On trouve dans le commerce des relais statiques à contrôle proportionnel, qui permettent par exemple de piloter la puissance d'un corps de chauffe résistif de manière plus fine qu'avec un simple relais on/off. Mais, bien souvent, ces composants ne sont pas toujours aussi proportionnels que leur nom ne l'indique, ce qui peut affecter le fonctionnement du processus de contrôle. Nous allons donc faire quelques mesures pour voir s'il est possible d'améliorer cela.
Pour ces tests, nous utiliserons le Crydom PMP2425W, un relais statique à contrôle proportionnel assez courant, qui accepte un signal de commande en 4-20 mA, 0-10 V ou 0-5 V.
Le Crydom PMP2425W avec son volumineux radiateur de refroidissement
Nous allons le piloter à l'aide d'un Yocto-4-20mA-Tx-V2-C et mesurer simultanément le signal de contrôle (à l'aide d'un Yocto-4-20mA-Rx-C) et la puissance consommée par la charge (à l'aide d'un Yocto-Watt-V2-C). Notre charge est une simple ampoule à incandescence. Voici le schéma des connexions:
Le PMP2425W offre deux modes de modulation de le puissance: le mode burst fire et le mode phase angle. D'après la notice d'utilisation, le premier mode régule la puissance en inhibant la sortie avec une granularité d'une demi-phase, tandis que le mode par contrôle de phase fonctionne comme les variateurs de lumières que nous avons testés il y a quelques temps, par activation retardée lors de chaque phase.
Nous allons commencer par des tests en mode burst fire. Un petit programme écrit en Python fait varier linéairement le signal de contrôle de 4 à 20mA, en montée puis en descente. On utilise le logiciel gratuit Yocto-Visualization pour tracer les mesures. Voici les mesures de puissance résultantes:
On observe que la granularité de contrôle du mode burst ne permet pas d'obtenir une mesure de consommation stable à l'échelle de 5 Hz. Le Yocto-Watt-V2-C nous permet de visualiser le fonctionnement de la régulation par burst fire:
Il est probable qu'à une échelle plus large, et moyennée par la latence d'un corps de chauffe, la mesures de l'énergie dissipée serait plus stable que la mesure de consommation. Néanmoins, cette granularité est de nature à affecter un processus de régulation PID par exemple.
Voyons maintenant le résultat si l'on passe le PMP2425W en mode phase angle:
Dans ce mode, la puissance consommée par la charge varie de manière bien plus claire en fonction du signal de commande. Mais la proportionnalité n'est pas vraiment respectée. Ouvrons l'interface du Yocto-Watt-V2-C pour essayer de comprendre:
Quelques observations:
- le contrôle de phase au niveau minimum (4.3mA) ne semble pas commencer à 2% mais plutôt à environ 20%
- le contrôle de phase au dessus de 95% est atypique; c'est probablement une zone à éviter
- le PMP2425W semble piloter linéairement la durée d'activation, et non la puissance
Ce dernier point explique très probablement la non-linéarité de la mesure de puissance: comme la puissance instantanée n'est pas constante au cours d'une période, une activation du relais pour un temps proportionnel à la commande ne résulte pas en une commande proportionnelle. Il faut prendre en compte le fait que la puissance de sortie intègre le sinus sur la durée active.
On va donc corriger le signal de commande pour tenir compte de l'intégration du sinus. Comme l'intégrale d'un sinus est un cosinus, on peut l'inverser à l'aide de la fonction arccos. Et pour tenir compte des deux autres observations ci-dessus, nous allons distribuer le signal de commande entre 0-19mA plutôt que 4-20mA, tout en sachant que les valeurs en dessous de 4mA ne seront pas vraiment prises en compte.
"x est la puissance relative désirée, entre 0.0 et 1.0"
current = 19 * math.acos(1 - 2 * x) / math.pi
control.set_current(current)
Et voici le résultat:
Ca n'est pas parfait, mais c'est quand même bien mieux que le résultat original. Comme quoi, c'est quand même beaucoup plus facile de régler les problèmes lorsqu'on a les outils pour les visualiser...
