OPEN—PHASE
OPEN_PHASE est une petite carte électronique open source qui se branche entre l’ESC et le moteur d’un drone. Sur chacun des trois fils, elle mesure le courant et la tension, au même instant, jusqu’à un million de fois par seconde. Cette page explique comment, étape par étape. Aucune connaissance en électronique n’est nécessaire.
La carte. Les phases entrent et sortent par les deux connecteurs du bas.
DES FILS DU MOTEUR À LA PUISSANCE, EN QUATRE ÉTAPES
La carte se glisse entre l’ESC et le moteur, sur les trois fils.
Courants et tensions deviennent de petites tensions faciles à mesurer.
Un convertisseur photographie les six valeurs au même instant.
L’ordinateur en déduit la puissance qui entre dans le moteur.
12 CHAPITRES, DU PLUS SIMPLE AU PLUS POINTU
Lisez dans l’ordre, ou allez directement à ce qui vous intéresse. Chaque chapitre commence simplement et se termine par une idée à retenir. Les détails techniques sont repliés dans des encadrés Pour aller plus loin : ouvrez-les seulement si vous êtes curieux.
Comment tourne un moteur brushless ?
Un moteur de drone n’a pas deux fils, mais trois. Pour comprendre ce que mesure OPEN_PHASE, il faut d’abord voir ce qui passe dans ces trois fils.
Un moteur brushless (sans balais) a des aimants qui tournent, et autour d’eux des bobines fixes, reliées aux trois fils. On appelle ces fils les phases : A, B et C.
Pour entraîner les aimants, le champ magnétique des bobines doit tourner lui aussi. L’ESC envoie donc le courant dans les trois fils à tour de rôle, chacun décalé d’un tiers de tour.
Résultat : dans chaque fil, le courant va et vient, comme une vague. Ce qui entre par un fil ressort par les deux autres.
TROIS COURANTS QUI SE RELAIENT
Échelle relative : 1 représente le courant maximal. Ce qui entre par un fil ressort par les deux autres, donc la somme des trois vaut toujours zéro.
Trois personnes qui poussent un manège. Chacune pousse quand le manège passe devant elle, puis laisse la place à la suivante. Le manège tourne sans à-coups, parce que les poussées se relaient.
Les anciens moteurs inversaient leur courant avec des balais qui frottaient sur un collecteur. Ici, c’est l’électronique de l’ESC qui fait ce travail : plus de frottement, un meilleur rendement, une plus longue durée de vie.
POUR ALLER PLUS LOINTour électrique et tour du moteur
Un tour électrique est un cycle complet des trois courants. Un moteur de drone a plusieurs paires d’aimants, souvent sept : son rotor ne fait alors qu’un septième de tour par tour électrique. À 8 600 tours par minute, un tel moteur a une fréquence électrique d’environ 1 kHz, celle de la simulation du chapitre 10.
Les ESC à commande vectorielle (FOC) donnent des courants proches d’une sinusoïde, comme dans la démo. D’autres les envoient par paliers. OPEN_PHASE échantillonne la forme réelle, quelle qu’elle soit.
Pourquoi mesurer entre l’ESC et le moteur ?
Un banc de test de moteur doit dire combien de poussée on obtient pour chaque watt. Encore faut-il savoir combien de watts entrent dans le moteur.
La puissance électrique, c’est la tension multipliée par le courant. Mesurée à la batterie, elle dit ce que consomme tout le système : l’ESC, ses pertes, et le moteur.
OPEN_PHASE se branche entre l’ESC et le moteur. Il voit exactement ce que reçoit le moteur, phase par phase, et permet de séparer ce que perd l’ESC de ce que perd le moteur.
Avec la poussée mesurée par OPEN_WEIGHT, on obtient le chiffre qui compte pour un drone : des grammes de poussée par watt.
DE LA BATTERIE À LA POUSSÉE
- BATTERIEl’énergie stockée
- ESCdécoupe et distribue
- OPEN_PHASEmesure ce qui passe
- MOTEURtransforme en rotation
- HÉLICEpousse l’air
La puissance électrique qui entre dans le moteur, sur ses trois fils.
La poussée qui sort de l’hélice. Ensemble : des grammes de poussée par watt.
Un compteur d’eau juste avant chaque appareil. Le compteur général dit combien d’eau consomme la maison. Pour savoir ce que boit le lave-linge, il faut un compteur juste avant lui.
La carte a un connecteur MR60 côté ESC (J1) et un côté moteur (J2). Elle s’insère dans les câbles sans rien modifier, jusqu’à 35 A par phase.
Puissance = tension × courant. En mesurant les deux sur chaque phase, la carte connaît la puissance qui entre dans le moteur.
Comment mesurer un courant de 35 A ?
Mesurer 35 ampères, c’est mesurer un courant capable de faire fondre un fil fin. L’astuce consiste à mesurer… une tension.
On place sur chaque phase une résistance minuscule, un shunt : 1 milliohm, mille fois moins qu’un ohm. Tout le courant du moteur la traverse.
Un courant qui traverse une résistance y crée une tension : c’est la loi d’Ohm, U = R × I. Avec 1 mΩ, chaque ampère donne 1 millivolt, et 35 A donnent 35 mV.
C’est trop petit pour l’ADC. Un amplificateur, l’INA241A2, rend cette tension 20 fois plus grande, autour d’un zéro fixé à 2,5 V. Il peut ainsi mesurer le courant dans les deux sens.
Toute résistance chauffe et prend un peu d’énergie : P = R × I². Avec 1 mΩ, 35 A ne perdent que 1,2 W, et le moteur ne voit presque rien. Avec 1 Ω, ce serait 1 225 W : le shunt brûlerait.
Le shunt a deux grosses bornes pour le courant, et deux petites pour la mesure. Ainsi, la résistance des soudures et des pistes ne s’ajoute pas à la mesure.
Un rétrécissement dans un tuyau. Quand l’eau traverse un passage étroit, la pression baisse un peu de l’autre côté. Plus le débit est fort, plus la chute est grande : mesurer cette chute de pression, c’est mesurer le débit.
DU COURANT DU MOTEUR AU NOMBRE DE L’ADC
Le firmware refait le chemin à l’envers : courant = (2,5 V − sortie) ÷ 0,020 V/A. Ici, (2,100 − 2,500) donne +20 A. Valeurs idéales, sans les petits écarts du chapitre 10.
Un shunt transforme le courant en une petite tension : 1 mV par ampère. Un amplificateur la rend 20 fois plus grande, autour de 2,5 V.
POUR ALLER PLUS LOINPourquoi 2,5 V veut dire zéro
L’amplificateur et l’ADC fonctionnent sous 5 V. En plaçant le zéro au milieu, à 2,5 V, le courant peut circuler dans les deux sens : vers le moteur, la sortie descend ; vers l’ESC, lors d’un freinage, elle monte. La sortie pourrait représenter environ ±115 A ; à 35 A, elle n’utilise que ±0,7 V. Un INA241A3, de gain 50, donnerait plus de finesse sur ±46 A (revue de conception, point 4).
Comment mesurer une tension de 25 V ?
Mesurer la tension est plus simple, mais elle est trop grande : jusqu’à 25 V pour une batterie 6S, quand l’ADC n’accepte pas plus de 10 V.
La solution est un diviseur de tension : deux résistances en série, 40,2 kΩ et 10 kΩ, entre la phase et la masse. En leur milieu, on trouve environ un cinquième de la tension.
25,2 V deviennent ainsi environ 5 V, bien dans la plage de l’ADC. La carte peut mesurer jusqu’à 50 V.
La tension est prise côté moteur du shunt (J2) : c’est celle que reçoit vraiment le moteur.
L’entrée de l’ADC n’est pas parfaitement isolée : elle tire un tout petit courant. Le rapport réel devient 0,1977 au lieu de 0,1992, soit 0,75 % de moins. Un étalonnage, ou un réglage de l’ADC, le corrige (revue de conception, point 6).
Une carte à l’échelle 1/5. Sur une carte, tout est réduit dans le même rapport : une distance mesurée sur le papier, multipliée par l’échelle, donne la vraie. Le diviseur fait la même chose avec les volts.
25 V DANS UNE ENTRÉE DE 10 V
Sur le papier, le pont divise par 5,02. Mais l’entrée de l’ADC tire un tout petit courant, et le rapport réel devient 0,1977 au lieu de 0,1992 : sans étalonnage, toutes les tensions sont lues 0,75 % trop bas.
Un diviseur réduit la tension dans un rapport connu. Il suffit de diviser la mesure par ce rapport pour retrouver la vraie tension.
Pourquoi est-ce si difficile ?
Voici la vraie difficulté. Le shunt n’est pas posé tranquillement sur la masse : il est sur un fil qui saute de 0 à 25 V, 24 000 fois par seconde.
Pour régler la puissance, l’ESC ne fournit pas une tension intermédiaire. Il branche chaque phase sur la batterie puis sur la masse, très vite : c’est le PWM. Les bobines du moteur lissent ces impulsions.
Le shunt est sur ce fil. Ses deux bornes sautent donc ensemble de 25 V à chaque impulsion, alors que la différence entre elles, celle qu’on veut mesurer, ne fait que quelques dizaines de millivolts.
L’amplificateur doit lire cette petite différence et ignorer le grand saut commun : c’est la réjection du mode commun. L’INA241A2 a été choisi pour cela : il est conçu pour les phases de moteur sous PWM.
CE QUE VOIT L’AMPLIFICATEUR
Illustration, formes simplifiées. En haut : à chaque impulsion du PWM, les deux bornes du shunt sautent ensemble de 25 V. En bas : la seule chose utile, leur différence, mille fois plus petite. Grossie mille fois, elle montre le courant du moteur et sa petite ondulation.
Mesurer quelqu’un dans un ascenseur. Que l’ascenseur monte ou descende, la taille de la personne ne change pas : on mesure de ses pieds à sa tête, pas sa hauteur dans l’immeuble. L’amplificateur fait de même, dans un ascenseur qui fait 24 000 allers-retours par seconde.
Le modèle de l’INA241A2, écrit pour ce projet, ne simule ni sa réjection du mode commun, ni son astuce contre le PWM. Ce point sera vérifié sur la vraie carte.
QUATRE DÉFENSES CONTRE LE PWM
UN AMPLIFICATEUR SPÉCIAL
L’INA241A2 rejette le saut commun de 25 V, et fige sa sortie une microseconde à chaque front du PWM.
DES FILTRES
Un filtre RC devant chaque entrée de l’ADC adoucit les fronts : 17,5 kHz pour le courant, 48,5 kHz pour la tension.
UNE MESURE RAPIDE
En mesurant au moins 200 000 fois par seconde, la carte suit les dents du PWM au lieu de les confondre avec autre chose.
UNE MESURE PROPRE
Les deux fils de mesure partent directement des petites bornes du shunt (connexion Kelvin), sans passer par celles du courant.
Le shunt saute de 25 V à chaque impulsion du PWM. Toute la difficulté est de lire ses quelques millivolts de différence en ignorant ce saut.
Qu’y a-t-il sur la carte ?
Dix éléments, chacun avec un seul rôle. Le chemin principal va de l’ESC au moteur ; tout le reste observe ce chemin sans le perturber.
Suivez les flèches du dessin. En orange, la puissance : celle du moteur et celle de la carte. En vert, les petits signaux de mesure. En bleu, les données vers l’ordinateur, une liaison qui n’existe pas encore.
Une photo-finish. Sur une ligne d’arrivée, l’appareil photo ne gêne pas les coureurs : il les fige, tous au même instant. La carte fait de même avec les courants et les tensions qui la traversent.
LA CARTE, ÉLÉMENT PAR ÉLÉMENT
CLIQUEZ SUR UNE CASE POUR VOIR À QUOI ELLE SERT
Le cœur de la carte. Il prend six mesures exactement au même instant, comme un appareil photo qui fige d’un seul déclic les trois courants et les trois tensions, jusqu’à un million de fois par seconde.
- 8 voies, 6 utilisées, échantillonnées ensemble
- 18 bits : 262 144 pas sur ±10 V
- Jusqu’à un million de mesures par seconde
TROIS CHOIX QUI FAÇONNENT LA CARTE
LES TROIS PHASES
Avec les trois courants et les trois tensions, la puissance est exacte, même quand les phases ne sont pas équilibrées.
UN SEUL DÉCLIC
Un seul convertisseur échantillonne ses six voies ensemble : aucun décalage entre voies à corriger, sauf celui des filtres.
UNE SEULE RÈGLE
Le +2,5VA est à la fois le zéro des amplificateurs et la référence de l’ADC. S’il bouge, les deux bougent ensemble : le zéro du courant, lui, ne bouge pas.
Des shunts et des diviseurs transforment courants et tensions en petites tensions. Des amplificateurs et des filtres les préparent. Un ADC les photographie toutes au même instant.
Pourquoi tout mesurer au même instant ?
La puissance, c’est la tension multipliée par le courant, au même instant. Si les deux mesures ne sont pas prises au même moment, la multiplication est fausse.
Beaucoup de convertisseurs n’ont qu’un cœur de mesure : ils lisent leurs entrées l’une après l’autre. Entre la tension et le courant d’une même phase, il s’écoule alors quelques microsecondes.
L’AD7606C-18 a un échantillonneur par voie. Au signal de départ, ses huit voies figent leur valeur au même instant, puis il les convertit une à une. Il peut le faire un million de fois par seconde, avec 18 bits : 262 144 pas.
Il reste un décalage que l’ADC ne peut pas corriger : celui des filtres. La voie du courant (17,5 kHz) répond un peu plus lentement que celle de la tension (48,5 kHz). Essayez son effet ci-dessous.
SIX MESURES, UN SEUL DÉCLIC
V : tension, I : courant, pour les phases A, B et C. À gauche, chaque valeur est prise un peu plus tard que la précédente : la tension et le courant d’une phase ne correspondent pas au même instant. À droite, comme l’AD7606C, tout est figé d’un seul coup.
Une photo de groupe. Si le photographe prend chaque personne séparément, à une seconde d’écart, la photo de groupe ne montre pas un seul instant. Avec un seul déclic, tout le monde est figé au même moment.
Sur la plage de ±10 V, un pas vaut 76 millionièmes de volt : 3,8 mA pour le courant, 0,39 mV pour la tension. Le bruit d’une mesure, environ 10 mA et 0,85 mV, disparaît en moyennant.
UN PETIT DÉCALAGE, UNE GROSSE ERREUR ?
Ce calcul ne garde que l’onde principale : il montre le principe. Avec le PWM, la simulation complète du chapitre 10 trouve davantage, −4,2 %. Le retard compte d’autant plus que le moteur tourne vite et que la tension et le courant sont décalés.
Pour multiplier une tension par un courant, il faut les deux au même instant. L’AD7606C fige ses six voies d’un seul déclic ; seul le petit retard des filtres reste à corriger.
POUR ALLER PLUS LOINQuelle entrée de l’ADC pour quel signal
| ENTRÉE | SIGNAL | CHEMIN |
|---|---|---|
| V1 | Tension de la phase C | OUT-C, R35 / R36, Re3, C34, R22 |
| V2 | Courant de la phase C | Shunt R7, IC6, R21, C33, R18 |
| V3 | Tension de la phase B | OUT-B, R31 / R32, Re1, C32, R20 |
| V4 | Courant de la phase B | Shunt R4, IC4, R17, C29, R16 |
| V5 | Tension de la phase A | OUT-A, R27 / R28, Re2, C31, R19 |
| V6 | Courant de la phase A | Shunt R1, IC2, R13, C25, R15 |
| V7, V8 | Inutilisées | En l’air : à relier à la masse (revue, point 2) |
L’ADC est utilisé sur sa plage de ±10 V, avec le +2,5VA comme référence externe. La tension de phase est prise côté J2 du shunt. Sa liaison numérique (CONVST, BUSY, CS, SCLK, DOUT…) n’est pas encore reliée : il manque le connecteur hôte.
D’où vient une règle précise ?
Pour mesurer précisément, il faut une règle précise. Sur cette carte, la règle est une tension : 2,5 V, à quelques dix-millièmes près.
La seule alimentation que la carte reçoit. Son connecteur reste à ajouter.
Monte à 6 V en commutant deux millions de fois par seconde.
Moins d’un millième de volt d’ondulation.
Une référence fixe la valeur, un régulateur la recopie avec du courant.
Alimentent amplificateurs et ADC, et servent de zéro et de règle.
Un convertisseur élévateur, le LT8362, monte le 3,3 V de l’hôte à 6 V, en s’allumant et s’éteignant deux millions de fois par seconde. Il gaspille peu d’énergie, mais laisse une petite ondulation.
Une référence LTC6655 fixe la tension à quelques millionièmes près, mais ne peut pas fournir de courant. Un régulateur LT3045-1, très silencieux, recopie cette tension et fournit le courant. Au passage, il retire l’ondulation de la pompe.
LA CARTE MET 100 ms À SE RÉVEILLER
1 ms, c’est un millième de seconde.
L’hôte applique le 3,3 V.
À travers la bobine et la diode, le 6 V est déjà à 3 V.
Le 6 V atteint 90 %, puis se stabilise à 5,96 V.
Elles sont à 93 % de leur valeur.
Les deux rails sont à 1 % près.
À 0,1 % près.
Il n’y a pas de signal « prêt » : on attend ce délai.
Pourquoi si lent ? Les régulateurs suivent leur référence à travers un filtre qui en retire le bruit (constante de temps de 9,8 ms). Le calme prend du temps.
Le mètre étalon et sa copie. Le mètre étalon, précieux, reste au coffre ; on en fait des copies pour mesurer tous les jours. La référence est l’étalon, le régulateur fabrique la copie qui travaille.
En simulation, +5VA = 4,9998 V et +2,5VA = 2,4996 V. L’ondulation de la pompe qui atteint le +2,5VA : 0,019 millionième de volt.
Une pompe monte le 3,3 V à 6 V. Deux références fixent 5 V et 2,5 V, deux régulateurs les recopient sans bruit. Le 2,5 V est la règle de toute la mesure.
POUR ALLER PLUS LOINCombien la carte consomme
| CHARGE | RAIL | COURANT | REMARQUE |
|---|---|---|---|
| AD7606C-18, partie analogique | +5VA | 8,5 à 45 mA | 8,5 mA à 10 000 mesures/s, 45 mA à un million |
| 3 × INA241A2 | +5VA | 7,5 mA | 2,5 mA chacun |
| 2 × LTC6655 et 2 × LT3045-1 | +6V | ≈ 13 mA | 5 mA par référence |
| Total sur le 6 V (simulé) | +6V | 65 mA | ADC à un million de mesures par seconde |
| AD7606C-18, partie numérique | +3.3V | < 2 mA | |
| Total de la carte (simulé) | +3.3V | ≈ 130 mA | 0,43 W |
POUR ALLER PLUS LOINLes composants de l’alimentation, et deux erreurs corrigées
LT8362 (IC5) : 2 MHz (RT = 20 kΩ), diviseur de 1 MΩ / 365 kΩ, soit 5,98 V calculés et 5,96 V simulés. LTC6655-5 (IC7) et LTC6655-2.5 (IC3), chacune pilotant la broche SET d’un LT3045-1 (IC8, IC9) à travers 1 kΩ, avec 10 µF sur SET. Aucun signal « Power-Good » n’est utilisé : il faut attendre le délai.
Deux défauts du +2,5VA ont été corrigés en documentant et en simulant. IC3 était la version LN de la référence, câblée comme la version standard : c’est maintenant une LTC6655-2.5 standard. Et R12 valait 49,9 kΩ : le +2,5VA se serait stabilisé à 2,549 V, hors de la fenêtre de l’ADC. Avec 24,9 kΩ, il donne 2,4996 V.
Comment tester un circuit avant de le fabriquer ?
Avant de commander la carte, le circuit a été testé dans un ordinateur : huit simulations, chacune pour une question.
Un simulateur de vol, pour l’électronique. On dessine le circuit, on lance le calcul, et le logiciel calcule chaque tension et chaque courant, instant après instant. Si quelque chose cloche, on le découvre gratuitement, avant d’avoir fabriqué quoi que ce soit.
Huit simulations ont été menées avec LTspice : six sur l’alimentation et les voies de mesure, présentées ici, et deux sur la précision, au chapitre suivant. Choisissez un onglet : chaque figure a sa question, une réponse courte et un guide de lecture.
La résistance R12 valait 49,9 kΩ. Le +2,5VA se serait stabilisé à 2,549 V, hors de la fenêtre de 2,495 à 2,505 V qu’exige l’ADC. Corrigée à 24,9 kΩ, elle donne 2,4996 V. Trouvé dans l’ordinateur, ce défaut n’a rien coûté.
Elle vérifie que l’idée est bonne. Le routage, les condensateurs réels et les vrais fronts du PWM changeront un peu les chiffres. Ils seront mesurés sur la première carte.
L’alimentation démarre-t-elle correctement ?
Oui. Le 6 V est là en moins d’un millième de seconde, sans dépassement dangereux. Les deux rails analogiques commencent alors à monter, lentement : il leur faut environ 100 ms, bien plus que cette fenêtre de 12 ms (onglet suivant).
En haut : les quatre tensions pendant les 12 premières millisecondes. Le 3,3 V arrive de l’hôte, le 6 V sort de la pompe, et les deux rails analogiques montent (le +2,5VA en pointillés). En bas : le courant dans la bobine de la pompe. C’est une bande, de la valeur la plus basse à la plus haute, car il pulse deux millions de fois par seconde.
- 6 V stabilisé à 5,961 V, 90 % atteints en 0,87 ms
- Dépassement maximal : 6,04 V
- Pic de 3,08 A dans la bobine à la mise sous tension : les condensateurs du 6 V se chargent à travers elle
- Pendant le démarrage progressif : 0,98 A au plus ; la bobine ne sature qu’à 20,7 A
LES VALEURS EN TABLEAU
| Temps (ms : millièmes de seconde) | 3,3 V, venu de l’hôte | 6 V, après la pompe | +5VA, alimentation analogique | +2,5VA, la référence |
|---|---|---|---|---|
| 0 ms | 0,000 V | -0,001 V | -1,367 V | -0,632 V |
| 1,5 ms | 3,291 V | 5,968 V | 0,197 V | 0,934 V |
| 3 ms | 3,292 V | 5,953 V | 0,686 V | 0,919 V |
| 4,5 ms | 3,293 V | 5,962 V | 1,281 V | 0,904 V |
| 6 ms | 3,294 V | 5,962 V | 1,809 V | 1,041 V |
| 7,5 ms | 3,294 V | 5,962 V | 2,254 V | 1,249 V |
| 9 ms | 3,295 V | 5,961 V | 2,641 V | 1,427 V |
| 10,5 ms | 3,296 V | 5,961 V | 2,975 V | 1,581 V |
| 12 ms | — | — | — | — |
LES VALEURS EN TABLEAU
| Temps (ms : millièmes de seconde) | Courant de la bobine |
|---|---|
| 0 ms | — |
| 1,5 ms | -0,02 A à 0,65 A |
| 3 ms | -0,02 A à 0,37 A |
| 4,5 ms | -0,02 A à 0,32 A |
| 6 ms | -0,02 A à 0,32 A |
| 7,5 ms | -0,02 A à 0,31 A |
| 9 ms | -0,02 A à 0,31 A |
| 10,5 ms | -0,02 A à 0,31 A |
| 12 ms | — |
Tracé à partir des résultats de simulation du projet (commit 4edc688), allégés à quelques centaines de points par courbe. Passez le pointeur sur un graphique, ou sélectionnez-le et utilisez les flèches du clavier, pour lire les valeurs exactes.
Tester d’abord dans l’ordinateur : l’alimentation démarre, les rails sont justes, et les voies laissent passer le moteur mais pas la pompe.
POUR ALLER PLUS LOINComment les simulations sont construites
- Chaque valeur vient de la netlist KiCad, avec les mêmes repères que sur le schéma.
- LT8362, LT3045-1, LTC6655 : les modèles officiels d’Analog Devices, fournis avec LTspice.
- INA241A2 : Texas Instruments ne fournit pas de modèle LTspice. Un modèle comportemental a été écrit d’après la fiche technique : gain de 20, 1,1 MHz de bande passante, 8 V/µs. Il ne modélise ni son bruit, ni sa réjection du mode commun, ni son maintien de sortie pendant le PWM.
- AD7606C-18 : seulement ses charges, 45 mA et 1,8 mA, et 1,2 MΩ sur chaque entrée.
- Condensateurs céramiques à leur valeur nominale : leur perte de capacité sous tension n’est pas prise en compte.
Quelle précision peut-on attendre ?
Une mesure n’est jamais parfaite. Les deux dernières simulations prédisent de combien la carte se trompera, et comment réduire cette erreur.
Trois choses éloignent une lecture de la vérité : les tolérances des composants, qui changent d’une carte à l’autre ; la température, qui les fait dériver ; et le PWM, que les voies ne suivent pas parfaitement.
Contre les deux premières, la réponse est l’étalonnage : montrer une fois à la carte un courant et une tension connus, et corriger son calcul. Contre la troisième : mesurer vite, et corriger le décalage entre les voies.
CE QUE CONSEILLE LA SIMULATION
Sans étalonnage, la carte lit +0,75 A à courant nul. Multiplié par 12,6 V, cela ajoute 9,5 W à une phase qui en porte 90.
Toute la dispersion du courant vient du shunt, ±0,5 %. Une seule mesure contre un courant connu la retire.
Au moins 200 000 mesures par seconde, sinon le PWM se replie dans la puissance.
Sous PWM, la puissance lue dépend de l’inductance du shunt, inconnue : −4,2 % sans, +4,7 % avec 10 nH. Une fois le décalage mesuré et corrigé, l’erreur reste sous ±1,5 %.
La tare d’une balance de cuisine. On pose le bol vide et on appuie sur tare : la balance l’appelle zéro. Étalonner la carte, c’est pareil : on lui montre zéro, puis une valeur connue.
QUE LIRA LA CARTE ?
Choisissez une valeur vraie. Chaque barre montre où tombera la lecture, pour 95 % des cartes.
Prédictions de la simulation Monte-Carlo (1 000 cartes) complétées par les fiches techniques. Après étalonnage, ce qui reste est la dérive si la température change de 20 °C, échauffement du shunt compris. Il faut y ajouter un bruit de 10 mA et 0,85 mV sur chaque mesure, qui disparaît en moyennant.
Que lit la carte quand l’ESC fonctionne pour de vrai ?
La forme du courant, sans le détail de chaque impulsion. Après étalonnage, la puissance lue est à −4,19 % de la vraie si le shunt n’a pas d’inductance, à +4,73 % s’il en a 10 nH : ce décalage devra être mesuré sur une vraie carte.
La simulation fait tourner une phase de moteur sous un PWM de 24 kHz. Le gris est la vérité ; la couleur est ce que lit la carte, recalculé comme le ferait un firmware. En haut à gauche : le courant sur un tour électrique. En haut à droite : un zoom sur les dents du PWM, avec un shunt sans inductance et avec 10 nH. En bas : la tension de la phase, sur le même zoom.
- Batterie 25,2 V, PWM 24 kHz, moteur à 1 kHz électrique
- Courant : 19,9 A crête, 14,22 A efficaces ; puissance vraie : 89,87 W
- Courant efficace lu : −0,95 % ; la carte garde 41 à 75 % des dents du PWM
- Tension efficace lue 14,49 % trop bas : les filtres arrondissent les fronts. Utiliser la moyenne
LES VALEURS EN TABLEAU
| Temps (ms : millièmes de seconde) | Vérité | Lecture de la carte |
|---|---|---|
| 0 ms | 0,05 A | -3,11 A |
| 0,125 ms | 13,89 A | 12,13 A |
| 0,25 ms | 19,98 A | 19,26 A |
| 0,375 ms | 14,21 A | 14,15 A |
| 0,5 ms | -0,08 A | 0,48 A |
| 0,625 ms | -14,21 A | -13,34 A |
| 0,75 ms | -19,85 A | -20,43 A |
| 0,875 ms | -14,00 A | -16,60 A |
| 1 ms | 0,05 A | -3,11 A |
LES VALEURS EN TABLEAU
| Temps (µs : millionièmes de seconde) | Vérité | Lecture, shunt sans inductance | Lecture, shunt de 10 nH |
|---|---|---|---|
| 0 µs | — | — | — |
| 18,8 µs | 21,14 A | 20,54 A | 21,46 A |
| 37,5 µs | 18,82 A | 19,05 A | 18,37 A |
| 56,3 µs | 21,26 A | 19,59 A | 20,50 A |
| 75 µs | 16,04 A | 18,09 A | 16,17 A |
| 93,8 µs | 19,04 A | 17,35 A | 18,14 A |
| 113 µs | 11,63 A | 16,68 A | 13,81 A |
| 131 µs | 15,47 A | 13,99 A | 14,36 A |
| 150 µs | 9,52 A | 14,43 A | 12,45 A |
LES VALEURS EN TABLEAU
| Temps (µs : millionièmes de seconde) | Vérité | Lecture de la carte |
|---|---|---|
| 0 µs | — | — |
| 18,8 µs | -0,02 V | 24,26 V |
| 37,5 µs | 25,18 V | 21,21 V |
| 56,3 µs | 25,18 V | 24,91 V |
| 75 µs | 25,19 V | 15,21 V |
| 93,8 µs | 25,18 V | 24,53 V |
| 113 µs | 25,19 V | 6,25 V |
| 131 µs | 25,18 V | 23,36 V |
| 150 µs | -0,01 V | 6,94 V |
Tracé à partir des résultats de simulation du projet (commit 4edc688), allégés à quelques centaines de points par courbe. Passez le pointeur sur un graphique, ou sélectionnez-le et utilisez les flèches du clavier, pour lire les valeurs exactes.
Prendre le zéro, étalonner le gain, mesurer au moins 200 000 fois par seconde. Il restera à mesurer, sur la vraie carte, le décalage entre courant et tension.
POUR ALLER PLUS LOINDes tensions de l’ADC aux ampères et aux volts
| SUR UNE MESURE | COURANT | TENSION |
|---|---|---|
| Un pas de l’ADC (18 bits, ±10 V) | 3,8 mA | 0,39 mV |
| Bruit de l’ADC | 8,4 mA eff. | 0,85 mV eff. |
| Bruit de l’INA241A2 | 6,2 mA eff. | |
| Total, sur une mesure | 10,4 mA eff. | 0,85 mV eff. |
Si la température change de 20 °C après l’étalonnage, le zéro du courant peut dériver de 58 mA : reprendre le zéro avant chaque essai.
POUR ALLER PLUS LOINLa puissance sous PWM, selon l’inductance du shunt
| SHUNT | RETARD DU COURANT | RETARD DE LA TENSION | DENTS GARDÉES | APRÈS ÉTALONNAGE | DÉCALAGE CORRIGÉ |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 nH | 15,5 µs | 9,6 µs | 41 % | −4,19 % | +1,28 % |
| 5 nH | 10,6 µs | 9,6 µs | 51 % | +0,27 % | +1,29 % |
| 10 nH | 5,6 µs | 9,6 µs | 75 % | +4,73 % | −1,44 % |
La fiche technique du shunt dit seulement « moins de 10 nH ». Cette inductance ajoute une tension proportionnelle à la pente du courant, qui s’oppose au filtre de la voie du courant : elle change le retard, et donc la puissance lue. Les retards sont mesurés à la fréquence électrique et comprennent le filtre d’entrée de l’ADC.
À quoi ressemble la carte ?
Voici la carte telle qu’elle est dessinée aujourd’hui, avec ce qui est fini et ce qui ne l’est pas encore.
LA CARTE EN 3D
La conception publiée. Les pièces qui attendent encore hors du contour (la pompe et deux connecteurs XT60) ne sont pas montrées.
Faites glisser pour tourner la carte. Les boutons zooment et passent d’une vue à l’autre.
LE CUIVRE, COUCHE PAR COUCHE
Les quatre couches de la carte. Affichez-les ou masquez-les, et zoomez.
Faites glisser pour déplacer. Zoomez avec les boutons, ou avec Ctrl + molette.
REPÉREZ LES COMPOSANTS
- 01Les deux gros connecteurs noirs, en bas : J1 côté ESC, J2 côté moteur.
- 02Les trois blocs entre eux : les shunts, un par phase.
- 03Le grand carré à droite : l’ADC AD7606C-18 et ses 64 pattes.
- 04Le cadre marqué LTC6655 : les deux références et leurs régulateurs, 5 V et 2,5 V.
- 05La rangée marquée FILTRE : les filtres des six voies, repérés A, B et C.
- 06Au dos (retournez le modèle) : les trois amplificateurs et les diviseurs, juste sous les shunts.
Chaque couleur est une couche de cuivre. Les lignes fines sont des pistes qui transportent un signal ; les larges bandes, près des connecteurs, portent le courant du moteur. Les grandes zones pleines sont des plans de cuivre, pour la masse. Les petits trous ronds relient les couches entre elles.
Un peu moins de surface qu’une carte bancaire.
Et 17 qui attendent encore à côté de la carte.
Du cuivre épais à l’extérieur, 70 µm, pour les forts courants.
Un côté ESC, un côté moteur : 35 A par phase.
Un par phase, 1 mΩ chacun.
M3, reliés à la masse.
POUR ALLER PLUS LOINCaractéristiques techniques
| PARAMÈTRE | VALEUR |
|---|---|
| Dimensions | 65,05 × 59,5 mm |
| Empilement | 4 couches, 1,66 mm, cuivre extérieur de 70 µm |
| Finition | Or par immersion, vernis épargne noir, sérigraphie jaune |
| Composants | 80 dans la nomenclature (65 dessus, 15 dessous), dont 17 encore hors du contour |
| Connecteurs | 2 × Amass MR60PW : J1 côté ESC, J2 côté moteur |
| Fixation | 4 trous M3, reliés à la masse |
| CAO | KiCad 10 |
POUR ALLER PLUS LOINLes principaux composants
| REPÈRE | COMPOSANT | RÔLE |
|---|---|---|
| IC1 | AD7606C-18 | Convertisseur 8 voies, 18 bits, 1 million de mesures par seconde, échantillonnage simultané |
| IC2, IC4, IC6 | INA241A2 | Amplificateur de shunt, gain de 20, conçu pour rejeter le PWM |
| R1, R4, R7 | PBV-R001 | Shunt de 1 mΩ à quatre bornes, Isabellenhütte |
| IC5 | LT8362 | Convertisseur élévateur 2 MHz (pas encore placé) |
| IC3, IC7 | LTC6655 | Références de tension 2,5 V et 5 V, très faible bruit |
| IC8, IC9 | LT3045-1 | Régulateurs linéaires à très faible bruit, pilotés par les références |
| L1, D2 | 744373965022, PMEG2020EH | Bobine de 2,2 µH et diode Schottky de la pompe |
| J1, J2 | MR60PW | Connecteurs des phases, 35 A |
| J5, J6 | XT60PW-M | Connecteurs XT60, ajoutés récemment, pas encore placés |
Où en est le projet, et pourquoi tout est public ?
OPEN_PHASE est un travail en cours. Tout est public, y compris ce qui reste à faire.
La partie de mesure est dessinée et routée : shunts, amplificateurs, diviseurs, filtres, ADC et références. Il manque encore deux choses pour fabriquer la carte : le connecteur vers l’hôte, qui apportera le 3,3 V et lira les mesures, et le placement de la pompe, dont les composants attendent hors du contour.
Le projet a d’abord été publié sous le nom PhaseSense-8586, avec un INA240 et un ADS8586S. Il utilise maintenant l’INA241A2 et l’AD7606C-18, et s’appelle OPEN_PHASE.
| PARTIE | ÉTAT |
|---|---|
| Partie analogique : shunts, INA241A2, diviseurs, filtres | Dessinée et routée |
| AD7606C-18 : alimentation, référence et entrées | Dessinés et routés |
| AD7606C-18 : interface numérique | Pas encore reliée : il n’y a pas de connecteur hôte |
| Entrée +3,3 V | Pas encore de connecteur |
| Alimentation : LT8362, LTC6655, LT3045-1 | Dessinée ; la pompe n’est pas placée (37 connexions à router) |
| Vérifications ERC / DRC | 43 et 126 erreurs ; l’intégration continue tourne en variante PRELIMINARY |
Un chantier avec des fenêtres. Certains chantiers percent des fenêtres dans leurs palissades : chacun peut voir l’avancement, échafaudages compris. Le matériel libre, c’est un chantier avec des fenêtres partout.
LA REVUE DE CONCEPTION : HUIT POINTS À DÉCIDER
Relevés en vérifiant le schéma contre les fiches techniques, et en simulant. Aucun n’est encore tranché dans le schéma.
- 01L’ADC n’a pas encore d’interface numérique, et la carte pas d’entrée 3,3 V : il faut ajouter le connecteur hôte et fixer les broches de mode.
- 02Des broches de l’ADC restent en l’air (AGND, REFGND, entrées V7 et V8 inutilisées) alors que la fiche technique demande de les relier à la masse.
- 03La broche 4 des INA241A2 est en l’air ; la fiche technique demande de la relier à la masse.
- 04À 35 A, le gain de 20 n’utilise que ±0,7 V. Garder ce gain (±115 A possibles) ou passer à un INA241A3 (gain de 50, ±46 A) pour plus de finesse.
- 05La voie du courant a un décalage de 15 mV, soit 0,75 A, créé par le courant d’entrée de l’ADC dans la résistance de 9,1 kΩ. Un étalonnage du zéro le retire.
- 06La voie de tension lit 0,75 % trop bas, à cause de l’impédance d’entrée de l’ADC. Un étalonnage, ou le réglage de gain de l’ADC, le corrige.
- 07Le PCB n’est pas fini : la pompe est hors du contour, et quelques symboles ne correspondent pas à leurs empreintes.
- 08Le décalage entre courant et tension ne sera connu qu’avec une vraie carte : il faudra le mesurer, puis l’ajuster par les filtres ou le corriger dans le firmware.
DESSINER
Le circuit et la carte sont dessinés dans KiCad, un logiciel de conception libre et gratuit.
ENREGISTRER
Chaque modification est enregistrée dans un dépôt public, avec tout son historique.
VÉRIFIER ET GÉNÉRER
Un robot régénère les documents : schéma, fichiers de fabrication, nomenclature, images 3D.
PUBLIER
Les documents tout frais sont enregistrés dans le dépôt, ouverts à tous.
VOYEZ PAR VOUS-MÊME
Ce sont les vrais documents du projet, en anglais. Ils s’ouvrent sur GitHub, dans un nouvel onglet.
Un projet ouvert montre aussi ce qui n’est pas fini. Vous pouvez lire la revue de conception, relancer les simulations et proposer une correction.
POUR ALLER PLUS LOINComment fonctionne l’automatisation
La conception est réalisée dans KiCad 10. À chaque push sur dev ou main, GitHub Actions lance KiBot, qui régénère les sorties et les enregistre dans le dépôt. Le travail se fait sur la branche dev ; main ne reçoit que des fusions depuis dev, et porte les versions taguées.
VARIANTES DE GÉNÉRATION
| VARIANTE | SORTIES | ERC / DRC | USAGE |
|---|---|---|---|
| DRAFT | Schéma seul | — | Début de conception |
| PRELIMINARY | Schéma + PCB | — | Itérations de routage (réglage actuel) |
| CHECKED | Complètes | Imposés | Revue de conception |
| RELEASED | Complètes | Imposés | Versions taguées |
POUR ALLER PLUS LOINCe que contient le dépôt
Les huit simulations, le modèle de l’INA241A2, les scripts qui les lancent et les deux rapports de résultats.
Gerbers, tables de perçage, nomenclature, positions de placement, plans de fabrication et d’assemblage.
Le schéma exporté en PDF : synoptique, architecture, séquencement de l’alimentation et les feuilles fonctionnelles.
Bibliothèques autonomes : chaque symbole, empreinte et modèle 3D utilisé sur la carte.
Configuration KiBot : un fichier YAML par document généré.
Rendus 3D, figures des simulations et export STEP de la carte.
POUR ALLER PLUS LOINHistorique des révisions
- — 3 shunts PBV de 1 mΩ et 3 INA241A2 (gain de 20)
- — 3 diviseurs de tension 40,2 k / 10 k
- — ADC AD7606C-18, 6 entrées utilisées
- — +3,3 V → LT8362 6 V → LT3045-1 +5VA / +2,5VA
- — Bibliothèques et modèles 3D autonomes
- — Simulations LTspice
- — Qualité de mesure prédite (simulations 07 et 08)
- — Renommé en OPEN_PHASE, migré vers KiCad 10
- — Feuilles nommées selon leur fonction
- — IC3 : LTC6655LN-2.5 remplacé par un LTC6655-2.5
- — R12 : 49,9 kΩ remplacée par 24,9 kΩ (+2,5VA = 2,500 V)
Pas encore de version taguée : la carte n’est pas prête à fabriquer.
Ce qu’il faut retenir
Un moteur brushless reçoit son énergie par trois fils, dont les courants se relaient.
Pour connaître cette énergie, il faut la tension et le courant de chaque phase, au même instant.
Un shunt de 1 mΩ transforme le courant en millivolts ; un amplificateur les rend 20 fois plus grands.
Un diviseur réduit la tension de la phase par cinq, pour l’ADC.
Le plus dur : lire quelques millivolts sur un fil qui saute de 25 V à chaque impulsion du PWM.
Un convertisseur fige les six voies d’un seul déclic, jusqu’à un million de fois par seconde.
Étalonner le zéro et le gain, mesurer vite, puis corriger le décalage des filtres : la précision vient de là.
Le projet est en cours, et tout est public, y compris ce qui reste à faire.
Les mots, en langage simple
Tous les mots techniques de cette page, expliqués en une phrase.
- ADC (CAN)
- Convertisseur analogique-numérique : une puce qui transforme une tension en nombre. ADC en anglais, CAN en français.
- Amplification (gain)
- Rendre un signal plus grand. Un gain de 20 le rend 20 fois plus grand.
- Bit
- La taille d’un nombre dans un ordinateur. 18 bits permettent 262 144 valeurs : plus il y a de bits, plus les pas sont fins.
- Brushless
- Moteur « sans balais » : des aimants tournent face à des bobines fixes, alimentées tour à tour par l’électronique.
- Convertisseur élévateur (boost)
- Un circuit qui monte une tension en commutant très vite. Efficace, mais il laisse de l’ondulation.
- Diviseur de tension
- Deux résistances en série qui donnent, en leur milieu, une fraction connue de la tension.
- Échantillonnage simultané
- Mesurer plusieurs signaux exactement au même instant, comme d’un seul déclic d’appareil photo.
- Échantillonnage
- Mesurer un signal à intervalles réguliers. 200 000 mesures par seconde, c’est une toutes les 5 µs.
- ESC
- Le variateur du moteur : il découpe la tension de la batterie et l’envoie tour à tour sur les trois phases.
- Étalonnage
- Montrer à la carte une valeur connue, zéro puis une valeur précise, pour corriger son calcul.
- Loi d’Ohm
- La tension aux bornes d’une résistance vaut sa résistance multipliée par le courant : U = R × I.
- Matériel libre (open hardware)
- Du matériel dont les fichiers de conception sont publics : chacun peut l’étudier, le fabriquer et le modifier.
- Mode commun
- La tension que deux points ont en commun, par opposition à leur différence. Ici, le saut de 25 V qui touche les deux bornes du shunt.
- Monte-Carlo
- Simuler un grand nombre de cartes, chaque composant tiré au hasard dans sa tolérance, pour voir la dispersion.
- Ondulation
- Les petites oscillations rapides qui restent sur une alimentation.
- Phase
- Un des trois fils d’un moteur brushless, et le courant qui y circule.
- Puissance
- L’énergie transmise par seconde, en watts : la tension multipliée par le courant, au même instant.
- PWM
- Modulation de largeur d’impulsion : allumer et éteindre très vite, la durée allumée réglant la puissance moyenne.
- Référence de tension
- Une puce qui fournit une tension très précise et très stable, qui sert de règle.
- Régulateur (LDO)
- Un circuit qui abaisse une tension et la maintient stable. Silencieux, mais il ne peut que descendre.
- Shunt
- Une résistance très faible et très précise, traversée par le courant à mesurer.
- Simulation
- Calculer dans un ordinateur le comportement d’un circuit, avant de le fabriquer.
- Valeur efficace (RMS)
- La valeur continue qui chaufferait autant qu’un courant ou une tension qui varie.
MAINTENANT, ALLEZ VOIR À L’INTÉRIEUR
Vous savez maintenant comment OPEN_PHASE mesure ce qui entre dans un moteur. Le projet est publié sous licence MIT : utilisez-le, étudiez-le, modifiez-le. Les avis sur la revue de conception et les premières mesures réelles sont les bienvenus.