Commande

pour
trottinette
lectrique
Systme avec
rcupration dnergie
au freinage
MARTIN Nicolas - PEPITONE Kevin

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2010

Table des matires

Cahier des charges .............................................................................................................................. 3
1.

Considrations sur la trottinette.................................................................................................. 4

Figure 1 Schma global de la trottinette ................................................................................... 4
Figure 2 Circuit initial de la trottinette ...................................................................................... 4

2.

Conception du hacheur rversible en courant ............................................................................. 5

2.1.

Principe gnral................................................................................................................... 5

Figure 3 Schma du hacheur rversible en courant................................................................... 5

Figure 4a Alimentation du moteur ............................................................................................ 6
Figure 4b Roue libre pendant lacclration .............................................................................. 6
Figure 4c Renvoi dnergie aux batteries .................................................................................. 7
Figure 4d Roue libre pendant le freinage .................................................................................. 7
2.2.

Commande des transistors et simulations............................................................................ 8

Figure 5 Tensions appliques sur les grilles des transistors et tension aux bornes du moteur.... 8
Figure 6 Courant traversant le moteur et courant de batterie................................................... 9
Figure 7 Valeur du courant moyen parcourant le moteur.......................................................... 9
3.

Le circuit de commande ............................................................................................................ 10

3.1.

La PWM : le circuit UC3825A ............................................................................................. 10

Figure 8 Cblage du circuit UC3825A ...................................................................................... 10

Figure 9 Extrait de la datasheet de lUC3825A ........................................................................ 11
3.2.

Le circuit logique ............................................................................................................... 11

Figure 10 Chronogrammes illustrant les tensions de grille des MOS selon lacclration ou le
freinage..................................................................................................................................... 12
Figure 11 Schma du circuit logique ....................................................................................... 12
4.

Lalimentation ........................................................................................................................... 13
Figure 12 Schma de lalimentation du systme ..................................................................... 13

5.

Exprimentations sur carte de test ............................................................................................ 13

Figure 13 Relev de la PWM en sortie de lUC3825A............................................................... 13
Figure 14 Relev de la PWM aprs passage dans linverseur ................................................... 14
Figure 15 Forme donde de la tension aux bornes du moteur ................................................. 14
Figure 16 Forme donde du courant parcourant le moteur ..................................................... 15

6.

Cration de la carte finale ......................................................................................................... 16

Figure 17 PCB de la carte finale............................................................................................... 16

Bibliographie .................................................................................................................................... 17

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Cahier des charges

Variateur de vitesse avec rcupration de lnergie au freinage pour trottinette lectrique

But : le but de ce projet est de concevoir un variateur de vitesse dont la topologie est celle
dun hacheur rversible en courant afin de pouvoir alimenter un moteur de trottinette
lectrique (24V sous 100W) mais aussi de pouvoir recharger la batterie lors des phases de
dclration.

Principe : la structure du hacheur envisag ici doit pouvoir permettre lalimentation dun
moteur courant continu et permettre des phases de traction et de freinage sans
rversibilit de la vitesse (tension unidirectionnelle) mais avec la rversibilit du couple
(rversibilit du courant). Pendant les phases de freinage, la topologie utilise permettra de
recharger la batterie.

Extrait du cahier des charges : la source principale sera obtenue partir de deux batteries
(12V / 4.5 Ah chacune) au plomb connectes en srie. Le montage hacheur sera ralis
autour dun circuit intgr UC3825A qui gnrera les impulsions de commande de type MLI
(Modulation de Largeur dImpulsion) qui seront appliques sur le transistor principal et
assurera la rgulation du systme. Un circuit driver de type TC4420 sera aussi insr afin
doptimiser la commande des transistors. Le rendement devra tre de lordre de 75%. La
frquence de travail sera dfinir. Les composants semi-conducteurs devront tre
dimensionns aprs une tude thorique. Afin de protger les composants actifs, des circuits
daide la commutation pourront tre calculs dans le cas o les formes taient assujetties
des dpassements en tension ou en courant. Une approche simulation (PSIM) est aussi
envisageable et permettra de vrifier les formes donde obtenir. La partie intelligente sera
ordonnance par un cur logique (circuit numrique programmable ou composants
discrets).

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1. Considrations sur la trottinette

Le but du projet va tre dimplanter sur une trottinette lectrique un systme de commande
permettant un retour dnergie au moment du freinage. Dans un premier temps, intressons nous
aux caractristiques de la trottinette sur laquelle nous allons travailler.
Voici un schma de sa structure et des connexions entre les batteries, le moteur, le circuit de
commande ainsi que les gchettes dacclrateur et de frein.

Figure 1 Schma global de la trottinette

Voici prsent un schma du circuit initialement prsent sur la trottinette, bas sur un relais.

Figure 2 Circuit initial de la trottinette

On note que ce circuit est unidirectionnel, et ne permet videment pas de retour dnergie.
On notera galement que les deux interrupteurs lis aux freins et lacclrateur ne sont pas cbls
selon la mme logique, puisque celui du frein est en logique inverse. Ceci va avoir son importance
lors de la ralisation du circuit de commande puisque allons rutiliser ces interrupteurs et les cbles
qui vont avec (nous ne changeons que la carte proprement dite).

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Afin de faire nos simulations nous avons d caractriser le moteur :

Moteur MY6812
Couple vide : 2800 tr/min, 0.45 A, 24V
En charge : 2250 tr/min, 5A, 24V
Puissance : 80 100W
FEM : 12V
Equivalent bobine et rsistance en srie : R = 3 , L = 224 H
Pour obtenir ces valeurs, nous nous sommes rfrs aux donnes du constructeur ainsi qu des
mesures en ce qui concerne linductance, la rsistance de srie et la FEM. Nous avons rcupr la
valeur de la rsistance lohmmtre, puis que nous avons aliment le moteur avec des crneaux
pour obtenir des impulsions au niveau de la bobine dont lanalyse nous a permit de dgager L.
Finalement nous avons utilis la relation des moteurs courant continu E = U R.I pour avoir la
valeur de la FEM (avec E la valeur de la FEM).
Ces trois valeurs exprimentales sont importantes puisque le logiciel de simulation que nous
utilisons, PSIM, ne possde pas le modle appropri pour notre moteur. Nous lavons donc assimil
son quivalent rsistance/inductance en srie plus la force lectromotrice lors de nos simulations.
Avec tous ces lments nous allons pouvoir nous pencher sur la conception du circuit.

2. Conception du hacheur rversible en courant

2.1.

Principe gnral

Dans un premier temps nous devons nous pencher sur la conception dun circuit de puissance
permettant lalimentation et la commande du moteur de la trottinette. Dans ce but nous allons
concevoir un hacheur, qui doit avoir pour caractristique principale une rversibilit en courant.
Cependant un hacheur 4 quadrants nest pas ncessaire dans la mesure o nous ne voulons pas
avoir de marche arrire.
Voil le type de hacheur que nous allons utiliser :

Figure 3 Schma du hacheur rversible en courant

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Les transistors M1 et M2 sont des transistors de type MOSFET de puissance, canal N. D1 et D2 sont
des diodes de puissance. Lalimentation de 24V reprsente les deux batteries de 12V chacune que
nous allons utiliser. Lensemble rsistance, inductance, source de sortie reprsente le moteur avec sa
force lectromotrice.

Grce ce circuit, nous allons effectuer une alimentation du moteur en mode de conduction
discontinue. C'est--dire que les transistors vont agir en tant quinterrupteurs et vont commuter
selon une certaine frquence et un certain rapport cyclique. Le moteur ne sera donc pas aliment en
permanence, mais partir dune certaine frquence, linertie du moteur fait quon ne voit pas la
diffrence avec une conduction continue. De plus le moteur va considrer comme tension nominale
la tension moyenne quil verra ses bornes, on peut donc alors rgler grce au rapport cyclique la
tension avec laquelle on alimente notre moteur.
Le fonctionnement du circuit est le suivant :

Pendant les phases dacclration, le transistor M1 va conduire avec un certain rapport

cyclique, et M2 va tre bloqu. Quand M1 conduit, le courant circule travers lui et le
moteur, entrainant la rotation de ce dernier.

Figure 4a Alimentation du moteur

Lorsque M1 est bloqu, la diode D2 va devenir passante et le circuit va entrer dans une phase
de roue libre.

D2

Figure 4b Roue libre pendant lacclration

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Pendant la phase de freinage, le principe de fonctionnement est le mme mais le moteur

passe en convention gnrateur et les batteries en convention rcepteur. M2 va alors
conduire avec un certain rapport cyclique, et M1 va se bloquer. Quand M2 est bloqu, D1
conduit et le moteur renvoie de lnergie aux batteries.

Figure 4c Renvoi dnergie aux batteries

Lorsque M2 va devenir passant, le systme va de nouveau entrer en phase de roue libre

travers M2.

Figure 4d Roue libre pendant le freinage

Le principe de ce hacheur est donc bas sur des activations successives des transistors, qui agissent
ici comme des interrupteurs, avec une frquence donnes. Le but va maintenant tre de dterminer
la frquence laquelle doivent commuter ces transistors, ainsi que leur rapport cyclique quils
doivent observer, afin davoir une bonne commande du moteur et atteindre le rendement vis.

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2.2.

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Commande des transistors et simulations

Pour que le systme prcdemment expos fonctionne correctement, la commande des transistors
est fondamentale. En effet cest celle-ci qui conditionnera la puissance envoye au moteur (tension
moyenne dalimentation, frquence de fonctionnement...).
Dans notre cas nous allons imposer un rapport cyclique denviron 70% au niveau de M1, et donc de
30% sur M2 (dans le cas du renvoi dnergie, cest la diode qui sert, et M2 permet au systme de
passer en roue libre), afin dadapter le courant moyen envoy au moteur la consommation vide
de celui-ci (sans quelquun dessus et sans freiner).
En ce qui concerne la frquence de fonctionnement, il nous fallait une frquence permettant via
linductance de toujours avoir un courant positif malgr londulation. Aprs de nombreuses
simulations, nous avons opt pour une frquence de fonctionnement de 20kHz. Cette frquence
convient non seulement pour notre systme mais nous permet galement dviter quelques
dsagrments comme le chant des transistors.
Voil les commandes effectivement imposes sur les grilles des deux transistors (VT1 pour M1 et VT2
pour M2), ainsi que la tension observe aux bornes du moteur :

Figure 5 Tensions appliques sur les grilles des transistors et tension aux bornes du moteur

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Voici maintenant les courants relevs dans le circuit :

Figure 6 Courant traversant le moteur et courant de batterie

On obtient bien ce quon voulait avec une alimentation dcoupage avec laquelle lintensit nest
jamais nulle (lors de lacclration), un pic de courant au moment du changement de conduction
acceptable, et une valeur moyenne de courant Imot = 1.6A, comme en tmoigne cette estimation :

Figure 7 Valeur du courant moyen parcourant le moteur

Maintenant que nous avons notre circuit dalimentation et que nous savons de quelle faon
commander nos transistors, il va falloir crer le circuit permettant deffectuer cette commande.

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3. Le circuit de commande
3.1.

La PWM : le circuit UC3825A

Pour gnrer les impulsions dont nous avons besoin, nous allons nous servir dune PWM, grce au
circuit UC3825A de chez Texas Instrument. En connectant des condensateurs et des rsistances nous
allons pouvoir fixer la frquence et le rapport cyclique de nos impulsions.
Voici le cblage de cette partie du circuit de commande :

Figure 8 Cblage du circuit UC3825A

On remarque lutilisation de plusieurs composants :
C2 est la capacit de dcouplage lentre du composant.
R8 et R7 forment un pont diviseur depuis la sortie 16, Vref (=5,1V), pour servir de signal
dentre.
R6 et C7 sont les composants utiliss pour rgler le rapport cyclique et la frquence des
impulsions gnres pas le composant.
Choix de R8 et R7 :
On a accs un potentiel de rfrence Vref = 5.1 V en sortie du composant, et on veut
appliquer en entre un potentiel de 3.3 V prconis par le constructeur pour un fonctionnement
optimal. Pour cela on applique un simple pont diviseur de tension :
= 3.3 =

7
7 +6

7 = 2.2
6 = 1.2

(1)

Choix de R6 et C7 :
Ces deux composants vont nous permettre de rgler la frquence et le rapport cyclique des
impulsions gnres par la PWM. Pour les choisir nous allons nous appuyer sur la datasheet de
lUC3825A.

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Figure 9 Extrait de la datasheet de lUC3825A

Il nous faut un rapport cyclique de 70% ou 30% (on obtient lautre en prenant le complmentaire via
une porte inverseuse), et on voit quon peut obtenir 70% en prenant R6 = 1k. On veut galement
une frquence de 20 kHz, ce qui nous amne choisir, avec une rsistance de 1k, une capacit de
lordre de 50 nF.
Nanmoins aprs exprimentation, ces valeurs ne se sont pas rvles concluantes, et nous avons
finalement opt pour la synthtisation dun signal de rapport cyclique 30%, avec R6 = 2.7 k et C7 =
15 nF.
Maintenant la PWM est configure, et est prte tre utilise pour la commande de nos transistors.
Nanmoins celle-ci ne doit pas tre applique constamment, mais uniquement sous certaines
conditions (acclration, freinage...). Pour cela nous devons crer un circuit logique utilisant les
interrupteurs dacclrateur et de frein.

3.2.

Le circuit logique

Voici la table de vrit que nous devons respecter :

Acclration
0
1
0
1

Freinage
0
0
1
1

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Commande de M1
0
1
0
0

Commande de M2
0
0
1
1

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La dernire ligne illustre le choix quil fallait faire en cas de concurrence entre lacclration et le
freinage. Nous avons opt pour une priorit au frein, pour viter de continuer envoyer de lnergie
au moteur pendant un freinage (perte dnergie inutile et impossibilit dutiliser le retour dnergie
dans ce cas).
Voici les chronogrammes correspondants :

Figure 10 Chronogrammes illustrant les tensions de grille des MOS selon lacclration ou le
freinage
Il nous reste une chose prendre en compte avant de crer le circuit logique, ce sont les diffrences
de logique au niveau des interrupteurs dacclration et de freinage, comme expliqu au sujet de la
figure 2. Linterrupteur de frein est en logique inverse, il va donc nous falloir compenser cet tat de
fait. Il ne faut pas oublier non plus la porte inverseuse pour obtenir le complment des 30% et ainsi
avoir le signal de rapport cyclique 70%.
Voici donc le schma finalement utilis :

Figure 11 Schma du circuit logique

Pour raliser ces diffrentes portes nous avons utilis les circuits en technologie CMOS 4069
(inverseurs) et 4081 (AND). Evidement toutes les entres non utilises sont relies la masse pour
viter les dysfonctionnements.

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4. Lalimentation
En guise dalimentation nous avons notre disposition deux batteries de 12 V dlivrant 5 A. Pour
alimenter notre partie commande nous allons nous appuyer sur une seule des deux batteries pour
avoir une tension de 12V. De plus nous avons mit en place une LED tmoignant de ltat (sous
tension ou non) de la trottinette.
Voici donc le schma de cette alimentation :

Figure 12 Schma de lalimentation du systme

5. Exprimentations sur carte de test

Dans un premier temps nous allons valider le fonctionnement de la PWM, en sondant la sortie de
lUC3825A. Voici des impressions dcran tires dun oscilloscope :

Figure 13 Relev de la PWM en sortie de lUC3825A

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On a un rapport cyclique qui nest pas dexactement 30%, mais de 24%, ce qui est acceptable. Au
niveau de la frquence cest trs bon puisquon en note une de 19.91 kHz. Lamplitude est galement
bonne avec 12V.
Voyons sur linverseur remplit bien son rle en nous fournissant un signal avec un rapport cyclique de
75% en se basant sur le prcdent :

Figure 14 Relev de la PWM aprs passage dans linverseur

Mme constat que prcdemment concernant les valeurs releves, linverseur fonctionne
parfaitement.
Observons prsent les formes dondes au niveau du moteur :

Figure 15 Forme donde de la tension aux bornes du moteur

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Figure 16 Forme donde du courant parcourant le moteur

Concernant la tension, on observe deux paliers au lieu dun crneau normal. Nanmoins on
remarque que la valeur moyenne de cette tension correspond bien ce que nous attendions avec
une valeur de 16V. Nous ne savons pas expliquer la prsence de ce palier.
Pour le courant, ici aussi on peut remarquer quelque chose dun peu inattendu, savoir le petit
plat entre la croissance et la dcroissance. Ici encore les relevs et les valeurs attendus sont bons
malgr cela.

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6. Cration de la carte finale

Pour la ralisation de la carte finale, nous avons utilis le logiciel Orcad. Pour se faire nous avons
commenc par la saisie du schma puis la cration du PCB. Pour un gain de place nous avons utilis le
maximum de composants en CMS (pas tous car le magasin ne disposait pas de toutes les rfrences).
Nous avions donc le CMOS 4069 et lIR2113 en CMS ainsi que les condensateurs et les rsistances
(format 1206).
Pendant la ralisation, nous avons utilis 2 largeurs de pistes diffrentes : 10mils pour la partie
commande et 75mils pour la puissance (ceci suffit pour faire passer 5A avec une piste tame).
Plusieurs cartes ont t ncessaires, en effet des problmes de footprint sur la bibliothque ENSEiRB
ou des problme de non disponibilit des composants au magasin nous ont obligs tout refaire 4
fois.
Au final un problme inconnu fait que la carte ne fonctionne pas, mme si la partie commande est
tout fait fonctionnelle.

Figure 17 PCB de la carte finale

En conclusion de cette ralisation de carte, nous pensons quun logiciel tel quAres est plus simple
pour un routage manuel.

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Bibliographie
[1] TP dlectronique par simulation : Prparation, manipulation et solution avec PSIMDEMO,
Franois Leplus, TECHNOSUP, 2002
[2] Datasheet High-Speed PWM controller UC3825A, Texas Instrument, August 1995
[3] Datasheet High and low side driver IR2113, International Rectifier, March 2004
[4] Application Note AN-978, HV Floating MOS-Gate driver ICs, International Rectifier, March 2007
[5] Compatibilit lectromagntique : Normalisation, rglementation et mesure, Guy Champiot
[6] Prsentation gnrale de la compatibilit lectromagntique, Guy Champiot
[7] Control Loop Design, Lloyd Dixon
[8] Conversion continu-continu : Hacheurs, Henri Foch
[9] Projet intgration de puissance et RF, Les composants passifs : Rsistances et Condensateurs,
Christian Zardini, ENSEIRB-Matmeca, 2009-2010
[10] Projet intgration de puissance et RF, Les Inductances, Christian Zardini, ENSEIRB-Matmeca,
2009-2010

Remerciements
Nous tenons remercier Mr Jrme Le Gall pour son aide, sa disponibilit et sa bonne humeur.

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