Alimentation Analogique des Trains Miniatures : Fonctionnement et Optimisation

L'alimentation analogique est une méthode éprouvée pour faire rouler des trains miniatures, et bien que les systèmes numériques gagnent en popularité, l'analogique reste une option viable, surtout pour les petits réseaux et les débutants. Cet article explore en détail le fonctionnement de l'alimentation analogique, en mettant l'accent sur les avantages, les défis et les solutions pour une exploitation réussie.

Depuis longtemps, les trains circulent sur les réseaux grâce à un système de commande de vitesse asservie, fonctionnant parfaitement avec des moteurs classiques ou à rotor sans fer. Ce système, développé et fabriqué en interne, a été évoqué à plusieurs reprises lors de la réalisation des cartes qui implémentent les fonctions. Plusieurs passionnés ont participé à la conception et au développement du système, chacun possédant son propre réseau à l'échelle H0 ou N, utilisant les mêmes alimentations.

Il est aujourd'hui possible de faire le point sur le sujet, tant d'un point de vue théorique que pratique, puisque les études théoriques ont conduit à la réalisation de cartes qui fonctionnent depuis au moins 10 ans avec du matériel très varié, aussi bien en H0 qu'en N. Précisons tout de suite qu'aucun problème spécifique lié au type de moteur n'a été rencontré. Les moteurs à rotor sans fer (RSF) réagissent particulièrement bien, à condition de bien régler les divers paramètres de l'asservissement. Attention, ceci ne signifie pas pour autant qu'une alimentation commerciale avec asservissement donnera forcément satisfaction avec un moteur RSF ! Tout dépend comment elle est conçue. Un des objectifs de cet article est justement de clarifier les choses.

L'Utilisation du Courant Haché (PWM)

L'utilisation d'un courant haché (encore nommé PWM) consiste à régler la vitesse du train en interrompant la tension par intermittence avec une certaine fréquence au lieu de jouer sur la tension d'alimentation. La tension sur les rails présente alors une allure en créneaux. Les variations de vitesse sont obtenues en conservant une fréquence fixe et en réduisant ou augmentant la largeur du créneau haut, c'est-à-dire le pourcentage de temps durant lequel on envoie du courant. On appelle rapport cyclique le rapport de la durée du créneau haut à la durée de la période. Ce nombre est compris entre 0 et 1.

L'intérêt de l'utilisation des courants hachés n'est plus à vanter. Les moteurs se comportent bien mieux, spécialement aux basses vitesses, la tension étant soit Umax soit zéro, le système est moins sensible aux faux contacts entre les rails et les roues, l'électronique de commande a un meilleur rendement (elle chauffe moins). À noter que Umax peut être choisi supérieure à 12V. Une étude théorique met en évidence le comportement des petits moteurs de nos locos lorsqu'on utilise de tels courants.

Une fréquence basse de la PWM (disons 50Hz ou même 100Hz) présente l'inconvénient qu'une bonne partie de l'énergie électrique va être transformée en chaleur dans le moteur et non pas en énergie mécanique. Le rendement n'est pas bon et le moteur chauffe. Ceci bien plus qu'en courant continu. Le risque de détruire le moteur en le grillant n'est alors pas nul, ce qui justifie les réticences de certains vis-à-vis de ces alimentations. Ceci cependant n'est vrai qu'aux basses fréquences.

Ainsi en adoptant des fréquences de quelques kilohertz, on retrouve des rendements identiques à ceux rencontrés en courant continu, sans perdre pour autant par ailleurs l'intérêt des courants hachés. Les alimentations ont une PWM à 32 kHz qui ne présente aucun risque de surchauffe des moteurs. Par ailleurs on élimine les bruits de vibration que peuvent donner des fréquences plus basses dans les fréquences audibles. Certains plans d'alimentations à courant haché utilisent pour simplifier la fréquence de 50 Hz du secteur.

Les Défis de la Conduite d'un Train Miniature

L'un des problèmes des trains miniatures est l'impossibilité de mettre à l'échelle tous les paramètres physiques. Ainsi, les frottements sont très loin d'être ceux de la réalité divisés par l'échelle. Sur un train miniature les frottements ont une importance prépondérante, plus que dans les trains réels, par rapport aux forces motrices dont on dispose. Du côté des moteurs la puissance de ces derniers n'est pas non plus en proportion de l'échelle.

Il résulte de ce constat lié aux lois de la physique que la conduite d'un train miniature présente des difficultés qui lui sont propres. Ainsi, à cause de la prédominence des frottements, il est très difficile de maintenir le train à une vitesse constante. En effet, les forces qui s'opposent à l'avancement, frottements, pentes, courbes serrées, sont loin d'être constantes ce qui signifie que pour garder une vitesse donnée, il faut fournir au moteur un courant adapté donc constamment variable. Le problème se pose aussi bien sûr pour les vrais trains, mais dans une moindre mesure grâce à l'inertie des masses en mouvement, des faibles déclivités, des grands rayons de courbure.

Sur un train en modèle réduit, la coupure du courant arrête le train sur une distance de quelques centimètres alors qu'il faut plusieurs kilomètres pour stopper un train réel lancé à pleine vitesse. Avec une alimentation classique et un bouton de commande de la vitesse, le conducteur du modèle réduit doit constamment réagir pour compenser la demande variable en courant. C'est très astreignant, très difficile à faire, et ne correspond en rien à la réalité.

L'Asservissement de Vitesse : Une Solution Automatique

L'idée de l'asservissement de vitesse est de rendre automatique pour le conducteur l'obtention d'une vitesse constante indiquée par le conducteur du train. Ce qu'il réalise à la main avec difficulté avec une alimentation classique sera pris en charge par une électronique adaptée. Les avantages sont nombreux. D'une part ce système assure une fonction qu'il est impossible de correctement assurer manuellement, surtout si l'on pilote plusieurs trains en même temps !

Le principe est simple. Que fait le conducteur en commande manuelle lorsqu'il veut garder une vitesse constante ? S'il voit le train ralentir il donne un peu plus de courant en tournant le bouton. Si il voit le train trop augmenter sa vitesse, il tourne le bouton dans l'autre sens pour diminuer le courant délivré. Tout cela est affaire de dosage ! Il faut mettre en place un système automatique qui réalise ce travail.

La première chose à remarquer est que le système doit avoir une information sur la vitesse réelle du train. En conduite manuelle cette information est l'observation directe du train par le conducteur. Si cette vitesse était toujours proportionnée à la tension sur les rails tout serait simples mais ce n'est pas le cas. Il faudra, pour maintenir la vitesse, délivrer un courant plus fort par exemple dans une rampe. Il faut donc un moyen de mesurer la vitesse effective de notre convoi miniature.

Il est impensable de mettre des radars pour faire cette mesure de vitesse ! Impensable aussi de mettre un capteur dans chaque loco afin de fournir cette information (place du capteur, comment renvoyer l'information, etc.). Une solution connue depuis fort longtemps consiste à utiliser le moteur de la locomotive comme capteur de la vitesse !

Lorsqu'une motrice n'est plus alimenté en courant, elle continue à rouler un bref instant sur son élan. La mesure de vitesse peut être réalisée de la façon suivante : on coupe un très bref instant l'alimentation du train et pendant ce laps de temps on mesure la tension fournie par le moteur aux bornes des rails. Les circuits électroniques sont capables de réaliser cette coupure et mesure très rapidement et de manière répétitive de façon à posséder en permanence une information sur la vitesse réelle du train. La coupure de courant est tellement brève qu'elle n'affecte en rien le mouvement de la rame.

La tension produite par le moteur en rotation s'appelle Force contre électro-motrice (FCEM). Lorsque le moteur n'est plus alimenté c'est une force électromotrice (FEM), simple question de vocabulaire.

Le schéma ci-contre montre ce qu'on appelle une boucle d'asservissement. On dispose d'une commande qui permet d'agir sur la vitesse (commande de tension sur les rails) Cette commande agit sur le moteur de la locomotive. C'est ce qui constitue une commande classique. L'asservissement consiste à mettre en place la flèche de retour d'information qui indique à la commande la vitesse réelle.

Nous avons vu que les alimentations à courant haché sont préférables aux alimentations à courant continu. Dans ce cas la commande de vitesse est réalisée en jouant sur le rapport cyclique de la PWM et non pas sur la tension maximum des créneaux. Le changement du rapport cyclique modifie de fait la tension moyenne au bornes des rails. Sur nos alimentations, ceci est réalisé de manière numérique et non pas analogique. La PWM est obtenu par un micro-contrôleur PIC. Ce dernier récupère sur une entrée la valeur de la FCEM venant des rails.

Nous avons vu que la mesure de vitesse nécessite de couper le courant un bref instant afin que sur les rails ne subsiste que la tension de la FCEM. Une idée qui vient de prime abord est de profiter des créneaux bas (à zéro) pour faire cette mesure. Il faut cependant faire attention car le circuit du moteur présente une résistance interne et une inductance qui ont pour effet de maintenir le courant de traction un court laps de temps après le créneau haut.

Il faut donc attendre un bref intervalle de temps que ce courant disparaisse afin de n'avoir plus que la FCEM du moteur. Si les créneaux bas sont trop courts, le courant d'alimentation n'a pas le temps de s'annuler totalement et la mesure de la FCEM, donc de la vitesse, s'avère impossible.

Cas de la conduction discontinue : la courbe du haut représente la tension aux rails. Au moment où le créneau passe à zéro, le courant met un certain temps pour revenir à zéro. Ceci arrive ici au point marqué hcT.

Cas de la conduction continue : la courbe du haut représente la tension aux rails. Au moment où le créneau passe à zéro, le courant met trop de temps pour revenir à zéro. Ceci n'arrive jamais et le créneau suivant survient avant.

En réalité, l'idée séduisante de mesure de la vitesse dans le créneau bas ne fonctionne pas du tout ! Nous avons vu que la fréquence de la PWM devait être assez élevée pour éviter la surchauffe du moteur voire sa destruction ! Avec la fréquence de 32 kHz retenue nous sommes toujours dans le schéma 2 de la conduction continue.

La solution qui s'impose alors est de réaliser une interruption spécifique de la PWM pour cette mesure de vitesse. Ceci n'est pas compliqué à réaliser étant donné que c'est le programme du PIC qui va gérer cela. Cette solution offre de plus plusieurs avantages. Nous n'avons pas à nous soucier de la longueur du créneau à zéro qui est de taille variable dans la conduction discontinue. Cette longueur dépend du reste du type de moteur avec le risque que pour certains modèles la mesure ne devienne impossible.

Ici on peut par programme déterminer de manière optimale et constante la durée de l'interruption et sa fréquence. Il n'est pas du tout nécessaire de mesurer le vitesse à la fréquence de 32 kHz. C'est bien suffisant de le faire à la fréquence de 100 Hz, valeur qui a été retenue.

Le Programme d'Asservissement

L'asservissement en lui même est déterminé par un programme dans le micro-contrôleur de la carte qui alimente le train. Ce circuit récupère en entrée une valeur donnant la vitesse instantanée du train (notée V). Il a aussi en entrée une valeur numérique qui est la vitesse demandée par le conducteur et que l'on nomme la consigne (notée C). En sortie le processeur donne une valeur numérique indiquant le réglage de la PWM, plus précisément le rapport cyclique déterminant la tension moyenne aux bornes du moteur (notée Um). Le problème de l'asservissement est de calculer en permanence la valeur de Um à partir de V et de C, le but étant que V soit le plus près possible de la consigne C.

Dans la suite de cette présentation on va supposer que la consigne est fixe, c'est-à-dire que le conducteur souhaite garder une vitesse constante. La méthode la plus élémentaire est de calculer C - V. Il s'agit d'un nombre pouvant être positif ou négatif selon que la vitesse réelle est au dessous ou au dessus de la consigne. On détermine Um en utilisant cette différence multipliée par un coefficient fixe Gp. C'est ce qui s'appelle un asservissement proportionnel.

Cette façon de faire présente un inconvénient. Si C - V est trop petit, la valeur de Um, bien que non nulle, peut devenir insuffisante pour faire tourner le moteur. En effet, en dessous d'un certain seuil, le moteur va s'arrêter de tourner alors que la consigne n'est pas atteinte car les moteurs ne tournent que pour une valeur suffisante de la tension. Une augmentation trop importante du coefficient Gp entraîne un phénomène nommé pompage qui se traduit par une marche saccadée du train.

Pour remédier à cela on procède de la façon suivante. À chaque lecture de la vitesse - c'est-à-dire 100 fois par seconde - on cumule dans une variable la différence C - V multiplié par un coefficients Gi puis on ajoute C-V multiplié par le coefficient Gp. La valeur de Um est la tension moyenne délivrée au moteur (rapport cyclique de la PWM).

On voit que si C - V est non nul, l'accumulation dans la variable Cumul va finir par donner une tension suffisante pour faire tourner le moteur. Ce dernier ne va donc s'arrêter que si la consigne prend la valeur 0, d'où l'obtention de ralentis exceptionnels. Un tel asservissement utilise un terme que l'on nomme intégral, celui résultant du cumul auquel est ajouté un terme simplement proportionnel. Les paramètres Gp et Gi sont respectivement nommés gain proportionnel et gain intégral. Ils jouent un rôle fondamental dans le bon fonctionnement du système pour une marche régulière du train.

Réglage des Paramètres Gp et Gi

Les paramètres Gp et Gi de l'asservissement jouent un rôle important dans le comportement du moteur. S'ils sont trop faibles, l'asservissement est mou, c'est-à-dire que la vitesse n'est pas corrigée rapidement en cas d'effort à fournir (pente, etc). Pour trouver les paramètres optimaux on commence par ne rendre actif que le gain proportionnel en mettant Gi à 0. On part alors avec Gp à zéro et on l'augmente jusqu'à rencontrer le pompage. On choisi Gp le plus grand possible n'assurant pas le pompage. Une fois réglé Gp on procède de la même façon pour trouver Gi. Ces réglages se font visuellement en faisant rouler la locomotive, notre système autorisant la modification de ces paramètres pendant le fonctionnement. En principe ce réglage est à faire pour chaque type de locomotive ou du moins pour chaque type de moteur. Les moteurs à rotor sans fer ne posent pas de problèmes spécifiques mais nécessitent...

Voici un tableau récapitulatif des avantages et inconvénients des différentes fréquences PWM :

tags: #alimentation #analogique #train #fonctionnement

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