Mesure de la vitesse de rotation dans un entraînement électrique de roue à aubes

En tant qu'heureux propriétaire d'un Unitest2, j'ai pris l'habitude de mesurer les caractéristiques de propulsion (puissance, régime) d'un modèle électrique avant son premier vol. Me voilà donc face à l’EIT (Elektro-Impeller Trainer ; www.keiro.ch) terminé, équipé d’un Wemotec-Minifan (sans hélice, bien sûr !) – que faire maintenant ?

Malgré le capteur de vitesse sans balais annoncé par SM-Modellbau, j’ai décidé de confier ce problème à notre apprenti électronicien, Timm Baumann. Le circuit qui en a résulté permet une mesure de vitesse sans contact et est facile à reproduire.

L’UniTest21 dispose d’une fonction de mesure de la vitesse de rotation grâce à un capteur de lumière déjà intégré. Ainsi, on peut normalement mesurer très facilement la vitesse de rotation à l’aide d’une lampe de poche dont le faisceau est dirigé vers le capteur par une hélice en rotation. Avec un entraînement par roue à aubes, cela s’avère toutefois plus difficile, car celle-ci est difficilement accessible.

La vitesse de rotation mécanique du moteur peut toutefois être déterminée si l’on connaît la fréquence électrique et le nombre de pôles du moteur. Le circuit électronique décrit ci-dessous permet de commander une diode électroluminescente (LED) ultra-lumineuse de manière à ce que la fréquence électrique soit émise sous forme de lumière modulée. Celle-ci peut à son tour (comme pour l’hélice) être détectée par le capteur de lumière de l’UniTest2.

Le variateur de vitesse génère un courant alternatif triphasé dans le moteur à l'aide de signaux de tension cadencés. Grâce à la modulation de largeur d'impulsion (PWM) (au moins en fonctionnement à charge partielle), une tension alternative quasi sinusoïdale est reproduite sur chaque phase du moteur (U1, canal 1 de l'oscilloscope). Les composantes à haute fréquence de la PWM doivent alors être filtrées. Dans le circuit, cela est réalisé à l'aide du filtre RC (R1, C1). La LED n'émet alors de la lumière qu'à la fréquence pertinente pour la mesure de la vitesse de rotation (U2, canal 2 de l'oscilloscope).

Comme le montre l’oscilloscope, la tension au niveau de la LED comporte une forte composante continue. De ce fait, la LED ne « clignote » pas, mais son intensité lumineuse varie simplement. L’UniTest2 détecte néanmoins la vitesse de rotation, car il réagit uniquement aux variations de luminosité.

Pour afficher la vitesse de rotation, il faut sélectionner la fonction « Mesure de l'entraînement ». Afin que la vitesse mécanique correcte soit également affichée, il faut encore saisir le nombre de pôles du moteur (passer du nombre de pales au nombre de pôles). Cette information figure (si l'on a de la chance) dans la fiche technique du moteur fournie par le fabricant.

Il suffit ensuite de placer le capteur de lumière de l’UniTest2 devant la LED allumée. La distance maximale de lecture pour un affichage sans erreur est d’environ 10 cm. Les essais ont confirmé la plage de vitesse attendue, allant jusqu’à 27 000 tr/min.

Le test pratique réalisé par la suite en extérieur a montré que la mesure de la vitesse de rotation fonctionne également en plein soleil.

• Moteur*
• MEGA ACN 16/15/3 (moteur sans balais à rotor interne, 6 pôles)
• Variateur de vitesse*
• PULSO DL33A+
• Batterie (Lipo)*
• Hyperion Lite Storm CX, 3S1P, 4250 mAh
• Capteur de vitesse*
• UniTest2
• Oscilloscope*
• Tektronix TDS 1001B

Remarque : le circuit a été testé uniquement avec les composants d'entraînement mentionnés ci-dessus. Avec d'autres variateurs de vitesse et à des vitesses nettement plus élevées, il faut s'attendre à ce que les valeurs des composants doivent être modifiées. Si le circuit ne fonctionne pas, le raccordement d'un oscilloscope entre la borne négative de la batterie et la phase du moteur permettra certainement d'y voir plus clair. Si l'oscilloscope affiche des résultats différents de ceux indiqués ci-dessus (forme d'onde, décalage CC), il faudra probablement apporter des modifications au circuit.

Le plus important est d'utiliser une LED très lumineuse, car le courant circulant est faible avec les résistances choisies et une grande distance de lecture est souhaitée. Le circuit de test a d'ailleurs également fonctionné avec des LED rouges, vertes, jaunes et blanches.

¹ SM-Modellbau, Stephan Merz, ingénieur diplômé (FH), D-82407 Wielenbach ; www.sm-modellbau.de

Figure 2 : Récepteur avec moteur (vert) et circuit de mesure de la vitesse de rotation (bleu).

len). On les trouve (si l’on a de la chance) dans la fiche technique du moteur fournie par le constructeur.

Il suffit ensuite de placer le capteur de lumière de l’UniTest2 devant la LED allumée. La distance maximale de lecture pour un affichage sans erreur est d’environ 10 cm. Les essais ont confirmé la plage de régime attendue, allant jusqu’à 27 000 tr/min.

Le test pratique réalisé par la suite en extérieur a montré que la mesure de la vitesse de rotation fonctionne également en plein soleil.

CH2 (en haut) : signal au niveau du condensateur (U2)
; CH1 (en bas) : signal non filtré du variateur de vitesse (U1)

Signaux affichés sur l'oscilloscope.

LED

• rouge 5 mm, transparente ; luminosité 3 000 mcd pour $I_F = 20$ mA ; angle de faisceau 30°
• Résistances**
• à film métallique $\frac{1}{2}$ W, 3,3 k $\Omega$
• Condensateur**
• Polyester 100 nF/63 V
• Gaine thermorétractable**
• $\varnothing$ 6,4 mm polyoléfine

Fils TQ

• 0,25 mm^² noir (0 V) et jaune (phase du moteur)

La reproduction est également possible sans circuit imprimé. Le circuit, monté de manière compacte comme indiqué sur les figures 2 et 4, est alors soudé directement aux connecteurs du variateur de vitesse (n'importe quelle phase du moteur et le pôle négatif de la batterie) à l'aide de fils toronnés de 0,25 mm². Il n’est donc pas nécessaire de démonter le variateur de vitesse, ce qui entraînerait la perte de la garantie ! L’ensemble est ensuite enveloppé dans une gaine thermorétractable. Mais attention : il ne doit y avoir aucun court-circuit entre les fils des composants !

À propos : ce circuit devrait en principe également fonctionner avec un moteur à rotor externe équipé d’une hélice. Mais dans ce cas, il existe une solution plus simple : la LED intégrée de manière fixe dans le modèle émet une lumière continue à travers l’hélice (LED + 3,3 kΩ en série, alimentée directement par la batterie).

La lampe de poche tenue de manière dangereuse derrière l'hélice en rotation appartient désormais au passé !

Imprimez et rendez-vous dans votre atelier
de modélisme www.modellflugsport.ch

Les 2 personnes intéressées par la reproduction du modèle recevront les pièces contre l'envoi d'une enveloppe C6 affranchie et adressée, accompagnée de 2 CHF en timbres, à Telma AG, Timm Baumann, Gewerbeweg 10, CH-3662 Seftigen (offre valable jusqu'en août 2010).