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					             Mémoire Professionnel




IUFM                          COTE-PETIT-FRANCOIS
                              Frédéric
DE FRANCHE-COMTE              PLC 2 - PHYSIQUE
                              APPLIQUEE

                              Année scolaire: 1995-1996
                                            SOMMAIRE




I. PRESENTATION DU MEMOIRE __________________________________________________ 3
A. Sujet _________________________________________________________________________________ 3
B. Cahier des charges _____________________________________________________________________ 3
II. CONCEPTION ET REALISATION DE LA MAQUETTE ______________________________ 4
A. Prototypes ____________________________________________________________________________ 4
B. Schéma fonctionnel _____________________________________________________________________ 5
  1. Chaîne directe ________________________________________________________________________________ 5
  2. Chaîne de retour ______________________________________________________________________________ 5
  3. Opérateur de différence _________________________________________________________________________ 5
C. Schéma structurel ______________________________________________________________________ 6
  1. Opérateur de différence _________________________________________________________________________ 6
  2. Commande du moteur __________________________________________________________________________ 6
  3. Convertisseur fréquence-tension __________________________________________________________________ 7
D. Fabrication __________________________________________________________________________ 10
  1. Typon (pages 11 et 12) ________________________________________________________________________ 10
  2. Implantation des composants (page 13) ____________________________________________________________ 10
  3. Nomenclature des composants ___________________________________________________________________ 10
III. ESSAIS _____________________________________________________________________ 15
A. Mesures _____________________________________________________________________________ 15
B. Exploitation - Analyse _________________________________________________________________ 15
IV. UTILISATION DE LA MAQUETTE ______________________________________________ 19
A. Liste du matériel ______________________________________________________________________ 19
B. Fiche technique _______________________________________________________________________ 19
  1. Fonctions - Réglages __________________________________________________________________________ 19
  2. Visualisation des différents signaux ______________________________________________________________ 20
V. UTILISATION PEDAGOGIQUE _________________________________________________ 21
A. Présentation du TP ____________________________________________________________________ 21
  1. Objet de la séance ____________________________________________________________________________    21
  2. Prérequis ___________________________________________________________________________________      21
  3. Objectifs ___________________________________________________________________________________      22
  4. "Stratégie" employée __________________________________________________________________________    22
B. Analyse de la séance ___________________________________________________________________ 26
VI. CONCLUSION _______________________________________________________________ 29
A. Modifications à apporter à la maquette ___________________________________________________ 29
B. Intérêt de la réalisation d'une maquette ___________________________________________________ 29


ANNEXES ____________________________________________________________
29



                                                    2
I.    PRESENTATION DU MEMOIRE


      A.     Sujet

      J’ai choisi de réaliser une maquette concernant les systèmes commandés en chaîne fermée, et
      plus particulièrement la régulation de vitesse d’un moteur à courant continu, ceci
      essentiellement pour trois raisons:

      - le lycée Armand Peugeot de Valentigney ne possédait aucun système de ce type;
      - le côté “ concret ” de l’asservissement de vitesse me convenait parfaitement;
      - n’ayant quasiment jamais travaillé sur des systèmes bouclés, c’était l’occasion d’approfondir
        le sujet.


      La mise en situation du mémoire s’est faite dans la classe de terminale STI option Génie
      Electronique lors d’une séance de TP d’une durée de quatre heures.




      B.     Cahier des charges

      Les objectifs visés sont:

      - créer une maquette permettant de présenter les éléments constitutifs d’un système
        commandé en chaîne fermée;
      - mettre en lumière de façon simple l’intérêt d’un système commandé en chaîne fermée par
        rapport à un système commandé en chaîne ouverte.


      J’avais choisi, au départ, de ne réaliser qu’une seule maquette et de faire une manipulation de
      cours. Mais, en accord avec l’équipe des formateurs de l’IUFM et avec le référentiel, j’ai décidé
      de fabriquer sept maquettes afin de permettre aux élèves de faire fonctionner un ensemble de
      régulation de vitesse.




      Remarques:

      - le moteur devra être commandé par un hacheur (fréquence variable);
      - la commande du hacheur devra se faire par un système optoélectronique;
      - le capteur de vitesse devra être de type électromagnétique;
      - l’alimentation de la partie “ commande ” devra se faire avec une pile de 9 volts.

II.
                                                  3
CONCEPTION ET REALISATION DE LA MAQUETTE


A.     Prototypes

Trois prototypes ont été fabriqués avant de passer à la réalisation finale. Cela s’est avéré
nécessaire car les perturbations engendrées ne me permettaient pas de faire des essais sur
plaques.

1er prototype:

- commande du hacheur à l’aide d’un GBF (fonction triangle);
- pas d’isolation galvanique (optocoupleur) entre la partie "commande" et la partie "puissance";
- alimentation de la partie "commande": -15V ; +15V (alimentation stabilisée).

Ce 1er prototype a été présenté le mercredi 20 Décembre 1995 à M. Monnin.



2ème prototype:

- commande du hacheur complète (fonction triangle intégrée);
- isolation galvanique (optocoupleur) entre la partie "commande" et la partie "puissance";
- alimentation de la partie "commande": -15V ; +15V (alimentation stabilisée).



3ème prototype:

- commande du hacheur complète (fonction triangle intégrée);
- isolation galvanique (optocoupleur) entre la partie "commande" et la partie "puissance";
- alimentation de la partie "commande": pile 9V.



Le passage du 1er au 2ème prototype n'a pas posé de problème majeur.
Le plus délicat a consisté à alimenter la partie "commande" avec une pile 9V. Il a fallu créer
une masse virtuelle à l'aide d'un diviseur potentiométrique dont les résistances devaient être
correctement choisies (faibles devant les résistances du différenciateur mais pas trop pour que
la pile ne se décharge pas rapidement). De plus, beaucoup de signaux ont été modifiés et j'ai
donc dû procéder à des changements importants (valeurs de résistances et de condensateurs).



La maquette finale a été élaborée à partir de ce 3ème prototype et l'étude qui suit ne porte que
sur elle.

B.




                                            4
             Schéma fonctionnel



UC                                   Hacheur                  Moteur          n
                     er                +              UM                                 Génératrice
     +                                                         C.C
                                    commande                   12V
         -

     e
                                                                                              C
                                                                          capteur
                                                                                              H
                                                                          électro-
                                                                                              A
                                                                          magnétique
                                                                                              R
                                                                                              G
                                                                                              E
                    Convertisseur
                     fréquence-                    Mise en
             UR                        Trig        forme                BOB
                      tension



             1.     Chaîne directe

             - la commande en puissance du moteur est réalisée par un hacheur série. Le système de
               commande du hacheur permet d'obtenir un signal dont le rapport cyclique est
               proportionnel au signal d'erreur "er". La fréquence de hachage est choisie de telle sorte
               que le courant dans le moteur soit ininterrompu.

             - le moteur à courant continu est alimenté sous une tension de 12 volts (alimentation
               stabilisée). Il est couplé mécaniquement à une génératrice. Leurs caractéristiques sont
               les suivantes:
               à vide:                      12V - 0,6A - 15600 tr/min
               au rendement maximum: 12V - 3,1A - 13000 tr/min - rendement de 60

             2.     Chaîne de retour

             - capteur électromagnétique (bobine): un aimant bipolaire en ticonal est monté sur le
               manchon de couplage moteur-génératrice. Lorsque le moteur tourne, l'aimant induit,
               dans la bobine placée juste en face, une fém qui permet la mesure de la vitesse de
               rotation.

             - circuit de mise en forme: le signal délivré par la bobine "BOB" est mis en forme pour
               être traité correctement (Trig).

             - convertisseur fréquence -tension: il permet d'obtenir une tension "Ur" proportionnelle
               à la fréquence du signal "Trig", donc à la vitesse de rotation du moteur.

             3.      Opérateur de différence
             La tension "Ur" (retour), qui est une image de la vitesse de rotation du moteur, est
             comparée à la tension "Uc" (consigne) , image de la vitesse "souhaitée".
             Pour l'étude en boucle ouverte, il faut relier la douille e- au potentiel "zéro".
             Pour l'étude en boucle fermée, il faut relier la douille e- à la douille Ur .


                                                  5
C.     Schéma structurel (page 8)

Il indique les solutions technologiques retenues pour la réalisation des différents blocs du
schéma fonctionnel.
Remarque: les condensateurs de découplage des circuits intégrés sont de 100 nF.



       1.     Opérateur de différence

       Il est réalisé autour d'un amplificateur opérationnel TL082(IC6). Les quatre résistances
       utilisées sont de 68k.

       Cet opérateur effectue la différence er = UC - e- .
       La tension de consigne "Uc" est réalisée avec le potentiomètre P1.

       En boucle ouverte, e- est relié à la masse, donc er = Uc .
       En boucle fermée, e- est reliée à UR , donc er = Uc - Ur .


       2.     Commande du moteur

       La commande en puissance du moteur est réalisée par un hacheur série à transitor MOS.
       Le dispositif permet de faire varier la tension moyenne aux bornes du moteur U M
       proportionnellement au signal d'erreur er.

       Le transistor MOS est donc commandé par un signal carré de rapport cyclique variable.
       Ce signal provient de la comparaison d'un signal triangulaire et du signal d'erreur.


       - Générateur de signal triangulaire

        Le signal triangulaire "Tr" est réalisé autour de l'amplificateur opérationnel
        TL084(IC1). Il est généré grâce au bouclage d'un comparateur à deux seuils et d'un
        intégrateur.

        Le potentiomètre P2 permet d'obtenir un signal triangulaire positif, ceci afin de faciliter
        la conception de l'asservissement de vitesse.
        L'amplitude est réglable grâce à la résistance RV1.
        La fréquence peut être réglée grâce à la résistance RV2: cette fréquence doit être assez
        élevée de façon à obtenir un courant d'induit dans le moteur ininterrompu et peu
        ondulé.


       - Comparateur à un seuil

        Le signal rectangulaire "COM" de rapport cyclique variable résulte de la comparaison
        du signal triangulaire "Tr" et de la tension continue er. Lorsque er > Tr, le signal est
        égal à + Vcc, et lorsque er < Tr, le signal est égal à - Vcc.
        On obtient ainsi un signal carré dont le rapport cyclique varie de 0 à 1,
        indépendamment de sa fréquence et proportionnellement à er.
                                              6
          - Isolation galvanique

           L'utilisation de l'optocoupleur HCPL 3100 (IC2) permet d'isoler galvaniquement la
           partie "commande" de la partie "puissance". On évite ainsi que les perturbations
           créées par le moteur ne se transmettent à la partie "commande".

           De plus, le courant de sortie élevé, (0,4 A en pointe) permet d'obtenir des
           commutations très rapides.(problème lié aux capacités de structure qui doivent se
           charger à la fermeture, d'où un appel de quantité d'électricité).
           La résistance R26 a été choisie de sorte que, pour l'état haut, l'intensité du courant dans
           la diode de l'optocoupleur soit supérieure à 10 mA.
           La résistance R27 est nécessaire pour protéger les éventuels dommages qui pourraient
           être causés aux transistors de sortie.

          - Interrupteur électronique

           Le transistor MOS de puissance canal N (IRF 530) joue le rôle d'interrupteur
           unidirectionnel entre Drain et Source, commandé par la tension entre Grille et Source
           VGS.
           * Pour VGS = 0 V, le transistor est bloqué ( il peut alors supporter une tension de
           V(BR)DSS = 100V).
           * Pour VGS = 12 V, le transistor est saturé ( la valeur de 12 V assure la saturation pour
           la charge prévue: courant moyen de drain inférieur à 2 A. ).

           Le transistor peut supporter une intensité de courant de drain de 8,5 A (continu).
           Dans les conditions d'utilisation, le transistor ne s'échauffe pas, c'est pourquoi l'emploi
           d'un dissipateur thermique n'est pas nécessaire.

          - Diode de roue libre

           La diode D (BYW 29) est une diode de puissance ultra-rapide épitaxiée. Son temps de
           recouvrement inverse est de 26 ns et elle accepte une intensité de 7,5 A (continu).

           Elle est indispensable afin d'assurer la continuité du courant dans la charge (moteur).

           De plus, elle doit posséder un temps de recouvrement direct très faible pour éviter la
           destruction du transistor lorsque celui-ci passe de l'état saturé à l'état bloqué
           (surtension à ses bornes due au caractère inductif de la charge).

          3.           Convertisseur fréquence-tension



                Mise                   Déclenchement
                en                         du                              Monostable                      Filtre
               forme                   monostable
                            Trig                           imp2                            mono   To                Ur
BOB
                        Vsat                           +4.5V                            +4.5V

           t               0       T      t                    0       T   t               0      T    t            0    t
0     T
                       -Vsat                           -4.5V


          - Mise en forme

                                                                   7
 La bobine placée en face de l'aimant bipolaire est le siège d'une fém alternative dont la
 fréquence est la même que celle de rotation du moteur.
 Ainsi, f = n/60 (f en Hz, n en tr/min).

 Le signal fourni par cette bobine "BOB" étant très perturbé, il est nécessaire de le
 mettre en forme à l'aide d'un comparateur à deux seuils (IC3) ( on évite ainsi des
 commutations intempestives ).
 Le signal obtenu après la mise en forme "Trig" est rectangulaire et compris entre - Vsat
 et + Vsat; il permet de mesurer la vitesse de rotation du moteur.

- Déclenchement du monostable

 * Le circuit dérivateur formé par la résistance R17 et le condensateur C2 transforme le
  signal rectangulaire "Trig" en signal impulsionnel "imp2".
  La diode D1 sert à supprimer les fronts négatifs.
  La constante de temps est de 0,22 ms, ce qui est très inférieur à la période
  correspondant à la vitesse de rotation du moteur (pour n = 10000 tr/min, T =6 ms).
 * Une porte logique CMOS NAND montée en inverseuse est nécessaire car le
  monostable utilisé est déclenché par des fronts descendants.

- Monostable à portes logiques CMOS NAND

  * Il délivre un signal dont la durée propre T0 de l'état instable (état bas) est définie par
   T0 = R19.C3. ln2 = 1ms.(en supposant que la tension de basculement de la porte
   logique CMOS est VDD/2 ).
   Ce montage monostable ne fonctionnera correctement (T0 = constante) que si une
   nouvelle impulsion apparaît au plus tôt dès la fin de la phase de récupération. Cela
   impose que la période des impulsions de commande T soit supérieure à T0 + TR , soit
   T  3,7 R19.C3 .(TR: durée de la phase de récupération)
   On ne pourra donc étudier la régulation que pour une vitesse de rotation inférieure à
   10800 tr/min.
  * Le signal délivré par le monostable est inversé afin que l'état instable devienne un
   état haut.
   Les résistances R20 et R21 servent à transformer ce signal compris entre -4,5V et
   + 4,5V en un signal appelé "mono" compris entre 0V et 4,5V.
- Filtre
  Le filtre passe-bas du second ordre est réalisé autour d'un amplificateur opérationnel
  TLO82(IC5).
                                              R 23
                                          (R  RV3)
  Sa fonction de transfert s'écrit:   T = 22
                                                 f
                                           (1+ j ) 2
                                                 f0
                                                                  1
  La fréquence de coupure à -6 dB est définie par: f                      1,56 Hz
                                                        0 2 .R .C
                                                                  25 5
  Le signal obtenu "Ur" est proportionnel à la valeur moyenne du signal
  "mono"[coefficient R23/ (RV3+R22 )], donc à la vitesse de rotation du moteur.
  Le module de la fonction de transfert étant variable (grâce à RV3) on peut régler la
  constante K de la chaîne de retour.


                                      8
     Schéma structurel
D.




               9
           Fabrication

           1.      Typon (pages 11 et 12)
           J'ai choisi de travailler en "double face " bien que cela ne s'imposait pas: la face côté
           composants est utilisée pour la sérigraphie.


           2.     Implantation des composants (page 13)

           3.     Nomenclature des composants

- Circuits intégrés

IC1        TL084                         IC3     TL081                  IC5     TL082
IC2        HCPL 3100                     IC4     4011                   IC6     TL082
           (optocoupleur)                       (NAND)


- Diodes

D:         diode de puissance ultra-rapide BYW29 - Boitier TO-220AC
D1:        diode de signal 1N4148 - Boitier DO35
D2:        DEL rouge


-Transistor

T1: MOSFET canal N à enrichissement IRF 530 - Boitier TO 220


- Résistances

R1         8,2 k                        R11     68 k                          R21 4,7 k
R2         68 k                         R12     68 k                          R22 47 k
R3         68 k                         R13     68 k                          R23 150 k
R4         68 k                         R14     68 k                          R24 150 k
R5         68 k                         R15     22 k                          R25 150 k
R6         1 k                          R16     330 k                         R26 330 
R7         5,6 k                        R17     10 k                          R27 27 
R8         8,2 k                        R18     180 k                         R28 0,2 
R9         820 k                        R19     15 k                          R29 4,7 k
R10        68 k                         R20     4,7 k                         R30 4,7 k
                                                                        R31     5,6 k



                                                10
- Résistances variables      ( potentiomètres ajustables à piste carbone horizontaux)

RV1        4,7 k                       RV2 10 k                            RV3 100 k


- Potentiomètres

P1         10 k (rotatif)                      P2     4,7 k (ajustable à piste carbone)


- Condensateurs

C1    4,7 nF                    C2     22nF                                  C3     100nF
C4    680nF                            C5 680nF                                          C6
 2200F
Découplage des circuits intégrés: 100 nF


- Divers

* 1 pile 9 V (+ connecteur pression)
* 1 interrupteur
* 2 supports CI 14 broches (tulipe)
* 4 supports CI 8 broches (tulipe)
* 10 douilles 4 mm
* 9 douilles 2 mm
* boulonnerie
* 1 plaque en verre époxy 16/10e présensibilisée positive 150  200 mm double
face.




                                              11
Coté soudures




     12
Coté composants




      13
       Implantation des composants

III.




                   14
      ESSAIS


      A.            Mesures

      1) Caractéristique Rapport cyclique - Signal d'erreur.
          = f (er)         Graphe n°1           Annexe 1

      2) Caractéristique Tension moyenne aux bornes du moteur (à vide) - Signal d'erreur.
         U M = f (er)       Graphe n°2        Annexe 2

      3) Caractéristique Vitesse de rotation du moteur (à vide) - Tension moyenne à ses bornes.
         n = f ( UM )        Graphe n°3          Annexe 3

      4) Caractéristique du convertisseur "fréquence-tension".
         Ur = f (n)           Graphe n°4         Annexe 4

      5) Caractéristiques Vitesse de rotation du moteur - Courant moyen absorbé par le moteur.
          n = f (I)         Graphe n°5           Annexe 5      (système en BO et en BF)

      Remarque:           Les caractéristiques ont été tracées pour une fréquence de hachage de 18 kHz.
                          A cette fréquence, le courant dans le moteur est ininterrompu.


      B.            Exploitation - Analyse

Schéma fonctionnel


                                                                    I

                                                                R




UC                       er                         UM
                                                                -           E                     n
      +                               H1                    +                       1/H 2
           -

               Ur




                                           Ur                           n
                                                      K



          1) Rapport cyclique (Graphe n°1)
                                                     15
C'est la comparaison entre le signal triangulaire "Tr", compris entre 0V et 2V, et le signal
d'erreur "er" qui commande le rapport cyclique .

                                  er
D'après la caractéristique,  =      , ce qui correspond bien au calcul théorique.
                                   2


2) Hacheur (Graphe n°2)

On remarque que la tension moyenne aux bornes du moteur évolue linéairement en fonction
du signal d'erreur.
L'équation de la caractéristique est: U M = 6,5 er - 1,2 
                                                                H1 = 6,5
Théorie:
En tenant compte du fait que la diode D n'est pas parfaite, et en supposant que la tension de
seuil de cette diode est de 1V, on trouve: U M =  (VMOT + 1) - 1 avec  = er/2.
                                         U M = 6,5 er -1

Cependant, pour ne pas compliquer le schéma fonctionnel, on a supposé U M = H1 .er (cas où
la diode D est parfaite), ce qui donnerait: U M = .VMOT
                                         U M = 6 er     d'où  H1 = 6



3) Moteur (Graphe n°3)

La vitesse de rotation du moteur varie linéairement en fonction de la tension moyenne à ses
bornes.
                                              U     RI                 H2 = 9,6 . 10-4 V.min.tr-1
La caractéristique obtenue est telle que: n = M         
                                               H2 H2
Théorie:
Le constructeur donne:      H2 = 10.10-4 V.min.tr-1


4) Convertisseur fréquence-tension (Graphe n°4)

La caractéristique Ur = f (n) est bien une droite passant par l'origine.

Ainsi, Ur = K.n    avec                 K = 240 . 10-6 V.min.tr-1

Théorie:
La résistance RV3 permet de régler le coefficient K de la chaîne de retour:

           R 23    T                                     13,5
Ur =               0  VCC           d'où    K =                          ( car n = 60/T )
       (R22  RV3) T                                 47.103  RV3

                   92.10-6 V.min.tr-1  K  287.10-6 V.min.tr-1
Pour les mesures effectuées, RV3 = 9,25 k.
5) Variation de vitesse en fonction du couple résistant (Graphe n°5)
                                             16
Les caractéristiques de vitesse ont été tracées en fonction du courant moyen I absorbé par le
moteur et pour une vitesse à vide n0 de 6000 tr/min. (I est proportionnel au couple)

   a) Boucle ouverte

   On s'aperçoit que la chute de vitesse est relativement importante lorsque le couple résistant
   augmente.                       nouv = 632 I

   Ainsi, la variation relative de vitesse est de 10,5% pour une variation de courant de 1A.

                                                                 n
   n0 = 6000 tr/min           n1 = 5370 tr/min                      = 10,5 0 0        pour I = 1A
                                                                 n0

   Théorie:
                                                            RI
   La vitesse est définie par:                 n = H Uc -                avec H = H1 / H2
                                                            H2

                                         R I
   ce qui donne                     nouv =    avec R = 0,6 
                                          H2
   (Remarque: R a été mesurée par la méthode voltampèremétrique)

                                   nouv = 625 I

                                                                 n
n0 = 6000 tr/min              n1 = 5375 tr/min                         = 10,4 0 0      pour I = 1A
                                                       n0
                                    ____________________
b) Boucle fermée

Tracée sur le même graphe qu'en boucle ouverte, la caractéristique de vitesse en boucle
fermée met bien en évidence l'intérêt d'un tel système. (chute de vitesse moins importante!)
                                  nfer = 235 I

La variation relative de vitesse n'est plus que de 3,9% pour une variation de courant de 1A.

                                                                 n
n0 = 6000 tr/min              n2 = 5765 tr/min                      = 3, 9 0 0         pour I = 1A
                                                                 n0

Théorie:
                                             H              RI
La vitesse est définie par:          n=          Uc                             avec H = H1 / H2
                                          1  HK      H 2 (1  HK )

                                                    RI       n ouv
ce qui donne                        n fer                 
                                               H 2 (1  HK ) 1  HK

                                   nfer = 238 I

                                                                 n
n0 = 6000tr/min               n2 = 5762 tr/min                         4 00           pour I = 1A
                                                                 n0

                                            17
                                               n ouv
      Le facteur de régulation est:       F
                                               n fer

      Le rapport des pentes des deux caractéristiques de vitesse donne F = 2,7 .



      En théorie, F = 1 + HK = 2,625 .

      L'erreur relative est de 2,8% et elle est principalement due aux incertitudes de mesures
      concernant la vitesse de rotation du moteur.




      Remarque:

      Les réglages effectués pour ces essais sont tels que le système reste stable. Ils permettent
      néanmoins d'obtenir un facteur de régulation supérieur à 2,5.

      Il aurait été possible d'insérer, dans la chaîne directe, un correcteur "proportionnel intégral"
      permettant d'améliorer la précision sans nuire à la stabilité du système.
      Cependant, la notion de correcteur n'étant pas au programme de terminale STI option Génie
      Electronique, je n'ai pas jugé utile d'en introduire dans la maquette.

IV.




                                                18
UTILISATION DE LA MAQUETTE

A.     Liste du matériel


Lors de la séance de TP du lundi 1er Avril 1996 (ce n'est pas un poisson), chaque binôme a
disposé du matériel suivant:

- 1 maquette "Asservissement de vitesse";
- 1 ensemble "Moteur-Génératrice" (machines à courant continu) associé à une bobine
  permettant la mesure de la fréquence de rotation du moteur (marque PIERRON);
- 1 alimentation stabilisée simple -12V/3A- (partie "puissance");
- 1 oscilloscope;
- 2 voltmètres (multimètres);
- 1 ampèremètre (multimètre);
- 1 dizaine de cordons  4mm;
- 1 cordon  2mm;
- 1 adaptateur  2mm/4mm.



B.     Fiche technique


       1.     Fonctions - Réglages

       - Alimentation de la partie "commande": pile 9V

       - Tension de consigne:        0V  Uc  4V                  réglage: potentiomètre P1

       - Opérateur de différence à amplificateur opérationnel

       - Générateur de signal triangulaire:
              * amplitude:          0V  Tr  4V                   réglage: RV1 et P2 (offset)
              *fréquence:           6kHz  fH  32kHz              réglage: RV2

       - Comparateur à amplificateur opérationnel

       - Isolation galvanique entre la partie "commande" et la partie "puissance" par
        optocoupleur

       - Hacheur série: transistor MOS de puissance et diode de puissance ultra-rapide
         Remarque: Une résistance de 0,2  permet de visualiser l'allure du courant dans le
         moteur.

       - Convertisseur "fréquence-tension": le coefficient K de la chaîne de retour est réglable
         grâce à RV3




                                          19
2.       Visualisation des différents signaux

(se reporter au schéma structurel page 8 et à l'implantation des composants page 13)



Sur la maquette, l'utilisateur a la possibilité de visualiser:


* Uc :     tension de consigne

     -
*e :       entrée " - " du différentiateur (Ur ou 0)

* er :     signal d'erreur

* Tr :     signal triangulaire

* Com : signal issu du comparateur (rapport cyclique variable)

* le signal de commande du hacheur (VGS)

* la tension VDS (transistor MOS)

* la tension aux bornes de la diode de puissance

* le courant i dans le moteur

* BOB : signal fourni par la bobine

* Trig : signal issu du "Trigger de Schmitt" (fréquence f = n/60 )

* imp2 : signal impulsionnel d'entrée du monostable

* mono : signal issu du "monostable"

* Ur :     signal de retour correspondant à la valeur moyenne du signal "mono"
           Ur est l'image de la vitesse de rotation du moteur.



Remarque:

Des douilles - 4,5V et + 4,5V ont été prévues sur la maquette au cas où la pile de 9V
devant alimenter la partie "commande" serait déchargée.

Il est donc possible d'alimenter la partie "commande" avec une alimentation simple
0-9V autre que la pile.



                                      20
V.   UTILISATION PEDAGOGIQUE



     A.   Présentation du TP



          1.     Objet de la séance

          Il s'agit d'une séance de TP d'une durée de trois heures et trente minutes concernant la
          régulation de vitesse d'un moteur à courant continu (systèmes commandés en chaîne
          fermée) dans une classe de terminale STI option Génie Electronique.

          Cette séance est précédée d'une correction de deux exercices (cf annexe 6) s'intégrant
          parfaitement dans le sujet (schéma fonctionnel identique à celui du TP) et permettant
          d'introduire les notions importantes du TP. (durée: trente minutes)



          2.     Prérequis

          Avant cette séance, les élèves ont déjà traité les chapitres:

          - Moteurs à courant continu (TP-cours)
          - Conversion statique par hacheur série (TP-cours)
          - Exemples de systèmes commandés en chaîne fermée (Cours)



          Ils possèdent donc les connaissances et savoir-faire suivants:


          - Moteur à courant continu (à excitation constante) et hacheur série.

           * citer les formules donnant la fém et le moment du couple.
           * savoir que le hacheur permet d'effectuer le réglage de la vitesse du moteur.
           * savoir câbler un hacheur série, la commande étant fournie.
           * connaître la formule: Usmoyen = .Ualim pour un fonctionnement en conduction
            ininterrompue.


          - Exemples de systèmes commandés en chaîne fermée.

           * utiliser le vocabulaire et le formalisme relatifs aux systèmes en chaîne fermée:
            boucle fermée, excitation (ou commande ou consigne), réponse, schéma fonctionnel
            (ou schéma bloc), chaîne directe (ou d'action), chaîne de retour (ou réaction), signal
            d'erreur.
                                               21
 * citer la formule, sous sa forme canonique, donnant la fonction de transfert du
  système en chaîne fermée.


3.     Objectifs

L'élève devra savoir:

- câbler un montage correspondant à un système de commande en chaîne fermée.
- faire fonctionner un ensemble de régulation de vitesse.
- établir la fonction de transfert d'une chaîne en boucle fermée; la chaîne d'action et la
  chaîne de retour étant fournies et repérées sur un schéma général.
- déterminer expérimentalement les transmittances de la chaîne directe et de la chaîne de
  retour.
- expliquer le principe de fonctionnement d'un système en chaîne fermée
  (asservissement de vitesse) à partir du schéma bloc.


Il devra connaître également:

- l'intérêt d'un système commandé en boucle fermée par rapport à un système en boucle
  ouverte.
- la notion de facteur de régulation.




4.     "Stratégie" employée

 a) correction des exercices (1/2 heure)

 La première partie de la séance est consacrée à la correction des deux exercices cités
 précédemment (exercices 12.05 et 12.06).

 Le premier exercice (12.05) traite de la "transformation" du modèle équivalent de
 l'induit d'un moteur à courant continu en schéma fonctionnel.
 L'élève doit ensuite déterminer la relation donnant la vitesse du moteur en fonction des
 autres paramètres et calculer la variation relative de la vitesse pour une variation du
 courant dans l'induit (variation de charge).

 Dans le deuxième exercice (12.06), on reprend le même moteur et on l'insère dans un
 système bouclé, dont le schéma fonctionnel est en tout point identique à celui du TP.
 Il faut d'abord exprimer la vitesse du moteur en fonction des autres éléments du
 schéma bloc puis calculer la variation relative de vitesse pour la même variation de
 courant que dans le premier exercice (on peut ainsi comparer les résultats).

 Ces deux exercices permettent d'introduire d'une façon relativement concise le TP qui
 va suivre.
 Les élèves ayant établi la fonction de transfert du système en boucle fermée, ils
 n'auront qu'à "transposer" leurs résultats pour le schéma fonctionnel de la maquette.


                                    22
De plus, il me semble que cette correction leur met, en quelque sorte, "l'eau à la
bouche": ils constatent mathématiquement l'intérêt du système en chaîne fermée (chute
de vitesse moins importante qu'en chaîne ouverte), et maintenant ils veulent voir
concrètement si ça fonctionne et comment ça fonctionne !


b) Introduction du TP

A partir du schéma fonctionnel qui leur est fourni, les élèves doivent identifier chaque
bloc (opérateur de différence, hacheur, moteur, convertisseur "fréquence-tension") et
chaque grandeur représentée (tension de consigne, signal d'erreur, tension moyenne
aux bornes du moteur, fém, vitesse de rotation, grandeur de retour).

Ils déterminent ensuite l'expression de la vitesse de rotation n du moteur en fonction
des autres grandeurs (identification avec la relation trouvée dans l'exercice).

Avant de commencer les mesures, les élèves doivent vérifier qu'à la fréquence de
hachage utilisée (fH = 18 kHz), le courant dans le moteur est ininterrompu.


Le texte du TP (pages 23 et 24) comprend quatre grandes parties:

             I)     Présentation de la maquette

             II)    Détermination expérimentale de H = H1 /H2 et de K

             III)   Etude du système en boucle ouverte

             IV)    Etude du système en boucle fermée




                                  23
                    SYSTEME COMMANDE EN CHAINE FERMEE :
                             REGULATION DE VITESSE


I) Présentation de la maquette

      A. Schéma fonctionnel

                                                                I
                                                            R


                    Uc +            er             UM                E             n
                                              H1        +                1/ H 2
                           -
                               e-



                                         Ur
                                              K



      B. Branchements à réaliser

        - les douilles -4.5V et +4.5V ne servent qu’à contrôler l’état de la pile 9V : c’est elle qui alimente la partie
        “ commande ”.
        - la partie “ puissance ” sera alimentée sous une tension de 12V grâce à une alimentation stabilisée       pouvant
          fournir 3 ampères.
        - les douilles indiquées “ BOBINE ” sur le moteur doivent être reliées, l’une au 0V de lapartie “ commande ”,
          l’autre à la douille “ BOB ” de la maquette.
        - la douille “ Com ” sera reliée à “ Com’ ”. (commande du moteur)
        - suivant que l’on étudiera le système en boucle ouverte ou fermée, on reliera la douille “ e- ” , soit à 0V, soit à
          “ Ur ”.

      ATTENTION :

      - le moteur doit être branché dans le bon sens !
      - pour ne pas que la pile se décharge trop rapidement, lorsqu’on ne fait pas de mesure, il faut mettre
      l’interrupteur sur “ arrêt ”.




II) Détermination expérimentale de H = H1/H2 et de K

                                                                24
        A. Mesure de H
         - proposer une manipulation permettant de déterminer H1.
         - sachant que H2 = 9,6.10-4 Vmin/tr,                                déterminer la transmittance de la chaîne directe H
(en [tr/min]/V)
                                                        H=


        B. Mesure de K
        - sachant que l’image de la vitesse peut être lue grâce à la douille “ Trig ” ( n = 60f ),   déterminer la
        transmittance de la chaîne de retour K. ( en Vmin/tr )


                                                         K=

___________________________________________________________________________
III) Etude du système en boucle ouverte

        1) Régler Uc de telle sorte que le moteur à vide tourne à 6000 tr/min. (n 0)
        Remarque: pour mesurer la vitesse du moteur, on utilisera la relation Ur = K.n.

        2) Pour charger le moteur (couple résistant), on branche aux bornes de la génératrice de charge, un rhéostat de
        100 - 1.25A.
        - mesurer la vitesse du moteur en fonction de Ig pour 4 à 5 valeurs de Ig inférieures à   1.25A. Pour faire varier
        Ig, donc le couple résistant, il faut faire varier la résistance.
        - tracer n (tr/min) en fonction de Ig.
        - conclusion: - comment évolue la vitesse si la charge augmente ?
                       - quel est le seul moyen de rétablir la vitesse de départ n0 ?

        3) Calculer la variation relative de vitesse (n0 - n)/n0 pour Ig =1A.
_______________________________________________________________
IV) Etude du système en boucle fermée


        A. Principe de fonctionnement

        1) sans changer la valeur de Uc, mesurer la vitesse de rotation du moteur à vide.
        Interpréter en vous aidant du schéma fonctionnel.

        2) - étudier l’évolution de Ur et de er lorsque le couple résistant augmente. (théoriquement)
           - expliquer alors le principe de fonctionnement du système en boucle fermée.



        B. Facteur de régulation
        1) régler Uc de telle sorte que le moteur à vide tourne à 6000 tr/min.

        2) - mesurer la vitesse du moteur en fonction de Ig pour 4 à 5 valeurs de Ig inférieures à 1.25A.
           - tracer n’ (tr/min) en fonction de Ig sur le même graphe que précédemment.
           - que peut-on dire de la chute de vitesse par rapport au système en BO ?

        3) calculer (n0 - n’)/n0 pour Ig = 1A.

        4) le facteur de régulation est défini comme suit : F = (n0 - n)/(n0 - n’).
           - calculer F
           - comparer à la valeur théorique F = 1 + HK


                                                               25
B.     Analyse de la séance


La correction des exercices précédant la séance de manipulation a pris plus de temps que
prévu: en effet, les élèves savent écrire les relations liant une grandeur à une autre par
l'intermédiaire d'une fonction de transfert mais lorsqu'il s'agit de "manipuler" toutes les relations
pour arriver au résultat demandé, ils ont beaucoup plus de difficultés.

La principale remarque émanant des élèves (et concernant les exercices) était: "Ca, c'est des
maths, pas de la physique! On aimerait bien voir si ça marche en vrai !"
La transition était toute faite et je me réjouissais d'avance de voir leur réaction à la fin du TP,
lorsqu'ils allaient constater "qu'en vrai, ça marche aussi".



Avant de commencer les manipulations et les mesures, les élèves ont mis l'accent sur un petit
détail qui a une grande importance: "Comment est-il possible qu'une simple pile de 9V suffise à
faire tourner un moteur pouvant fournir une puissance supérieure à 20W ?"

Nous avons donc discuté de la possibilité d'utiliser la pile et rien d'autre pour faire fonctionner
ce moteur et les élèves se sont très vite aperçus que cela ne pouvait suffire: une alimentation
stabilisée était nécessaire pour alimenter le moteur.
Ils en ont donc conclu que la pile servait uniquement à alimenter les circuits intégrés et à
produire les signaux de commande du moteur.

J'ai ainsi profité de l'occasion pour parler de l'isolation galvanique entre la partie "commande"
et la partie "puissance" mais il s'est avéré par la suite que certains élèves n'avaient pas
totalement assimilé cette notion: en effet, ils ont confondu la masse de la partie "commande" et
celle de la partie "puissance" pour la mesure de grandeurs telles que le signal d'erreur er ou
encore la tension de retour Ur.



La partie II du TP concernant les mesures des transmittances H et K a révélé elle aussi
quelques surprises:

- nombreux furent les élèves qui, pour déterminer la valeur de H1 [ou celle de K] proposèrent
  une seule mesure de U M et er [ou de n et Ur] au lieu de tracer la caractéristique U M = f(er)
  [ou Ur = f(n)].
- les mesures effectuées, notamment celle de la fréquence de rotation du moteur, n'étaient pas
  toujours très précises, loin s'en faut (mauvaise utilisation des calibres de l'oscilloscope....).

Ceci étant, tous les groupes ont réussi à déterminer les valeurs de H et K, même si certains ont
dû recommencer plusieurs fois leurs mesures.

A ce moment-là du TP, j'ai quand même ressenti un léger "ennui" des élèves qui voulaient
surtout voir si la chute de vitesse en boucle fermée était moins importante qu'en boucle ouverte
losque la charge du moteur augmentait.


                                             26
Peut-être aurais-je dû commencer par faire découvrir aux élèves l'intérêt du système en boucle
fermée avant de comparer les résultats obtenus avec la théorie, c'est-à-dire:
- dans un premier temps, étudier la chute de vitesse en boucle ouverte pour une augmentation
  de charge.
- dans un deuxième temps, étudier la chute de vitesse en boucle fermée pour cette même
  augmentation de charge.
- dans un troisième temps, mesurer H et K, calculer le facteur de régulation F = 1 + HK et le
  comparer à celui déterminé expérimentalement.

La raison qui a guidé mon choix était due au fait que, pour mesurer la vitesse du moteur, il était
préférable de connaître K, et donc d'utiliser la relation n = Ur/K.



En ce qui concerne l'étude du système en boucle ouverte, le problème majeur rencontré par
les élèves concernait l'augmentation de la charge du moteur: en effet, certains ne comprenaient
pas pourquoi il fallait utiliser un rhéostat afin d'augmenter le courant moyen I dans le moteur.
Ils avaient pourtant déjà étudié le moteur à courant continu, et donc utilisé l'ensemble Moteur-
Génératrice, mais ce n'était pas encore très limpide pour eux, et il a fallu que je réexplique
brièvement le principe de fonctionnement de la génératrice.

J'ai remarqué aussi que le tracé de la caractéristique n = f(Ig) n'était pas toujours fait avec les
bonnes échelles.
Ainsi quelques élèves ont choisi une échelle des vitesses allant de 0 à 6000 alors que la vitesse
variait de 6000 tr/min à 5000 tr/min environ.
Le but étant de calculer une variation de vitesse, leur choix n'était pas très judicieux !

Il aurait peut-être fallu en parler avec eux avant qu'ils ne commencent leur graphe (afin de les
amener à faire le bon choix) en leur posant par exemple la question: "Pourquoi allez-vous tracer
cette caractéristique ?".

Par la suite, les élèves ont tous observé une chute importante de la vitesse de rotation du moteur
lorsque la charge augmentait.

A la question, "Quel est le seul moyen de rétablir la vitesse de départ no?", la plupart ont
répondu: "Il faut augmenter Uc donc agir sur la consigne".
Je dis "la plupart" car deux élèves ont trouvé une autre solution qui consistait à débrancher le
rhéostat de charge, ce qui n'est pas faux en soi, mais n'obéït pas à la logique du problème.Je leur
ai d'ailleurs répondu: " Si le moteur était celui d'une voiture, et si la "charge" était une côte,
alors le seul moyen pour que la voiture retrouve sa vitesse initiale, ce serait de faire des
travaux pour transformer la côte en route plate ?".



Pour l'étude du système en boucle fermée, j'ai été agréablement surpris par les explications
concernant le principe de fonctionnement. Presque tous les élèves ont su faire le cheminement
suivant:
Si la charge augmente  n diminue  Ur diminue  er augmente  U M augmente
 E augmente  n augmente. Le système en boucle fermé réagit donc de manière à "enrayer"
les effets de la charge.


                                            27
Le tracé de la caractéristique n' = f(Ig) a, quant à lui, posé quelques problèmes techniques,
surtout lors de la séance de l'après-midi (deuxième demi-groupe).
Deux binômes n'ont pu l'effectuer car leurs maquettes ne fonctionnaient plus....Il s'est avéré que
des pistes étaient coupées. N'ayant pu les réparer, faute de temps, j'ai réalisé la manipulation
avec eux (prototype) afin qu'ils constatent expérimentalement l'intérêt des systèmes en boucle
fermée dans le cas d'un asservissement de vitesse.
Finalement, tous ont pu s'apercevoir de l'utilité d'un tel système, même si la valeur théorique du
facteur de régulation ne correspondait pas toujours exactement avec celle déterminée
expérimentalement.



J'ai conclu la séance en leur montrant que si F était trop grand, le système devenait instable et
qu'il était alors nécessaire d'introduire un "correcteur" , mais sans rentrer dans plus de détail.

A ce jour, aucune évaluation sommative n'a été réalisée.
Cependant, l'évaluation formative interactive, pendant la séquence, afin de suivre la démarche
d'apprentissage, et celle d'étape pour contrôler les acquisitions d'une notion précise durant le
TP, me permettent de supposer que les objectifs relatifs à cette séance ont été atteints.



Pour conclure, je voudrais aussi signaler que les difficultés rencontrées le matin n'étaient pas
toujours les mêmes que celles rencontrées l'après-midi et j'étais parfois déconcerté par la
disparité des questions posées.
Ceci étant, c'est ce qui fait la joie et le plaisir d'enseigner car on peut traiter vingt fois le même
sujet sans pour autant se répéter et s'ennuyer!




                                             28
VI.   CONCLUSION


      A.     Modifications à apporter à la maquette

      La maquette réalisée pourrait être améliorée avec, par exemple:

      - l'ajout de deux résistances permettant de visualiser les courants dans la diode et le transistor
        du hacheur (utilisation possible pour l'étude du hacheur-série);

      - l'utilisation de douilles plastifiées de couleurs différentes (intérêt pédagogique) à la place des
        simples douilles en métal;

      - la soudure des condensateurs de découplage des circuits intégrés "côté soudures" et non "côté
        composants";

      - la réalisation de pistes à 45 degrés (au lieu des pistes à 90 degrés);

      - le remplacement des potentiomètres ajustables à piste carbonne par des potentiomètres
        ajustables multi-tours;

      - une sérigraphie permettant de visualiser les différentes fonctions de la maquette…

      Remarques:
      - le coût de la maquette est d'environ 170 francs TTC.
      - volontairement, je n'ai pas mis d'inverseur permettant de basculer de la position "boucle
        ouverte" à la position "boucle fermée", ceci afin que les élèves prennent conscience du
        bouclage par l'intermédiaire de l'entrée " e- " de l'opérateur de différence.



      B.     Intérêt de la réalisation d'une maquette

      Le support technique que constitue la maquette pour la réalisation du mémoire professionnel
      m'a permis de progresser considérablement dans le domaine de la Physique Appliquée, tant du
      point de vue scientifique et technique que du point de vue pédagogique.

      J'ai tout d'abord appris à fabriquer une maquette (réalisation d'un typon, utilisation de logiciels,
      de machines à insoler et de machines à graver, soudage…).




                                                   29
      De plus, le temps passé à faire des essais m'a fait énormément progresser expérimentalement
      mais aussi théoriquement, et je me suis rendu compte que les "calculs sur le papier" étaient bien
      souvent insuffisants pour construire un système qui fonctionne correctement.
      Je pense que rien ne remplace la manipulation et il est évident que l'on construit ses
      connaissances surtout par l'action que l'on porte sur elles.

      Pédagogiquement, l'analyse d'une séance s'appuyant sur la mise en situation d'une maquette
      utilisée par les élèves m'a permis de constater à quel point il était important que cette maquette
      soit "bien pensée": les objectifs à atteindre ne doivent pas être masqués par la complexité liée à
      l'utilisation de la maquette (et aux mesures qui s'y rattachent).

      Enfin, j'espère que la constitution de ce mémoire permettra d'inciter les personnes qui le liront à
      réinvestir ce travail dans leur classe.




                                            RESUME


Ce mémoire professionnel est destiné à l’étude d’un asservissement de vitesse d’un
moteur à courant continu.

Un problème fréquemment rencontré concerne le maintien de la vitesse d’un
moteur à une valeur fixée, dans certaines limites, indépendamment de la charge à
laquelle il est soumis.
Dans un système de régulation "automatique", il est nécessaire de contrôler la
vitesse instantanée, de la comparer avec la vitesse de consigne, et de générer un
signal d’erreur servant au contrôle du moteur . Ces systèmes sont dits en boucle
fermée. Ils comportent une information (vitesse) ramenée de la sortie vers l’entrée
par comparaison.


Cette étude s’appuie sur la réalisation d’une maquette utilisée lors d’une séance de
T.P dans une classe de Terminale S.T.I. option Génie électronique.
Conformément au programme, elle répond aux objectifs des chapitres concernant
les systèmes en boucle fermée et le hacheur série.




LES MOTS CLEFS :

Boucle fermée - Boucle ouverte - Chaîne directe - Chaîne de retour - Commande - Fonction de
transfert - Régulation de vitesse - Réponse - Schéma fonctionnel - Signal d’erreur - Système
commandé .

                                                  30
              0        0
           1460     0,33
                                    Convertisseur fréquence-tension
           2000     0,47
           3000     0,73
           3750
         2,5        0,91
           4290     1,04
           5000      1,2
           6000     1,45
           6670     1,62
           7060      1,7
           2
           7500      1,8
           8000     1,93
           8570     2,04
           9230      2,2
         10000       2,4
           5500     1,32
         1,5
           2500      0,6
Ur (V)




          1




         0,5




          0
               0   1000    2000   3000    4000      5000       6000   7000   8000   9000   10000
                                                  n (tr/min)




                                                  31
            0,3         0,75
            0,5            2
           0,58          2,5               HACHEUR
           0,66            3
           0,73          3,5
         10
            0,8            4
           0,88          4,5
           0,96            5
          91,03          5,5
           1,11            6
           1,19          6,5
           1,26            7
          81,35          7,5
           1,42            8
           1,49          8,5
          71,57            9
           1,72           10


          6
Um (V)




          5



          4



          3



          2



          1



          0
              0   0,2          0,4   0,6     0,8            1   1,2   1,4   1,6   1,8
                                                   er (V)




                                                        32
                 0,8          0
                 1,5        810
                   2       1275       MOTEUR
                 2,5       1820
                   3       2350
              10000
                 3,5       2860
                   4       3410
                 4,5       3850
               90005       4400
                 5,5       5000
                   6       5450
                 6,5       6000
               80007       6520
                 7,5       7060
                   8       7500
                 8,5
               7000        8110
                   9       8540
                  10       9680

               6000
n (tr/ min)




               5000



               4000



               3000



               2000



               1000



                  0
                       0          2    4            6   8   10
                                           Um (V)




                                              33
                         0      0
                     0,25    0,12
                       0,5   0,25rapport cyclique en fonction de er
                     0,75    0,38
                         1    0,5
                     1
                     1,25    0,63
                       1,5   0,75
                     1,75    0,87
                   0,9 2        1



                   0,8



                   0,7



                   0,6
rapport cyclique




                   0,5



                   0,4



                   0,3



                   0,2



                   0,1



                    0
                         0        0,5               1                 1,5   2
                                                  er (V)




                                                        34
                   0     6000   6000
                                       Caractéristiques de vitesse
                 0,4     5751   5910
                 0,5     5688
                 0,7
              6000       5567   5850
                   1     5375   5765
                 1,2     5251
              5900
                1,25            5720
                 1,5            5655
                1,52     5047
              5800
                 1,7     4935
                                                    BOUCLE FERMEE
                1,75            5588
              5700 2            5535
                 2,3            5460

              5600
n (tr/ min)




              5500


              5400
                                                  BOUCLE OUVERTE

              5300


              5200


              5100


              5000


              4900
                     0          0,5           1                1,5   2   2,5

				
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