TP - S2I Centre d'intérêt n° 4 : Prévoir et vérifier les performances des systèmes linéaires continus invariants PSI - PSI*

CAPTEURSET

ASSERVISSEMENTS

Présence

position

vitesse

OBJECTIFS DU TP :• Analyser le fonctionnement et la mise en œuvre de capteurs de présence, de position et de vitesse:

Capteur opto-électronique (fourche optique et réflexion) Génératrice tachymétrique Capteur à effet Hall Capteur à induction Capteur potentiométrique

• Comparer les performances de ces capteurs.• Choisir et implémenter des capteurs au sein d'un asservissement.

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1. Présentation du matériel1.1. La platine d'essaisLa platine d'essais regroupe des capteurs, des actionneurs et des circuits de traitement du signal. Noter que les indications son en anglais : « Wirewound track » signifie « piste bobinée », « Power Amp » désigne un ampli de puissance...

L'actionneur utilisé dans ce TP est le moteur à courant continu « D.C. Motor » qui entraîne un arbre sur lequel sont fixés différents disques ainsi qu'une génératrice tachymétrique.

1.2. Montage de base : la commande du moteurRéaliser sur la platine d'essais le montage correspondant au schéma ci-dessous, en connectant les différents éléments à l'aide des câbles fournis ; régler la commande de la résistance bobinée pour obtenir un tension de sortie nulle au point B, c'est-à-dire en la tournant à fond dans le sens trigonométrique.

1.3. Manipulations et mesuresRégler le compteur / horloge sur « count » et « free run ». Si l'affichage n'est pas à zéro, appuyer sur « Reset ». Faire ensuite tourner l'arbre à la main de manière à ce que l'encoche du disque passe plusieurs fois devant l'optocapteur. Que fait alors le compteur ?

Régler maintenant le commutateur de droite du compteur sur « 1s ». Tourner le potentiomètre de commande à mi course de façon à provoquer la rotation du moteur. Appuyer brièvement sur le bouton « reset » du compteur : le comptage est effectué pendant une seconde, puis l'affichage est bloqué passé ce délai.Que représente la valeur affichée ?

Compléter rapidement le tableau ci-dessous (utiliser de préférence un tableur)Position du potentiomètre 4 5 6 7 8 9 10

Tension d'alimentation V

Vitesse Ω (tours par seconde)

Vitesse Ω (tours par minute)

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Dessiner le graphe : vitesse de rotation en régime permanent en fonction de la tension d'alimentation.

Commenter : Comment appelle-t-on ce genre de graphe ? Que dire à propos de linéarité ? Que représente la pente locale ?

À l'issue de cette première partie, laisser en place l'ensemble du câblage de commande du moteur électrique. B. LODIER.– A.D. 2009

2. Mesure de vitesse : génératrice tachymétrique

2.1. PrincipeUne génératrice tachymétrique est une machine à courant continu utilisée en générateur de tension (voir cours de physique sur la MCC).

2.2. Montage à réaliser

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Ω

V

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2.3. Manipulations et mesuresFaire varier la vitesse de rotation du moteur en agissant sur le potentiomètre de commande. Pour chaque valeur du réglage, mesurer la tension délivrée par la génératrice tachymétrique :

à l'aide du contrôleur (voltmètre non branché) à l'aide du voltmètre (il n'est pas nécessaire de débrancher le contrôleur)

Compléter rapidement le tableau ci-dessous (utiliser un tableur)

Vitesse Ω (tours par seconde)

Vitesse Ω (tours par minute)

Tension mesurée(contrôleur seul)

Tension mesurée(voltmètre)

Faire réaliser par le tableur les graphes associés : tension contrôleur / vitesse et tension voltmètre / vitesse

Que constate-t-on ?• Linéarité ?• Comparer en particulier les résultats obtenus avec le contrôleur à ceux qu'indique le voltmètre à cadre

mobile ; comment l'impédance d'entrée de l'appareil de mesure influe-telle sur la qualité de l'information ?• Que représente la pente de la courbe ?

3. Détection de présence : fourche optique3.1. Principe

Ce détecteur de présence est constitué d'un émetteur (L.E.D. infrarouge), d'un récepteur (photo-transistor) et d'un disque entaillé. Tant que le disque empêche le passage du faisceau de lumière, le transistor se comporte comme un interrupteur ouvert ; lorsque l'entaille se trouve au niveau de la fourche optique, le faisceau émis par la L.E.D. Infrarouge illumine le transistor, qui devient alors passant. Une autre diode L.E.D. « témoin » qui, elle, émet dans le visible, s'allume alors.

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3.2. MontageBrancher l'oscilloscope selon le schéma ci-dessous, de manière à visualiser le signal délivré par le capteur optique.

3.3. Manipulations et mesuresPositionner le potentiomètre de commande sur 5 et observer le signal délivré par la fourche optique à l'aide de l'oscilloscope.

Quelle est la forme du signal délivré par le capteur ? Comment évolue-t-il quand on fait varier la vitesse de rotation du moteur ?

Parmi toutes les informations délivrées par l'oscilloscope, quelle est celle qui permet de connaître la vitesse de rotation de l'arbre ?

En utilisant l'un des convertisseurs présents sur la platine d'essai, proposer un montage susceptible de délivrer une tension image de la vitesse de rotation du moteur à partir du signal fourni par la fourche optique.

4. Détection de présence : capteur à effet Hall4.1. PrincipeDans le disque en aluminium solidaire de l'arbre est inséré radialement un petit aimant. Lorsque celui-ci se trouve à proximité du capteur, le flux magnétique qu'il crée a pour effet de dévier les électrons et par conséquent de faire apparaître entre les parois latérales du conducteur une différence de potentiel proportionnelle à l'intensité du courant et au flux magnétique : c'est l'effet Hall. Faible avec les conducteurs métalliques, l'effet Hall est surtout appréciable avec les matériaux semi-conducteurs

Le capteur à effet Hall comporte quatre fils : ceux qui servent à faire passer le courant sont connectés au +5 volt et au 0 volt de façon permanente. Seules apparaissent sur la platine les sorties +V et -V

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4.2. Manipulations et mesures : tensions de sortie du capteur : Régler la position de l'arbre d'entraînement de manière à ce que l'aiment du disque à effet Hall soit à

l'horizontal : dans cette position aucun flux magnétique n'agit sur le capteur. Mesurer à l'aide du voltmètre numérique les tensions sur les sorties + et – du capteur.

Faire tourner le disque de manière à amener l'aimant directement au dessus du capteur : le flux qui traverse le capteur est alors maximal. Relever les tensions sur les sorties du capteur dans cette nouvelle position.

Comparer aux caractéristiques fournies par le constructeur :

Tension de sortie + en l'absence de champ : 1,75 V

Tension de sortie - en l'absence de champ : 1,60 V

Variation de la tension de sortie :9 mV / mT

4.3. MontageCâbler sur la platine le montage représenté ci dessous.

Positionner la commande de gain grossier de l'amplificateur #1 sur 10

Positionner la commande de gain fin de l'amplificateur #1 sur 1,0

4.4. Manipulations et mesuresMise en forme et exploitation des informations fournies par le capteur.

Remettre l'aimant en position horizontale et régler l'offset de l'amplificateur #1 de manière à ce que le voltmètre à cadre mobile indique une tension nulle

Positionner l'aiment en position verticale au dessus du capteur et noter la tension mesurée par le voltmètre.

Mesure de vitesse

Connecter maintenant l'oscilloscope entre la sortie de l'amplificateur différentiel et la masse de façon à pouvoir observer la forme des signaux.

Alimenter le moteur de manière à faire tourner le disque à une vitesse de l'ordre de 10 tours par seconde.

Observer la forme du signal à l'oscilloscope

Connecter l'entrée du compteur horloge(toujours réglé sur « count » et « 1s ») à la sortie de l'amplificateur #1 à ; comparer avec la mesure fournie par l'optocapteur

Est-il possible de récupérer une information sur le sens de rotation ?

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5. Mesure de position : code Gray5.1. Principe

On utilise ici trois détecteurs de présence presque identiques à des fourches optiques, à ceci près que le faisceau lumineux est réfléchi sur les parties brillantes ou absorbé par les zones noircies de la piste qui se déplace devant le capteur.

5.2. MontageBrancher les deux voies de l'oscilloscope de manière à visualiser les signaux fournis par les capteurs A et B par exemple.

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5.3. Manipulations et mesures

Positionner le potentiomètre de commande sur « 0 » pour immobiliser le moteur.

Faire tourner l'arbre à la main jusqu'à extinction des trois LEDs

Faire tourner lentement l'arbre et noter les états successifs de l'afficheur

Remplir le tableau

Conclure

Faire tourner le moteur et observer les signaux à l'oscillo...

6. Mesure de position : capteur potentiométrique6.1. Principe

Un palpeur se déplace sur une piste de résistivité linéique constante alimentée sous une tension U. Dans la mesure où il n'y a pas de courant dérivé, on est en présence d'un diviseur de tension classique : x/L = V/U.

6.2. Montage

Brancher le contrôleur entre sortie du capteur potentiométrique et masse (0 volt).

6.3. Manipulations et mesures

Déplacer le disque jaune à la main de façon à amener successivement les graduations 0, 15, 30, 45, 60... devant l'index et noter à chaque fois la tension indiquée par le contrôleur.

Faire un tableau et un graphe de synthèse. Conclure.

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Piste résistive

U

VL

xi = 0

Palpeur

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7. Synthèse7.1. Tableau récapitulatif

Réaliser un tableau récapitulatif ; pour chaque capteur, préciser :• la nature de la grandeur qui fait l'objet de la mesure (présence / position / vitesse)• la nature physique de la grandeur effectivement mesurée (intensité lumineuse / résistance / etc )• son caractère continu ou discret• la nature de la chaîne de traitement mise en œuvre pour créer le signal électrique en sortie du capteur• la plus ou moins grande complexité de ce traitement• l'existence éventuelle, dans le signal délivré par le capteur, d'informations complémentaires (par exemple

la fréquence du signal délivré par la fourche optique°

7.2. Synthèse d'un asservissement

Proposer un montage utilisant l'un des capteurs étudiés ci dessus et permettant de réaliser un asservissement de la vitesse de l'arbre.Même question pour un asservissement en position.

Bonus : le capteur à inductionPrincipe

Montage à réaliser

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Réglages

Attention ! La procédure de réglage des offsets est délicate. Régler le gain de l'amplificateur « A.C. Amp » sur 100 Positionner la commande de gain grossier des amplificateurs #1 et #2 sur 10 Positionner la commande de gain fin des amplificateurs #1 et #2 sur 1,0

Retirer les fils d'entrée de l'amplificateur différentiel et mettre sous tension Connecter le voltmètre à cadre mobile à la sortie de l'amplificateur #1 et régler l'offset de manière à obtenir

une tension de sortie nulle ; affiner le réglage en plaçant le sélecteur de gain sur 100. Connecter le voltmètre à la sortie de l'amplificateur #2 et procéder de même que précédemment. Lorsque

le voltmètre ne détecter plus de tension, le réglage d'offset des deux amplis est correct. Remettre en place les fils d'entrée de l'amplificateur différentiel ; vérifier que l'encoche du disque est « en

haut », c'est-à-dire au plus loin du capteur et régler la résistance 10 tours 10kW de manière à ramener le voltmètre à zéro. Il est conseillé de positionner au préalable le réglage grossier de l'amplificateur #1 sur 10 pour permettre de déterminer approximativement la position cherchée, puis de le replacer ensuite sur 100 pour affiner le réglage, qui est délicat à réaliser avec des gains aussi importants.

Manipulations et mesures

Détection de présence : Placer maintenant l'encoche en face du capteur et observer le voltmètre. à l'aide de l'oscilloscope, visualiser les différents signaux qui apparaissent le long de la chaîne de

traitement, et expliquer le principe de la détection de présence.

Mesure de vitesse :

Compléter le câblage selon le schéma ci-dessous

Visualiser les différents signaux à l'aide de l'oscilloscope et expliquer le principe de mesure de la vitesse.

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