entrées PE0 et PE4 pour mesure.
Le résultat est comparé avec un seuil limite mémorisé au moment de la programmation des paramètres. En effet, les résistances R9 et R10 appliquent 13/13+8.2 soit 62% de la valeur précédente
sur les entrées PE3 et PE7. A condition de faire la programmation avec une batterie sortant de charge, la valeur limite de décharge sera automatiquement enregistrée, quel que soit le nombre d'éléments
utilisés.

-  Le port PC ( lignes PC0 à PC7) est utilisé pour le dialogue avec l'utilisateur en phase de programmation.
   Les poussoirs Int1 et Int2 d'un module de programmation extérieur exécutent les actions et les témoins Led1 à Led3 concrétisent ces exécutions.
- Le 68HC11 est en permanence sous contrôle de son ATCHDOG interne : Si l'impulsion d'entrée disparaît pendant 1 seconde, il y a reset général avec rechargement de toutes les données.
- L'alimentation en mode BEC ( Battery Eliminator Circuit ) est assuré par le régulateur REG, un LM2940 de type LO-DROP.

- MODE SECURITE. Un moteur électrique n'a pas à être lancé pour démarrer comme un thermique : Il démarre seul et de ce fait, présente un danger pour l'utilisateur et ses proches voisins.
Nous avons donc inclus dans le logiciel une routine imposant un processus précis de démarrage. Quelles que soient les conditions de mise en marche du système, le démarrage du moteur exige
une mise du manche sur MINAB, pendant 2 à 3 secondes.
Ce délai écoulé, le moteur démarre alors en partant de MINAB, donc au ralenti d'abord.
Une rupture de liaison de plus de 1 seconde met le moteur à l'arrêt et oblige à une réédition du processus.
Si la coupure moteur est provoqué par batterie déchargée, il ne peut y avoir remise en route spontanée par récupération de la batterie.
Toutefois, en cas de nécessité, on peut retrouver quelques secondes de moteur en rééditant le processus ci-dessus, cela autant de fois que la batterie y consentira !
Il faudra donc acquérir le réflexe de toujours ramener le manche "gaz" à MINAB, tout d'abord pour bénéficier du frein, si nécessaire, et surtout pour réactiver le variateur et pouvoir récupérer quelques
secondes moteur en cas d'urgence

NB. 
On notera que si le µC prévu pour le VAR11V4 est normalement un 68HC11 normal, on peut aussi utiliser un 68HC711E9 FN dont ma mémoire EPROM a déjà été utilisée pour une
application obsolète, mais dont la mémoire EEPROM reste parfaitement disponible.
Dans le 1er cas ( HC11) le fichier de programmation est VAR11-V4.S19, dans le second cas, il est VARV4-E9.S19.
Ces fichiers sont zippés dans un fichier téléchargeable appelé dans la page TELECHARGEMENT, sous la référence VARIATEURS


III. REALISATION

Le variateur décrit est d'une réalisation très simple, par le nombre réduit des composants utilisés et surtout par l'absence totale de mise au point.Pour parvenir aux dimensions réduites escomptées,
tous les composants, sauf Mosfets et régulateur sont de type CMS

1. Liste des composants   

T5a, T5b    MOSFET de canal N. TO220. Voir tableau 1
T6               MOSFET de canal P. TO220. Voir tableau 2
T0/1/2/3/4        BC549B en CMS
D1/2                 BAV99
D3                     BAV70
D4            Diode RAPIDE TO220.

           Par exemple BYT08PI-200
REG1       LM2940 TO220 si BEC
IC1           MC68HC11A1FN

       ou MC68HC711E9FN
             programmé par l'auteur
R0    10 kW         CMS 805
R1    10 k
W         CMS 805
R2    10 k
W          CMS 805
R3    18 k
W          CMS 805
R4    18 k
W          CMS 805
R5    10 k
W          CMS 805
R6   5.6 k
W          CMS 805
R7   150 k
W         CMS 805
R8   150 k
W         CMS 805
R9    8.2 k
W         CMS 805
R10   13 k
W        CMS 805
R11   47 k
W        CMS 805  
R12   22 k
W        CMS 805
R13   22 k
W        CMS 805
R14   22 k
W       CMS 805
R15   10 M
W      CMS 805
R16   470
W        CMS 805
R17   22 k
W       CMS 1206
C0    1 nF          CMS 805
C1/C2      supprimés
C3     4.7 µF CMS tant/10V
C4     4.7 µF CMS tant/16V
C5     0.1 µF CMS 1206
C6     0.1 µF CMS 1206 
C7     0.1 µF CMS 1206
C9     0.1 µF CMS 1206
C8     0.1 µF CMS 1206 
C10    10 µF CMS tant/16V
C11   0.1 µF       CMS 1206
C12   0.1 µF CMS 1206
1 Circuit imprimé
1 quartz 8 MHz CMS

          ( RS : 301:5471 )
1 support PLCC 52 br

          ( RS : 160-5381 )
1 conn. femelle MINICOM 7 pts.            ( RS : 230-4938 )

1 jeu de fils

 NB. Contacter l'auteur pour tout problème d'appro.

2. CIRCUIT IMPRIME.

A faire en époxy double face de 16/10.
Films dispos auprès de l'auteur. Fichiers PostScript sur son site Web.
Etamage des circuits. Perçage à 6/10 des trous de renvoi recto/verso, 8/10 pour le connecteur 2.54, 10/10 pour les TO220.
En cas de demandes assez nombreuses ( > 25 )  des circuits à trous métallisés pourront être commandés.

3. POSE DES COMPOSANTS.

VAR4-R.jpg (24276 octets)

         Utiliser obligatoirement un fer à souder fin (1 mm maxi) et de la soudure 5/10.
    Comme vous n'aurez probablement pas de circuits à trous métal, sauf demande massive auprès de l'auteur, il faudra vous livrer à la tâche assez
    fastidieuse consistant à réaliser les renvois recto-verso en fil fin.
   Cela effectué et bien vérifié, procéder à la pose de tous les composants R et C CMS du recto, puis à ceux du verso en y ajoutant transistors, diodes et
   quartz. Ce dernier fixé par 3 pts : 2 en bas vers R15 et un de masse en haut. Notons que ce quartz contient en plus les deux habituels condensateurs
   de retour à la masse ( C2 et C3 )
   Passer à la pose du support PLCC, dans le bon sens. Pour cela, il faut d'abord en supprimer le fond : un petit appui suffit pour cela.
   Bien positionner le support sur les pistes. Souder 2 picots en diagonale ( technique du grain de soudure,  voir  CONSEILS )
   Puis souder normalement tous les autres picots.
   Souder le connecteur femelle 7 points servant à la programmation des paramètres.
   Terminer le travail en mettant en place les Mosfets, diode et régulateur en boîtier TO22O
   Souder les fils de liaison, batterie et moteur et ceux allant vers le Rx.
   Dans le cas de l'alimentation en BEC ( avec le régulateur installé et alimentation du récepteur par le
   variateur ) vous pourrez prévoir un interrupteur : Pour cela, couper la piste située entre le régulateur
   et C10 et rétablir la continuité par cet interrupteur.
   Mais vous pouvez aussi fonctionner sans BEC : Ne pas installer le régulateur et alimentez le
   récepteur normalement avec une batterie distincte ayant son propre interrupteur.
   Le µC du variateur est alors  alimenté par le récepteur.

4. MISE EN SERVICE.

Ne pas monter le 68HC11. Remplacer le moteur par une ampoule convenable ( 1A environ ) Intercaler un fusible 2A dans l'alimentation et brancher
sur la batterie. L'ampoule est éteinte. Vérifier que le +5V arrive bien sur tous les points ad hoc. Trouver une tension inférieure sur les picots 43/44,
plus faible encore sur 49/50. Se servir du schéma pour cette vérification.
Si tout est correct, débrancher et placer le 68HC11. Remettre sous tension. L'intensité passe à 8 mA. Si vous avez un oscilloscope, vérifier
l'existence du créneau rectangulaire sur PA6, sinon se contenter de vérifier le +10V à la sortie de D2.
Si c'est bon, en principe, le reste aussi.

5. MODULE de PROGRAMMATION.

Ce module permet de programmer la position exacte des points de fonctionnement, programmation à ne pas confondre avec celle du 68HC11
qui doit être effectuée par l'auteur, en principe !




        Réaliser le module de programmation de la Fig. 7 et 8


        Rappelons que l'émetteur doit fournir une impulsion de 1 ms env. côté arrêt et 2 ms env,
        côté plein gaz.







     Emetteur sur arrêt.
Mettre l'ensemble de RECEPTION sous tension, variateur avec son ampoule.
ATTENTION --> Pour passer en mode PROGRAMMATION, il faut appuyer sur INT2, AVANT et PENDANT la mise sous tension du variateur. La LED3 s'allume.

     Emetteur sous tension :                                                                                                                                                                                                                                 NB. Le fil inférieur du câble plat n'est utile qu'avec VAR11-V3 

Mettre le manche sur MINAB. Appuyer sur INT1.                               
LED1 s'allume. Un coup sur INT2
Mettre le manche sur MIN. Appuyer sur INT1.
LED1 s'éteint. LED2 s'allume. Un coup sur INT2
Mettre le manche sur MAX. Appuyer sur INT1.
LED1 et LED2 s'allument. Un coup sur INT2.
Tout s'éteint ... si ça a marché et si MIN < MAX !

NB. Le dernier appui sur INT2 enregistre la tension batterie du moment.
Noter que LED1 et LED2 comptent les enregistrements en binaire : 00 (0) au départ, O1 (1), puis 10 (2), enfin 11 (3).
                                                                                                                                                                                                                 
A la fin de la programmation, le variateur est inactif.
Pour le réactiver, avec les nouveaux paramètres, mettre l'EMETTEUR sur ARRET quelques secondes, puis le remettre en marche.

6. ESSAIS.

Enlever le module de programmation. Ramener le manche concerné de l'émetteur sur MINAB et l'y laisser 2 à 3 s. Pousser maintenant  vers MAX et constater l'allumage progressif de l'ampoule.
Couper tout. Monter le moteur et tester !

TABLEAU 1 : T5 --> MOSFET Canal N, disponibles à l'unité

Référence Vmax Imax RDSon Prix HT
MTP60N06HD 60 60 14 mW 41.20
MTP75N06HD 60 75 10 mW 69.50
MTP75N05HD 50 75 9 mW 69.50
BUK455-60A 60 41   38 mW 17.15
BUK556-60A   60 50 26 mW 29.50
BUK556-60H 60 60 22 mW 28.33
IRFZ44 60 50 28 mW 47.60


TABLEAU 2 : T6 --> MOSFET Canal P, disponibles à l'unité

Référence

Vmax

Imax

RDSon

Prix HT

MTP12P10

100 12 0.3 W 25.50

IRF9Z34

60 18 0.14 W 39.00

NB. Les prix sont donnés à titre indicatif et sans garantie !
Le transistor T6 ne doit pas avoir une Rdson trop faible, car dans ce cas l'énergie cinétique du moteur développe au
freinage une trop forte intensité qui risque de le griller ! Il est conseillé d'utiliser la fonction "SLOW" disponible sur certains émetteurs pour le passage au ralenti et à l'arrêt.