Dans cet article, je me propose de tordre le cou à deux fausses informations qui se promènent sur les forums de petits trains. Je veux parler des notions de régulation de charge et de modulation de largeur d’impulsion. Toutefois, disons tout de suite que les erreurs ou imprécisions concernant ces notions n’ont heureusement aucune incidence sur le fonctionnement de nos trains. Je veux donc seulement rétablir une certaine vérité dans un souci de rigueur technique.

Note de mise à jour

En fait, sur les forums, on parle plutôt de compensation de charge que de régulation de charge. C’est nettement plus correct ! Mais ce qui suit n’en reste pas moins d’actualité.

La régulation de charge ?

Lorsqu’on parle de régulation, ou d’asservissement (la régulation n’étant qu’un « sous-ensemble » des asservissements), il est question d’une grandeur, électrique ou mécanique, que l’on veut rendre égale, quelles que soient les perturbations, à une valeur donnée, décidée par l’utilisateur, que l’on appelle consigne. Si la consigne est fixe, ou rarement ou lentement modifiée, il s’agit de régulation ; si la consigne peut varier rapidement, il s’agit d’asservissement.

Un exemple frappant d’asservissement, qui n’a rien à voir avec les petits trains, est celui de l’exosquelette biomécanique qui a d’abord fait partie de la science-fiction (voir le film Aliens, le retour) mais qui existe réellement à l’heure actuelle. C’est une sorte de robot duquel s’habille un opérateur, et qui reproduit fidèlement les gestes de ce dernier (la consigne) en amplifiant la force de ces gestes.

La régulation d’un train miniature n’est pas une régulation de charge !

Ce que désire l’utilisateur, c’est qu’un train n’ait pas sa marche perturbée lorsqu’il aborde un accident de terrain : courbe, rampe, descente. Il veut que son train conserve sa vitesse, qu’il a affichée avec son dispositif de commande (curseur, bouton rotatif, boutons-poussoirs associés à un afficheur, etc.) Dans ce cas, la vitesse affichée, c’est la consigne. La vitesse réelle du train, c’est la grandeur asservie.

On voit donc clairement qu’il s’agit d’une régulation de vitesse, et non d’une régulation de charge (charge signifiant effort de traction). On peut expliquer cet abus de langage : ce serait une contraction assez maladroite de la phrase « Régulation de la vitesse quelle que soit la charge ».

Remarquons que le fait de conserver une vitesse constante n’est pas vraiment une image de la réalité. Les vrais trains ralentissent en rampe, surtout du temps de la vapeur. Les machines électriques ont une réserve de puissance qui leur permet de franchir les obstacles plus facilement, mais c’est bien sûr au conducteur d’anticiper l’arrivée de l’obstacle pour conserver au mieux sa vitesse.

Aspect mécanique et aspect électrique

Nous venons de voir l’aspect mécanique de la chose, avec les deux paramètres principaux que sont la vitesse d’une part et l’effort (force, couple) d’autre part. Le produit de la vitesse par l’effort n’est autre que la puissance :

P = v × F avec P en watts (W), v en mètres par seconde (m.s−1), F en newtons (N)

Nos petits trains sont très généralement mus par des moteurs électriques, qui ne sont rien d’autre que des convertisseurs d’énergie : ils convertissent l’énergie électrique en énergie mécanique, avec, comme dans toute conversion, une certaine perte qui se traduit par la notion de rendement. La puissance récupérée côté mécanique sera un peu inférieure à celle introduite côté électrique, le rapport de la première à la seconde sera précisément le rendement.

Côté électrique, la puissance est aussi le produit de deux facteurs, la tension et le courant :

P = U × I avec P en watts (W), U en volts (V), I en ampères (A)

De plus, et c’est remarquable, chacun des paramètres électriques correspond à un paramètre mécanique : la tension est directement liée à la vitesse, et le courant à la force.

Plus précisément, la vitesse d’un moteur à courant continu est directement proportionnelle à sa force (contre) électromotrice, qui s’exprime aussi en volts, et qui est à peu près égale à sa tension d’alimentation (la différence étant la chute de tension qui se produit à l’intérieur du moteur, et qui correspond à des pertes électriques).

En anglais, la force contre-électromotrice (FCEM) se nomme back electromotive force ou back EMF. Je précise cela parce que c’est souvent le terme qui est utilisé dans les notices des décodeurs, terme parfaitement adapté, alors que le terme français de régulation de charge est fallacieux.

La régulation de vitesse se fait par la FCEM du moteur

Il en résulte que, si l’on veut réguler la vitesse côté mécanique, il suffit de réguler la FCEM du moteur côté électrique. Cela se fait en mesurant la FCEM, mais cela n’est possible que dans des phases très brèves où le moteur n’est pas alimenté, ce qui peut être réalisé lorsqu’on l’alimente en courant pulsé, mais qui est impossible s’il est alimenté en courant continu « pur ».

Lorsque le moteur tourne sans être alimenté, sur son inertie, il se comporte en générateur fonctionnant à vide, et la tension à ses bornes est alors égale à sa FEM (qui n’est plus « contre » électromotrice dans le cas d’un générateur). C’est à ce moment que l’on peut la mesurer pour l’injecter dans le système de régulation.

Nous voici donc finalement amenés à parler de courant pulsé, et donc de « modulation d’impulsion ».