Interface-Z
Interface-Z
  1. Conseils >
  2. PWM

PWM

PWM : Pulse Width Modulation = Modulation en largeur d'impulsion = MLI

Définition

Définition rapide

Il s'agit d'une technique de création de signaux qui permet de contrôler de l'analogique avec des sorties numériques d'un microcontrôleur. La commande en PWM consiste en une succession rapide de signaux numériques. Ce peuvent être par exemple des signaux tout ou rien, c'est-à-dire alternant sans transition entre une valeur minimale fixe A (extinction) et une valeur maximale fixe B (allumage). Si la fréquence choisie est suffisamment rapide, le résultat de cette rapide alternance d'allumage/extinction se fond dans une valeur moyenne. En fonction de la durée des signaux A en proportion des signaux B, la moyenne obtenue donne un grand nombre de valeurs intermédiaires (le protocole choisi pour la commande détermine ce nombre).

Dans notre cas, les circuits ou appareils analogiques concernés sont des actionneurs comme les ampoules basse tension, les moteurs à courant continu ou des électro-aimant.

Considérations sur les signaux analogiques

Ces actionneurs sont normalement alimentés en tension continue (analogique). Leur action (lumière ou mouvement) est proportionnelle à cette tension d'alimentation. L'action est nulle quand l'alimentation est à 0, elle est maximale quand l'alimentation est celle indiquée comme normale dans la documentation technique de l'actionneur concerné. La caractéristique fondamentale d'une tension analogique est que sa résolution est infinie. La notion de résolution, le nombre de pas possible dans une gamme de valeur, ne prend de sens que lorsqu'on a affaire à une numérisation (donc une discrétisation) des signaux. Dans ce dernier cas, les signaux directement issus d'un contrôleur numérique ne peuvent prendre qu'un nombre fini de valeur.

A priori il semble plus direct et plus riche de possibilités d'utiliser une commande par des signaux analogiques à la finesse illimitée plutôt qu'une commande basée sur du tout ou rien, aux valeurs limitées et fixes. Pourtant c'est souvent la deuxième solution qui est choisie par rapport à la première, pour diverses raisons : les circuits purement analogiques présentent parfois des variations au cours du temps que n'ont pas les circuits numériques. La possibilité de rendre fiables, précis et stables les circuits analogiques se heurte à des difficultés techniques, financières et simplement parfois à des problèmes d'encombrement spatial. Ces difficultés ne seraient pas forcément si problématiques si l'analogique n'était pas confronté à deux écueils supplémentaires : la chauffe des composants de puissance et la sensibilité au parasitage électromagnétique. Cette notion de sensibilité au parasitage selon la nature analogique ou numérique du circuit a également beaucoup d'importance dans l'utilisation des capteurs et fera l'objet d'une page spécifique.

Intérêt du PWM

Le PWM permet d'obtenir un équivalent d'une variation de tension continue à l'aide d'un contrôle en tout ou rien (voire en valeurs discrètes, ce qui n'est pas le cas sur nos cartes). Cette technique permet aux composants de puissance de beaucoup moins chauffer qu'en analogique. D'autre part, les signaux numériques sont moins sensibles au parasitage que les signaux analogiques et sont donc plus robustes.

Le principal intérêt de la technique PWM est de limiter la chauffe des composants électroniques. En effet, en commande analogique, pour obtenir une variation de puissance il faut dissiper le complément de la puissance maximale consommée. Par exemple : une lampe de 20 Watts allumée au maximum consomme 20 Watt. Si par une commande de gradation elle est allumée au quart de sa puissance, elle consomme 5 Watt. Le composant analogique devrait alors dissiper 15 W, ce qui implique un énorme radiateur... En PWM, la puissance fournie est soit maximale, soit nulle. Lorsqu'elle est maximale, pendant un quart du temps dans cet exemple, il n'y a pas besoin de dissiper de puissance résiduelle. Lorsqu'elle est nuelle, il n'y a pas besoin de dissiper non plus de puissance, car elle n'est pas fournie du tout...

La moindre sensibilité au parasitage du PWM n'est pas en fait aussi critique que la diminution de température par rapport à l'analogique mais mérite tout de même une explication. Même si le résultat d'une commande en PWM peut s'assimiler à une valeur moyenne, les signaux sont toujours à l'origine en tout ou rien donc très distincts. L'analogique est très sensible au parasitage car une variation sur un signal continu prend tout de suite beaucoup d'importance. En revanche, un parasite électromagnétique peut difficilement affecter un signal On ou Off : il faudrait que le parasite atteigne en amplitude au moins la moitié de la valeur maximale, pour transformer un Off en On ou l'inverse, ce qui suggère un environnement vraiment peu recommandé pour faire fonctionner un actionneur.

Fréquence de PWM

La commande d'actionneurs de puissance par PWM est très liée à la notion de fréquence. Pour que l'impression d'une valeur moyenne constante d'allumage apparaisse, il faut que l'alternance d'allumage/extinction soit suffisamment rapide pour qu'elle ne se remarque pas.

Si par exemple le cycle complet de PWM durait une seconde (cette durée est nommée période), ce qui donne une fréquence de 1 Hertz, les durées d'allumage et d'extinction de l'actionneur seraient réparties proportionnellement sur cette seconde. Imaginons une lampe halogène allumée à 40% de sa puissance. Elle doit être alimentée 40% du temps et éteinte durant 60 % du temps. Avec une fréquence de 1 Hz, elle serait allumée pendant 0,4 seconde puis éteinte pendant 0,6 seconde. L'effet de clignotement résultant est parfaitement perceptible... La fréquence du PWM doit donc être beaucoup plus grande que 1 Hz, ou autrement dit la période doit être bien plus courte qu'une seconde.

Selon les utilisations la fréquence de PWM va de 100 Hz (100 cycles par seconde) à 200 kHz. Nos cartes de commande permettent actuellement d'avoir deux fréquences de PWM : 100 Hz et 400 Hz.

Dans certains cas d'actionneurs assez réactifs, l'envoi de commandes de valeurs proches de 0 provoque un petit tremblement si la fréquence est peu élevée. Les lampes à incandescence en général montrent un bon lissage des valeurs grâce à leur latence d'allumage et d'extinction.

Résolution matérielle et astuces logicielles

...en cours de rédaction...