Modulation de largeur d'impulsion

La modulation de largeur d'impulsions, est une technique fréquemment utilisée pour synthétiser des signaux continus avec circuits à fonctionnement tout ou rien, ou d'une façon plus générale à états discrets.



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Électronique de puissance - Électronique

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La modulation de largeur d'impulsions (MLI ; en anglais : Pulse Width Modulation, soit PWM), est une technique fréquemment utilisée pour synthétiser des signaux continus avec circuits à fonctionnement tout ou rien, ou d'une façon plus générale à états discrets.

Le principe général est qu'en appliquant une succession d'états discrets pendant des durées bien choisies, on peut obtenir en moyenne sur une certaine durée n'importe quelle valeur intermédiaire (voir exemple ci-après).

Applications

Les usages les plus habituels sont :

Il est aussi envisageable de faire de la transmission de données par cette méthode.

Exemple simple : un convertisseur numérique-analogique

De haut en bas : le signal de commande, le signal MLI brut, la sortie analogique après filtrage.

Le principe est de générer un signal logique (valant 0 ou 1), à fréquence fixe mais dont le rapport cyclique est contrôlé numériquement. La moyenne du signal de sortie est égale au rapport cyclique : il suffit par conséquent de mettre un filtre passe-bas pour obtenir la valeur analogique recherchée.

On peut voir sur cet exemple les principales contraintes de la MLI :

Types de MLI

MLI «intersective»

Exemple de MLI à porteuse en dent de scie

C'est la plus classique. Elle consiste à comparer la modulante (le signal à synthétiser) à une porteuse le plus souvent triangulaire. Le signal de sortie vaut 1 si la modulante est plus grande que la porteuse, 0 sinon ; le signal de sortie change par conséquent d'état à chaque intersection de la modulante et de la porteuse.

Cette méthode se prête bien à une réalisation analogique : Il suffit d'un générateur triangle et d'un comparateur. Il existe de nombreux circuits intégrés dédiés.

On peut classifier les sous-types de plusieurs manières :

«Vecteur spatial»

Principe du vecteur spatial pour une MLI triphasée

La MLI dite space vector (vecteur spatial) est en particulier applicable aux variateurs de vitesse triphasés sans neutre.

Elle consiste à considérer globalement le dispositif triphasé, ainsi qu'à lui appliquer une transformée de Concordia pour se ramener dans le plan (Vα, Vβ). Le dispositif triphasé de tensions à générer pour la durée d'échantillonnage en cours peut alors être représenté comme un unique vecteur dans ce plan (voir aussi commande vectorielle).

Ce vecteur n'est pas directement réalisable par les interrupteurs du variateur, mais on peut chercher les trois configurations les plus proches (situées sur les sommets et au centre de l'hexagone), et les appliquer successivement pendant une fraction correcte de la période d'échantillonnage, de manière à obtenir en moyenne le vecteur recherché.

En modulation sinusoïdale, elle donne des résultats identiques à la MLI intersective à porteuse triangulaire centrée. Néanmoins, elle peut être plus facile à implanter dans un microcontrôleur, et , adjointe d'une harmonique 3, elle sert à maximiser la puissance disponible, ce qui justifie son usage.

MLI «précalculée»

Elle est en particulier utilisée quand, du fait d'une fréquence porteuse faible, on a besoin d'optimiser le spectre du signal généré. Le motif du signal de sortie est déterminé (hors ligne) et stocké dans des tables qui sont ensuite relues en temps réel.

De fait, ces MLI sont toujours synchrones (la fréquence porteuse est précisément multiple de la fréquence de la modulante), condition indispensable pour avoir un spectre harmonique constant.

En pratique, ce type de MLI ne peut être réalisé qu'en numérique.

Commande par hystérésis

Commande par hystérésis

Cette méthode consiste à élaborer le signal MLI directement à partir de la grandeur à contrôler, par des décisions de type tout ou rien.

Les avantages sont la très grande simplicité et le temps de réponse minimal aux perturbations. L'inconvénient majeur est l'absence de contrôle de la fréquence de commutation des transistors, ce qui rend délicat leur dimensionnement.

Principe de réalisation

En général, un logiciel tournant sur microcontrôleur calcule des signaux (voir Digital signal processor, ou DSP) MLI de commande a haute fréquence (jusqu'à à peu près 100kHz).

Ce microcontrôleur se trouve dans la partie numérique d'un circuit électronique. Ainsi commandé, le circuit suivant (généralement de puissance : MOSFET, IGBT) génère un signal électrique analogique de fréquence nettement inférieure au signal MLI mais d'une puissance nettement supérieure à l'étage numérique précédent. Ce signal analogique peut être sinusoïdal (50Hz, 220V) dans le cas d'un générateur de courant domestique à partir de batteries (convertisseur statique) mais il peut prendre n'importe quelle forme, comme par exemple celle d'un signal audio.

De façon simple, cette technique échange de la vitesse de traitement en numérique (un train continu, périodique d'impulsions binaires dont les largeurs sont finement calculées par un calculateur) contre de la précision en amplitude (analogique).

Voir aussi

Liens externes

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