etude et realisation d’un variateur de vitesse d'un …

UNIVERSITE LARBI BEN M’HIDI DE OUM EL BOUAGHI FACULTE DES SCIENCES ET DES SCIENCES APPLIQUEES

DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE

Filière de génie électrique

MEMOIRE DE FIN D’ETUDES

en vue de l’obtention du

DIPLOME DE MASTER

Spécialité : INFORMATIQUE INDUSTRIELLE

ETUDE ET REALISATION D’UN VARIATEUR

DE VITESSE D'UN MOTEUR PAS A PAS A BASE DE MICROCONTROLEUR PIC 16F876

Mémoire de fin d’études soutenu publiquement à Oum El Bouaghi

juin 2016

Par : BADRI Meriam

Dirigé par :

Dr. MOUETSI Souheil

Année universitaire : 2015/2016

i

Remerciements

Tout d’abord, Nous tient à remercier DIEU le miséricordieux

de nos avoir donné la possibilité de réaliser notre projet, d’arriver à notre

souhaits et d’atteindre notre objectifs.

Nous aimerons dans ces quelques lignes remercier toutes les personnes qui

d’une manière ou d’une autre, ont contribué au bon déroulement de notre

travail, tout au niveau humain qu’au niveau scientifique.

Nous tenons tout d’abord à remercier notre encadreur

MONSIEUR, Dr. MOUETSI Souheil, on a pu bénéficier à la fois de ses

compétences scientifiques, et de sa grande disponibilité, tant pour résoudre

les difficultés rencontrées lors de notre réalisation, de répandre à nos

questions. Nous ajoutons en particulière sa patience et ses encouragements,

nous a permis de travailler dans bonnes conditions.

Grand remercient à tous les ingénieurs des laboratoires de génie électrique :

Ali Germain et somia.

Nos remerciements s’adressent également à tous membres de Jury, qui ont

accepté de nous honorer de leur présence et de juger notre travail Merci.

Et à toute personne ayant contribué de près ou de loin à notre soutien moral.

B. Meriam

Introduction générale

1

Introduction générale

Le moteur pas à pas est actuellement le principal élément intermédiaire entre les

dispositifs d’informations est le monde électromécanique extérieur. Par ailleurs sa capacité

à contrôler la position et la vitesse, par un train d’impulsion de commande assure à ce

convertisseur des applications dans des domaines d'application toujours plus nombreux et

plus variés :

- Robotique : positionnement des axes, vitesse variable du robot, etc.

- Informatique : déplacement d'une tête de lecture d'un lecteur, déplacement de la tête

d'impression, avance du papier pour les imprimantes, commande des axes pour les

tables traçantes, etc.

- Astronomie : positionnement du télescope pour suivre un astre par exemple ;

réception TV par satellites (positionnement d'une parabole)….

Le but de notre travail est d’une part d’étudier le fonctionnement du moteur pas à pas, et

d’autre part de commander ce convertisseur électromagnétique avec un dispositif

numérique, par la réalisation d'une carte électronique à base d'un microcontrôleur -PIC

16F876- afin d’assurer un fonctionnement optimal

Le travail présent dans ce mémoire sera reparti en trois chapitres :

Le premier chapitre porte sur les principaux types de moteurs et plus précisément les

différents types de moteurs pas à pas tels que les moteurs à reluctances variables et les

moteurs à aimant permanent et les moteurs hybrides qui sont le fruit de la fusion des

technologies précédentes, et nous terminerons le premier chapitre on donnerons une étude

comparative entre les trois type des moteurs pas à pas.

Pour pouvoir commande le comportement d'un moteur pas à pas, le deuxième chapitre

est dédié à présentation du PIC 16F876, allons de sa structure interne jusqu'au

programmation.

Le troisième chapitre sera consacré à la partie commande et la mise en œuvre du

contrôle du moteur pas à pas par, on premier lieu on va présenter d'une part le schéma

électrique du montage utilisé en simulation et l'outil de programmation Mikro C PRO .

Nous terminerons notre mémoire par une conclusion générale et des perspectives sur le

travail réalisé.

Chapitre I

LES MOTEURS PAS A PAS

Les moteurs pas à pas

2

Chapitre 01 : LES MOTEURS PAS A PAS

I.1 Introduction

Le terme 'moteurs pas à pas', correspond à des ensembles : 'commande-convertisseur

électronique-moteur' particuliers dans le sens où ils mettent en œuvre des structures

spéciales de moteurs de type synchrone (au sens large) alimentées par des structures de

convertisseurs parfois originales et commandées en mode pas à pas par opposition aux

modes synchrones (champ tournant en boucle ouverte) et autopilotés (le fonctionnement

optimal) des machines de type synchrone.

Le mode pas à pas est un fonctionnement saccadé composé d’une succession d’impulsions

électriques (en courant ou en tension) destinées à obtenir une succession analogue

d’incréments de position. Il s’agit donc de réaliser une commande en position en boucle

ouverte (sans capteur) [1].

Les moteurs pas à pas sont souvent utilisés par les concepteurs qui veulent minimiser le

temps de développement du système dans lequel ils ont besoin d’entraînements asservis en

position. En effet, les autres moteurs (à collecteur ou sans balais autopilotés) associés à un

système d’asservissement en position (électronique d’alimentation, de commande et

capteurs) n’ont pas atteint le même niveau de standardisation et de bas coût que les

moteurs pas à pas.

Pourtant, la solution pas à pas semble souvent une aberration du point de vue

énergétique (consommation toujours beaucoup plus élevée) et du point de la qualité du

mouvement (saccadé, vibratoire, engendrant souvent un bruit acoustique élevé).

En fait, comme souvent, c’est la genèse des techniques qui a plus ou moins verrouillé

cette situation à une époque où le moteur pas à pas se présentait quasiment comme la seule

solution de commande électromécanique en position.

Pour compenser tous les problèmes inhérents à la commande pas à pas, des

améliorations souvent complexes ont été mises en œuvre (fonctionnement en boucle

fermée de position avec capteur, alimentation en micro-pas, autopilotage sans capteur…).

On retrouve alors des systèmes électromécaniques très proches des systèmes

conventionnels sans balais (moteurs synchrones autopilotés) mis à part le fait qu’ils

exploitent des structures électromagnétiques un peu particulières mais qui ne changent pas

grand-chose au résultat final.

I.2 Les moteurs

I.2.1 Présentation

a) Schéma fonctionnel :

Un moteur est un élément qui permet de transformer une énergie électrique (tension,

courant) en énergie mécanique (rotation) caractérisée par son couple utile (T) et sa vitesse

(ω) [1].


3

Figure (I. 1) : Schéma fonctionnel des moteurs

b) Principe de fonctionnement :

On place une spire de fil de cuivre dans le champ d’un aimant. Lorsque les

conducteurs sont parcourus par un courant, ils sont soumis à des forces F1 et F2 qui

tendent à faire tourner la spire. Le collecteur permet d'inverser le sens du courant dans les

conducteurs lorsque ceux-ci passent le plan vertical. Ainsi le sens du couple des forces F1

et F2 et donc le sens de rotation du moteur est conservé.

Figure (I.2) : Représentation du fonctionnement des moteurs

I.2.2 Description interne

Figure (I. 3) : Représentation du fonctionnement des moteurs

induit


4

§ Le stator appelé aussi 'inducteur' est la partie fixe du moteur, il est constitué d'un

électro-aimant, alimenté en courant continu, dont le rôle est de produire un champ

magnétique. Cette partie est fixée sur la carcasse cylindrique du moteur et entoure le

rotor.

§ Le rotor appelé aussi "induit', placé à l'intérieur du stator, est la partie tournante du

moteur. Il est constitué d'un cylindre portant des bobinages (conducteurs), disposés

latéralement sur sa surface. Les extrémités des fils de ces bobinages sont reliées au

collecteur, qui entoure l'arbre moteur.

§ Le collecteur est monté sur l'arbre du moteur et il ressemble à une couronne. Ce dernier

comporte des contacts métalliques isolés les uns des autres, qui assurent la distribution

du courant continu aux bobinages du rotor par l'intermédiaire de deux 'balais' (contacts

glissants). Ces balais, parfois appelés 'charbons', sont reliés à la source de tension

continue. L'ensemble collecteur-balais, est la partie la plus fragile d'un moteur.

On alimente à la fois le stator, qui crée un champ magnétique, et les bobinages du

rotor, qui sont donc parcourus par un courant électrique. Or, un conducteur placé

perpendiculairement à un champ magnétique et parcouru par un courant est soumis à une

force électromagnétique : il se déplace en coupant le champ magnétique. Ce conducteur

(ou bobinage) étant solidaire du rotor, celui-ci tourne autour de son axe, ou arbre : il peut

alors entraîner une roue, une poulie, une hélice, etc.

I.2.3 Définitions et caractéristiques générales

a. Vitesse :

Elle s’exprime soit en tours par minute, soit en radian par. On a donc :

(1)

[Ω] = rd/s, [n]= tr/min

Pour un moteur à courant continu, elle est proportionnelle à la tension d’alimentation

(2)

b. Sens de rotation :

Si le moteur le permet, pour un moteur à courant continu, le sens de rotation dépend du

sens d’alimentation du moteur.

c. Couple utile :

C’est la somme du moment des couples de forces électromagnétiques qui agissent sur

la partie tournante. Il s’exprime en Newton. Mètre (N.m).

(3)

Pour un moteur à courant continu, il est proportionnel au courant consommé.

(4)

d. Puissance utile :

C’est la puissance mécanique fournie par le moteur. Elle s’exprime par :

(5)

[Pu]= Watt, [T] = Newton. Mètre ; [Ω] = radian par seconde.


5

e. Puissance absorbée :

C’est la puissance électrique absorbée par le moteur. Elle s’exprime (en continu) par :

(6)

[Pa] = Watt, [U] = Volt, [I] = Ampère.

La puissance absorbée peut aller de quelques mW à quelques centaines de MW (TGV).

f. Rendement :

C’est le rapport de la puissance utile sur la puissance absorbée.

(7)

η est compris entre 0 et 1 ou s'exprime en %. Il représente la qualité de la transmission de

l’énergie électrique en énergie mécanique. Plus il se rapproche de 1, plus le moteur est

performant. Il représente indirectement les pertes par frottement et par effet Joule.

Le rendement d’un moteur peut aller jusqu'à 90 à 95 %.

I.2.4 Modèle électrique

Pour faire une étude, il est possible de remplacer un moteur électrique par son schéma

équivalent :

En régime permanent, le courant est pratiquement constant, on peut donc simplifier le

schéma précédent, par le schéma suivant :

On a donc l’équation suivante :

(8)

Où E représente la force contre électromotrice du moteur en volts.

R : la résistance équivalente du moteur (~ ohms).


6

I.3 Les différents types de moteurs

I.3.1 Le moteur synchrone

Une machine synchrone est une machine électrique qui :

- soit produit un courant électrique dont la fréquence est déterminée par la vitesse de

rotation du rotor : fonctionnement en génératrice dans deux quadrants du plan couple-

vitesse.

- soit absorbe un courant électrique dont la fréquence détermine la vitesse de rotation du

rotor : fonctionnement moteur.

Récemment, ce type de moteur revenir en force parallèlement au développement des

variateurs de vitesse.

a) Principe de fonctionnement

Le moteur synchrone se compose, comme le moteur asynchrone, d'un stator et d'un

rotor séparés par un entrefer. La seule différence se situe au niveau de la conception du

rotor. La figure ci-dessous montre un rotor à pôles saillants constitués d'aimants

permanents ou d'électro-aimants alimentés en courant continu.

Figure (I. 4) : moteur synchrone

Après le démarrage, le moteur tourne en synchronisme avec le champ tournant. A vide

les axes des pôles du champ tournant et du rotor sont confondus. En charge, les axes sont

légèrement décalés. La vitesse du moteur synchrone est constante quelle que soit la charge.

On notera aussi que :

- La charge ne doit pas dépasser l'effort de démarrage entre le rotor et le champ tournant.

- Le couple moteur est proportionnel à la tension à ses bornes.

b) Les avantages de moteur synchrone :

- il peut travailler avec un facteur de puissance proche de 1 (cos φ~ 1). Il contribue donc

à redresser le cos φ global de l'installation électrique.

- la vitesse du moteur est constante quelle que soit la charge.

- Il peut supporter des chutes de tension important sans décrocher.


7

c) Les inconvénients de moteur synchrone :

- S'il n'est pas associé à un variateur de vitesse, il a des difficultés au démarrage.

- il peut décrocher en cas de forte charge.

d) Pilotage de la vitesse de rotation

- A l'heure actuelle, le pilotage de la vitesse des moteurs synchrones se fait

électroniquement grâce à des variateurs de vitesse. Pour cette raison, on ne parlera ici

que du contrôle de la fréquence qui de loin la plus courante. Vu la nécessite pour un

moteur synchrone d'être démarré avec un système auxiliaire, le variateur de fréquence

associé au moteur synchrone permet de le démarrer avec une fréquence statorique

faible voire nulle.

- Sans perte de puissance, on peut piloter la vitesse de rotation du moteur en faisant

varier la fréquence et la tension car la vitesse de rotation du champ tournant au niveau

du stator change.

- A remarquer que le couple d'un moteur synchrone ne change pas en fonction de la

vitesse puisqu'il n'y a pas de glissement.

- Le pilotage du moteur synchrone par un variateur de fréquence montre des intérêts

certains ; à savoir principalement :

o La limitation du courant de démarrage (de l'ordre de 1,5 fois le courant

nominal),

o Un couple constant quelle que soit la vitesse du moteur.

I.3.2 Le moteur asynchrone

- La machine asynchrone, connue également sous le terme anglo-saxon de machine à

induction, est une machine électrique à courant alternatif sans connexion entre

le stator et le rotor.

- Les machines possédant un rotor en cage d'écureuil sont aussi connues sous le nom de

machines à cage ou machines à cage d'écureuil.

- Le terme asynchrone provient du fait que la vitesse de rotation du rotor de ces

machines n'est pas exactement déterminée par la fréquence des courants qui traversent

leur stator.

- Quant au moteur asynchrone seul, sa popularité résulte du peu d'entretien nécessaire,

de sa simplicité de construction, de sa standardisation et de sa robuste.

Figure (I. 5) : moteur asynchrone


8


Le principe de fonctionnement d'un moteur asynchrone repose sur:

- la création d'un courant électrique induit dans un conducteur placé dans un champ

magnétique tournant. Le conducteur en question est un des barreaux de la cage

d'écureuil ci-dessous constituant le rotor du moteur. L'induction du courant ne peut

se faire que si le conducteur est en court-circuit (c'est le cas puisque les deux

bagues latérales relient tous les barreaux).

- la création d'une force motrice sur le conducteur considéré (parcouru par un courant

et placé dans un champ magnétique tournant ou variable) dont le sens est donnée

par la règle des trois doigts de la main droite.

Comme montré sur le schéma ci-dessus, le champ tournant, à un instant donné, est

orienté vers le haut. En considérant deux conducteurs diamétralement opposés, on constate

que les courants induits dans ces deux conducteurs sont en sens inverse et, associés au

champ magnétique, créent des forces motrices en sens inverse. Le rotor étant libre de

tourner sur l'axe X-Y, les deux forces s'associent pour imprimer aux deux conducteurs un

couple permettant la rotation de la cage d'écureuil : le moteur électrique est inventé.

- Pour entretenir la rotation du moteur, il est nécessaire de faire varier soit le courant

dans les conducteurs de la cage, soit le champ magnétique. Dans un moteur

asynchrone, c'est le champ magnétique qui varie sous forme de champ tournant

créé dans le stator.

- Au démarrage, le champ tournant balaye les conducteurs de son flux à la vitesse

angulaire de synchronisation. Le rotor mis en rotation tend à rattraper le champ

tournant. Pour qu'il y ait un couple entretenu au niveau des conducteurs, la

variation de flux doit être présente en permanence ; ce qui signifie que si les

conducteurs tournent à la vitesse de synchronisation comme le champ tournant, la

variation de flux sur les conducteurs devient nulle et le couple moteur disparaît.

- Un rotor de moteur asynchrone ne tourne donc jamais à la vitesse de

synchronisation, il intervient ici la notion de glissement.

b) Pilotage de la vitesse de rotation

Le pilotage de la vitesse de rotation du moteur asynchrone est essentiel pour beaucoup

d'applications. On peut piloter la vitesse de rotation en intervenant sur :

- le nombre de pair de pôle (moteur à deux vitesses par exemple),

- le glissement du moteur (moteur à bague),

- la fréquence du réseau.

- régulation de fréquence

A l'heure actuelle, le pilotage de la vitesse des moteurs asynchrones se fait

électroniquement grâce à des variateurs de vitesse. Pour cette raison, on ne parlera ici que

du contrôle de la fréquence. Sans perte de puissance, on peut piloter la vitesse de rotation

du moteur en faisant varier la fréquence car la vitesse de rotation du champ tournant au

niveau du stator change. Pour conserver le couple moteur, il faut que la tension du moteur

se modifie avec la fréquence dans un rapport constant.


9

I.3.3 Le moteur à courant continu

Le moteur à courant continu est un convertisseur électrique en énergie mécanique avec

quelques pertes.

Figure (I. 6) : Moteur à courant continu


Le moteur à courant continu est essentiellement composé de trois parties :

- Le stator ou inducteur : il est formé d’aimant pour les petits moteurs et de bobine

parcouru par un courant pour les moteurs plus puissants. Grâce aux progrès sur les

aimants ses derniers sont de plus en plus employés. Les aimants ou bobines permettent

la création d’un flux magnétique.

- Le rotor ou induit : il est alimenté par une tension U et parcourue par un courant I, le

circuit électrique appelé induit est obtenue en associant en série des conducteurs logés

dans des encoches du rotor.

- Le collecteur : il est formé d’un ensemble de lames de cuivre isolées latéralement les

unes des autres et disposées suivant un cylindre en bout de rotor. Deux balais portés

par le statuer frottent sur les lames des collecteurs.

b) Avantages et inconvénients

- L'avantage principal des machines à courant continu

réside dans leur adaptation simple aux moyens

permettant de régler ou de faire varier leur vitesse,

leur couple et leur sens de rotation.

- Le principal problème de ces machines vient de la

liaison entre les balais et le collecteur rotatif. Ainsi

que le collecteur lui-même et la complexité de sa

réalisation.

- Plus la vitesse de rotation est élevée, plus la

pression des balais doit augmenter pour rester en

contact avec le collecteur donc plus le frottement

est important donc ils doivent être remplacés très régulièrement.

- le collecteur imposant des ruptures de contact provoque des arcs, qui usent rapidement

le commutateur et génèrent des parasites dans le circuit d'alimentation, ainsi que par

rayonnement électromagnétique.

- lorsque le rotor est bobiné, la force centrifuge finissant par casser les liens assurant la

tenue des ensembles de spires (le frettage), c'est le phénomène de défrettage.


10

- La température est limitée au niveau du collecteur par l'alliage utilisé pour braser les

conducteurs du rotor aux lames du collecteur. Un alliage à base d'argent doit être utilisé

lorsque la température de fonctionnement dépasse la température de fusion de l'alliage

classique à base d'étain.

Un certain nombre de ces inconvénients ont partiellement été résolus par des

réalisations de moteurs sans fer au rotor, comme les moteurs disques ou les moteurs

cloches, qui néanmoins possèdent toujours des balais. Mais aussi, les travaux de recherche

ont permet d'éliminé les inconvénients ci-dessus grâce au moteur à courant continu sans

balais, ou machine synchrone auto-pilotée.

c) Pilotage d'un moteur à courant continu

Les moteurs à courant continu à collecteur, encore utilisés de nos jours, sont à

inducteur bobiné ou à aimants permanents. Les premiers sont à excitation séparée ou à

excitation série, c’est notamment le cas des moteurs universels très employés en

électroménager. Leur alimentation est réalisée par convertisseurs à thyristors ou par

gradateurs ou encore par hacheur selon la source d’alimentation ou les choix technico-

économiques effectués.

Il s’agit de contrôler le courant d’induit, éventuellement le courant inducteur, grâce au

réglage de la tension :

- Le couple d’un moteur à courant continu est proportionnel aux flux et à l’intensité. Le

flux crée par un aimant est constant dans ce cas, le couple est proportionnel au courant.

- La variation de la vitesse d’un moteur à courant continu est obtenue en faisant varier la

valeur moyenne de la tension d’alimentation U. On peut utiliser une tension continue

variable mais le rendement peut être mauvais, pour résoudre ce problème, on place un

transistor ballast entre la source d’alimentation et le moteur.

Généralement, on utilise une commande MLI (Modulation de Largeur d’Impulsion) ou

PWM (Pulse Width Modulation) qui permet d’avoir un rendement de 100% quel que soit

la vitesse du moteur par le biais de variation du rapport cyclique de la tension.

Figure (I. 7) : Les imputions de la commande MLI


11

I.3.4 Le moteur pas à pas

Le moteur pas à pas fut inventé en 1936 par Marius Lavet, un ingénieur français

des Arts et Métiers, pour l'industrie horlogère. Il est un moteur qui tourne en fonction

d’impulsions électriques reçues dans ses bobinages. L'angle de rotation minimal entre deux

modifications des impulsions électriques s'appelle un pas. On caractérise un moteur par le

nombre de pas par tour (c'est à dire pour 360°).

Les moteurs pas à pas sont des moteurs spéciaux, composés simplement d’un stator

réunissent des pièces polaires et des bobinages, et utilisés pour commander avec grande

précision le déplacement et la position d’un objet. [4].

Figure (I. 8) : Moteur pas à pas

L'usage le plus connu des moteurs pas à pas du grand public est dans les imprimantes

et les scanner . Mais ils sont présents dans de nombreuses applications telles que : les

photocopieurs, imprimantes bancaires, robotique, instrumentation, pompes à

perfusion, pousse-seringues, système de positionnement sur machine industrielle

et machine-outil.etc.


Le principe de base est la création d’un champ tournant, les pôles magnétiques de

rotation de même nom se repoussent et les pôles des noms contraires s’attirent, le champ

magnétique entraînera le rotor alimenté dans le même sens.

Ceci traduit le fait qu’on transforme une grandeur numérique en une grandeur

analogique. La fréquence de rotation, ou vitesse est donc commandée par des impulsions

(consigne de rotation) contrôlées elle-même par un dispositif électronique en technologie

câblée programmée.

Analysant théoriquement un moteur composé d'un aimant permanent (boussole) et de

deux bobinages constitués chacun de deux bobines. Le passage d'un courant,

successivement dans chaque bobinage, fait tourner l'aimant.


12

Figure (I. 9) : Principe de base de la création d’un champ tournant

- Nous avons créé un moteur de quatre pas par tour.

- Les impulsions électriques sont du type tout ou rien, c'est à dire passage de courant ou

pas de passage de courant.

- L'électronique actuelle permet de piloter la chronologie de ces impulsions avec

beaucoup de précision et d'en comptabiliser le nombre.

- Le moteur pas à pas et son circuit de commande permettent donc la rotation d'un axe

avec beaucoup de précision en vitesse et en amplitude.

b) Avantages des moteurs pas à pas

- Les moteurs pas à pas sont souvent utilisés par les concepteurs qui veulent minimiser le

temps de développement du système dans lequel ils ont besoin d’entraînements

asservis en position. En effet, les autres moteurs (à collecteur ou sans balais

autopilotés) associés à un système d’asservissement en position (électronique

d’alimentation, de commande et capteurs) n’ont pas atteint le même niveau de

standardisation et de bas coût que les moteurs pas à pas.

- Rotation constante pour chaque commande.

- Existence de couple à l’arrêt.

- Contrôle de la position, de la vitesse et synchronisation de plusieurs moteurs (pas de

besoin de contre-réaction).

- Moteur sans balais.

c) Inconvénients des moteurs pas à pas

- Plus difficile à faire fonctionner qu’un moteur a courant continu.

- Vitesse et couple relativement faible.

- Couple décroissant rapidement lorsque la vitesse augmente.

- Résonance mécanique.


13

d) La technologie des moteurs pas à pas :

Il existe trois catégories des moteurs pas à pas [1]:

- moteurs pas à pas à réluctance variable :

- il n y a pas la notion de pas.

- A caractéristique électrique identique, un tel moteur est

moins puissant, mais plus rapide que les moteurs à aimant

permanent.

- Sans doute les plus anciens.

- moteurs pas à pas à aimants permanents :

- il y a la notion de pas.

- Ce sont des moteurs à faible coût de revient, et de résolution

moyenne (jusqu’ à 100 pas/tour).

- moteurs pas à pas à hybrides :

- Ces moteurs combinent les deux technologies précédentes,

- Ils sont plus chers.

- Leur intérêt réside dans un meilleur couple, une vitesse plus

élevée, et une résolution de 100 à 400 pas/tour.

- Les moteurs les plus courants sont ceux à aimants permanents

et les hybrides.

-

d.1 Moteur pas à pas à aimant permanents :

Les moteurs à aimants sont ceux que nous utiliserons dans notre projet de fin d’étude.

Ils sont constitués d’un stator supportant les bobinages et d’un rotor magnétique (aimant

bipolaire) et ils se caractérisent par :

- Faible résolution : nombre de pas / tour peu important,

- Couple d’utilisation plus élevé par rapport au moteur à reluctance variable,

- Présence d’un couple résiduel lorsque le moteur est hors tension.

Cette catégorie de moteur se subdivise en deux types : le moteur unipolaire et le moteur

bipolaire.

a. Moteurs pas à pas bipolaires :

La structure interne d’un moteur de type bipolaire est présenter dans la figure ci-

dessous, ce type de moteur nécessite une commande plus complexe que celle du moteur

unipolaire. A chaque pas effectué, le courant devant change de sens dans les enroulements.


14

Figure (I. 10) : Moteur à aiment permanent bipolaire

b. Les moteurs unipolaires

Une représentation schématisée d’un moteur unipolaire est donnée dans la figure ci-

dessous. Afin d’inverser le sens du courant, les enroulements sont réalisés au moyen de

deux fils dont l’une des extrémités est reliée au pôle + ou au pôle – de l’alimentation.

Figure (I.11) : Moteur à aiment permanent unipolaire

La commande de ce type moteur est la plus simple de tous les moteurs pas à pas

puisqu’il suffira d’alimenter les bobinages à tour de rôle pour faire tourner l’axe d’un pas.

Comme pour chaque type de moteur, le modèle unipolaire peut être commandé en

mode monophasé, biphasé ou demi-pas.[1]

d.2 Moteur pas à pas à réluctance variable :

La dénomination des machines à réluctance variable (MRV) englobe des machines de

structures différentes dont la propriété commune est la variation sensible de la forme de

l’entrefer durant la rotation. Mais, ces machines n’ont pas les mêmes caractéristiques ni les

mêmes performances et ne sont pas destinées au même usage.

a. Différents types de la MRV :

Les machines à réluctance variable se devisent, de part leur construction, en deux

grandes catégories :

1) Les machines à stator lisse.

2) Les machines à double denture dite « vernier ».

Dans ces deux types le rotor est à Nr dents identiques et régulièrement réparties.


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b. Fonctionnement des MRV :

A chaque impulsion de la commande, la phase suivante du stator est alimentée. On

constate que les pôles les plus proches des bobines alimentées se positionnent en face de

ces dernières. Suivant l’ordre d’alimentation des phases du stator, on peut choisir le sens

de rotation.

Figure (I.12) : Moteur à réluctance variable

c. Inconvénients des MRV

- nécessite au moins trois bobinages, pour obtenir un cycle complet,

- pas de couple résiduel, c’est-à-dire que hors tension, le rotor est libre, ce qui peut être

problématique pour ce genre de moteur.

- La fabrication est assez délicate, les entrefers doivent être très faibles.

d. Avantage des MRV

- peu coûteux,

- d'une bonne précision.

- Le sens du courant dans la bobine n'a aucune importance.

d.3 Moteur pas à pas hybride :

C’est un moteur qui superpose le principe de fonctionnement des moteurs à aimant

permanent et à réluctance variable et combine leurs avantages [2].

a. Exemple d'un moteur à 200 pas

Figure (I. 13) : Exemple de moteur à 200 pas

- Le rotor composé d'un aimant permanent emboîté dans deux couronnes de 50 dents

décalées d'une demi-dent. De profil, on a ainsi 100 dents alternativement pôle nord

et pôle sud soit 50 paires de pôles.


16

- Le stator est constitué de 2 bobines (modèle bipolaire) montées en 8 électro-

aimants soit 4 paires de pôles.

- Le nombre de pas entier possible est de 50 × 4 soit 200 pas.

I.4 Etude comparative et caractéristique

a. Etude comparative :

Le tableau ci-dessous présente les avantages entre les moteurs à aimant, les moteurs à

réluctance variable (les moteurs les plus utilisés) et les moteurs pas à pas hybride :

Type de moteur Moteur à aimant

permanent

Moteur à

réluctance

variable

Moteur hybride

Résolution (nb de

pas/tour) Moyenne Bonne Elevée

Couple moteur Elevé Faible Elevé

Sens de rotation

Il dépend :

-du sens du courant pour

les moteurs bipolaires

-L’ordre d’alimentation des

bobines

Il dépend

uniquement de

l’ordre

d’alimentation des

bobines

Il dépend :

-du sens du courant pour

les moteurs bipolaires

-L’ordre d’alimentation

des bobines

Fréquence de

travail Faible Grande grande

Tableau (I. 1) : Etude comparative entre les différents types de moteur pas à pas.

b. Caractéristiques des moteurs pas à pas

Figure (I. 14) : Couple d'arrêt ou couple de maintien [3]

- Couple maximum de rotation : avec lequel on peut solliciter l'arbre d'un moteur pas à

pas excité statiquement, sans qu'il ne se produise de modification de son angle de

rotation.

- Plage de démarrage : plage dans laquelle un moteur pas à pas peut être actionné en

synchronisation avec la fréquence de travail sans rampe d'accélération ou de

décélération.

- Fréquence limite de démarrage : la fréquence maximale avec laquelle un moteur pas

à pas ne peut démarrer à la charge indiquée, sans perdre de pas.


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- Plage d'accélération: la plage de travail dans laquelle un moteur pas à pas peut être

actionné en synchronisation avec la fréquence de travail, sans qu'il ne se produise

d'erreur de pas. Il faut cependant qu'il soit actionné avec une rampe d'accélération et de

décélération.

- Couple limite de travail: le couple de rotation maximale avec lequel on peut solliciter

un arbre de rotation avant qu'il ne sorte de la cadence.

- Fréquence maximale des pas: la fréquence maximale admise avec laquelle un moteur

pas à pas est actionné à vide sans perte de pas. Cependant, le moteur ne peut être

démarré ou stoppé avec cette fréquence sans perte de pas.

I.5 Etude du courant dans un enroulement (phase) du moteur pas à pas

E=L +r.i (9)

L : L’inductance d’un enroulement du moteur

r : Résistance du moteur

Solution générale de l’équation sans second membre :

Log i= - i=k 2. (10)

Solution particulière de l’équation avec second membre :

(11)

Solution générale de l’équation avec second membre :

(12)

Détermination de la constante K2 :

(13)

Equation finale

= (1- ) (14)

On pose : r= constante de temps (exprimée en secondes)

) (15)


18

Figure (I. 15) : Représentation du fonctionnement des moteurs

Ø Réduction de la constante de temps :

On constate que la constante de temps τ = L/r peut être diminuée par l’addition d’une

résistance r’ en série avec l’enroulement. Cependant, la valeur du courant (régime

permanent) est réduite. Le couple moteur est donc diminué. Pour le rétablir, il faut

augmenter la tension d’alimentation du moteur.

On constate que la vitesse de montée du courant dans l’enroulement est plus élevée

avec une résistance additionnelle r’. Le couple moteur s’établit donc plus rapidement. Les

performances du moteur (fréquence maximale d’arrêt - démarrage et fréquence maximale

de survitesse) sont considérablement améliorées.

Cependant, la résistance additionnelle dissipe inutilement une puissance : P=E²/r’.

I.6 Séquence de commande d'un moteur pas à pas

Pour appliquer les séquences de commande avec la correcte succession et la juste

polarité, il est important de connaître la constitution interne des enroulements d’un moteur

pas à pas. Comme nous avons indiqué ci-dessus, pour chacun types de moteurs pas à pas

(unipolaire et bipolaire) on doit réaliser différentes techniques de commande

En pratique, pour ce qui concerne la réalisation des enroulements, il existe deux types

différents de moteur pas à pas :[3]

a. Séquence de commande d'un moteur pas à pas bipolaire :

Ces moteurs sont réalisés avec deux enroulements, comme représentés dans la figure

ci-dessous, qui sont en série entre eux.


19

Figure (I. 16) : représentation symbolique (a) et physique (b)

D’un moteur pas à pas à deux phases

Pour obtenir l’inversion de la polarité du champ magnétique avec ce type de moteur, il

est nécessaire d’inverser le sens de circulation du courant dans les deux enroulements du

stator. Ceci, pratiquement se réalise en inversant les polarités des tensions appliquées aux

extrémités des enroulements.

La figure ci-dessous présente un schéma plus simplifié de principe soit du moteur pas à

pas bipolaire soit des circuits de polarisation des enroulements.

Figure (I. 17) : principe de commande du moteur pas à pas bipolaire

Ce type de commande demande la réalisation de circuits électroniques très complexes

et il est communément connu sous le nom de commande bipolaire à cause de la double

polarité des tensions appliquées aux extrémités des enroulements.

La figure suivante représente schématiquement une complète séquence de commande

pour un moteur pas à pas bipolaire et avec les deux enroulements activés.

Figure (I. 18) : séquence de commande du moteur pas à pas bipolaire

Le tableau (I.2) présente la précédente séquence de commande, qui permet de

réaliser une rotation uniforme et continue du moteur.


20

A C B D

Etat initial + + - -

1ère impulsion - + + -

2ème impulsion - - + +

3ème impulsion + - - +

4ème impulsion (retour à l’état initial) + + - -

Tableau (I. 2) : séquence de commande d'un moteur pas à pas bipolaire

b. Séquence de commande d'un moteur pas à pas unipolaire :

Ces moteurs sont réalisés soit avec des enroulements de stator indépendants soit avec

des enroulements à prise centrale, de façon à avoir deux moitiés d’enroulements opposées.

Avec la deuxième configuration, on peut générer des champs magnétiques opposés sans

devoir à inverser le sens du courant.

Figure (I.19) représente une configuration d’un moteur pas à pas à six fils utilisable soit

pour le mode unipolaire soit pour le mode bipolaire.

Figure (I. 19) : représentation symbolique (a) et physique (b)

D’un moteur pas à pas à deux phases

- Les deux enroulements Ph1 et Ph2 sont enroulés sur le même noyau de façon que le

courant en entrant du terminal 1 crée deux champs magnétiques opposés suivant que le

terminal est en A ou en B. dans ce cas, nous avons un schéma équivalent à un moteur

unipolaire.

- Si au contraire le courant entre de A et sort de B, le terminal 1 n’est pas alimenté en

courant, c’est le fonctionnement en mode bipolaire (les terminaux 1 et 2 ne doivent pas

être connectés). Et de même pour les phases 3 et 4.

La figure (I.20) présente un schéma simplifié de principe des circuits de commande du

moteur en mode unipolaire.


21

Figure (I.20) : schéma de principe pour la commande du moteur pas à pas unipolaire

Ce type de commande demande la réalisation de circuits électroniques extrêmement

simples et il est communément connu sous le nom de commande unipolaire, puisque les

tensions appliquées aux extrémités des enroulements maintiennent constantes leurs

polarités.

La Figure (I.21) présente schématiquement une complète séquence de commande pour

un moteur pas à pas unipolaire.

Figure (I.21) : séquence de commande du moteur pas à pas unipolaire

Le tableau (I. 3) présente la précédente séquence de commande, qui permet de réaliser

une rotation uniforme et continue du moteur.

A C B D

Etat initial + - - +

1ère impulsion - + - +

2ème impulsion - + + -

3ème impulsion + - + -

4ème impulsion (retour à l’état initial) + - - +

Tableau (I. 3) : séquence de commande d'un moteur pas à pas unipolaire.

Chapitre II

Présentation du

microcontrôleur

PIC 16F876

Présentation du microcontrôleur PIC 16F876

22

Chapitre 02 : PRESENTATION DU MICROCONTROLEUR

PIC 16F876

II.1 Introduction

Le microcontrôleur est un objet technique, intégrant de l’électronique, fait souvent

apparaître des fonctions ayant pour rôle le traitement d’information : opérations

arithmétiques (addition, multiplication…) ou logiques (ET, OU…) entre plusieurs signaux

d’entrée permettant de générer des signaux de sortie.

Ces fonctions peuvent être réalisées par des circuits analogiques ou logiques. Mais,

lorsque l’objet technique devient complexe, et qu’il est alors nécessaire de réaliser un

ensemble important de traitements d’informations, il devient plus simple de faire appel à

une structure à base de microcontrôleur.

II.2 Généralités sur les PIC

II.2.1 Définition de PIC

Un microcontrôleur PIC est une unité de traitement et d’exécution de l'information

à laquelle on a ajouté des périphériques internes permettant de réaliser des montages sans

nécessiter l’ajout de composants annexes. Un microcontrôleur PIC peut donc fonctionner

de façon autonome après programmation.

Les microcontrôleurs sont aujourd’hui implantés dans la plupart des applications

grand public ou professionnelles, il en existe plusieurs familles. La société Américaine

Micro- chip Technologie a mis au point dans les années 90 un microcontrôleur PIC

(Periphirol Interface Contrôler) CMOS. Ce composant encore très utilisé à l’heure actuelle,

il se caractérise par sa rapidité, moindre prix et simplicité d'utilisation [5].

Les PIC existent dans plusieurs versions selon le type de mémoire intégrée :

- Les UVPROM qui sont effaçable par une source de rayonnements ultraviolets,

- Les OTPROM programmable une seule fois,

- Les EEPROM et flash EPROM qui sont effaçables électriquement.

II.2.2 Les différentes familles des PICs

Les PICs sont des microcontrôleurs à architecture RISC (Reduce Instructions

Construction Set), ou encore composant à jeu d’instructions réduit. L'avantage est que plus

on réduit le nombre d’instructions, plus leur décodage sera rapide ce qui augmente la

vitesse de fonctionnement du microcontrôleur. La famille des PICs est subdivisée en 3

grandes familles [5] :

- Base –line : les instructions sont codées sur 12 bits.

- Mid-Range : les instructions sont codées sur 14 bits. (et dont font partie la 16F84 et

16F876).

- High –end : les instructions sont codées sur 16 bits.


23

Toutes les PICs Mid-Range ont un jeu de 35 instructions, stockent chaque

instruction dans un seul mot de programme, et exécutent chaque instruction (sauf les sauts)

en un cycle. On atteint donc des très grandes vitesses, et les instructions sont de plus très

rapidement assimilées.

Un PIC16F876-04 peut fonctionner avec une horloge allant du continu jusqu’à 4

MHz. Nous limiterons notre travail à la famille Mid-Range et plus particulièrement au PIC

16F876/877.

II.2.3 Identification des PICs

Pour identifier un PIC, nous utilisons le repérage suivant :

- deux chiffres : famille du PIC (10, 12, 16, 18, 24 ,32)

- première lettre : type de mémoire de programme (C ou F) :

o Le F indique en général qu'il s'agit d'une mémoire flash et donc effaçable

électriquement.

o La lettre C indique en général que la mémoire ne peut être effacée que par

exposition aux ultra-violets (exception pour le PIC16C84 qui utilise une mémoire

EEPROM donc effaçable électriquement).

o Un L peut être ajouté devant pour indiquer qu'il s'agit d’une modèle basse tension

(exemple : 2 V à 5,5 V si LF — 4,2 V à 5,5 V si F).

- un nombre de 2 à 4 chiffres : modèle du PIC au sein de la famille. Toutefois il y a

maintenant des exceptions : PIC18F25K20 ou PIC18F96J60 par exemple.

- un groupe de lettres pour indiquer le boîtier et la gamme de température.

- Finalement nous trouvons sur les boîtiers la fréquence d’horloge maximale que le

PIC peut recevoir. Par exemple –04 pour un 4MHz.

Notons que les PIC sont des composants STATIQUES, c’est à dire que la

fréquence d’horloge peut être abaissée jusqu’à l’arrêt complet sans perte de données et

sans dysfonctionnement, ceci par opposition aux composants dynamiques (comme les

microprocesseurs), donc la fréquence d’horloge doit rester dans des limites précises.[9]

Exemple :

Figure (II. 1) : Identification des PICs


24

II.2.4 Les avantages du microcontrôleur

L’utilisation des microcontrôleurs pour les circuits programmables à plusieurs

points forts et bien réels. Il suffit pour s’en persuader, d’examiner la spectaculaire

évolution de l’offre des fabricants de circuits intégrés en ce domaine depuis quelques

années.

- Tout d’abord, un microcontrôleur intègre dans un seul et même boîtier ce qui, avant

nécessitait une dizaine d’éléments séparés. Il résulte donc une diminution évidente de

l’encombrement de matériel et de circuit imprimé

- Cette intégration a aussi comme conséquence immédiate de simplifier le tracé du

circuit imprimé puisqu’il n’est plus nécessaire de véhiculer des bus d’adresses et de donnée

d’un composant à un autre.

- L’augmentation de la fiabilité du système puisque, le nombre des composants

diminuant, le nombre des connexions composants/supports ou composants/circuits

imprimer diminue.

- Le microcontrôleur contribue à réduire les coûts à plusieurs niveaux

o Moins cher que les autres composants qu’il remplace.

o Diminuer les coûts de main d’œuvre.

- Réalisation des applications non réalisables avec d’autres composants.

II.3 Architecture des PICs

II.3.1 Structure interne d'un PIC

Les PIC, au même titre que les microprocesseurs, sont composés essentiellement de

registres ayant chacun une fonction bien définie. Les PIC possèdent également des

périphériques intégrés, tels qu'une mémoire EEPROM, un timer, des ports d'entrées/sorties

ou bien encore un convertisseur analogique/numérique comme le montre la figure

suivante :

Figure (II. 2) : Structure de base d’un PIC.


25

Selon le type de PIC utilisé, on retrouvera en interne un certain nombre de registres

et périphériques possédant des caractéristiques différentes.

Les différences de caractéristiques selon le PIC utilisé sont :

- La taille de la RAM interne.

- La mémoire EEPROM intégrée.

- Le type de mémoire programme : FLASH, EPROM ou OTP et la taille de celle-ci.

- Le timer intégré.

- Les convertisseurs analogique/numérique intégrés.

II.3.2 Structure minimale d'un PIC

La structure minimale d'un PIC est constituée des éléments ci-dessous :

- Une unité arithmétique et logique (UAL) : est chargée d’effectuer toutes les

opérations arithmétiques de base (addition, soustraction et logiques etc.).

- Un registre compteur de programme (CP) : est chargée de pointer l’adresse

mémoire courante contenant l’instruction à réaliser pour le microcontrôleur. Le contenu de

registre PC évolue selon le pas de programme.

- Registre pointeur de pile (PP) : est essentiellement utilisé lorsque l’on relise un

sous-programme. Le pointeur de pile est chargé de mémoriser l’adresse courante que

contient le compteur de programme avant le saut à l’adresse du sou programme.

- Un registre d’instruction : contient tous les codes binaires correspondants aux

instructions à réaliser par le microcontrôleur.

- Une horloge système : permet de cadencer tous les échanges internes et externes au

microcontrôleur.

- Un registre d’état : est en relation avec l’UAL et permet de tester le résultat de la

dernière opération effectuée par le microcontrôleur. Des bits sont positionnés dans le

registre d’état et ceux-ci peuvent être testés à l’aide des instructions de branchement pour

effectuer des sauts conditionnels.

- Des ports d’entrées/sorties : permettent de dialogué avec l’extérieure du

microcontrôleur, par exemple pour prendre en compte l’état d’un interrupteur.

- La mémoire programme : elle est constitué de 8K mots de 14 bits, c’est dans cette

zone que nous allons écrire notre programme.

- La mémoire EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory) :

est constitué de 258 octets que nous pouvons lire et écrire depuis notre programme. Ces

octets sont conservés après une coupure de courant et sont très utiles pour conserver des

paramètres semi permanents. Leur utilisation implique une procédure spéciale, car ce n’est

pas de la RAM, mais bien une ROM de type spécial. Il est donc plus rapide de la lire que

d’y écrire.

- La mémoire RAM : c’est celle que nous allons sans cesse utiliser. Toutes les

données qui y sont stockées sont perdues lors d’une coupure du courant. La mémoire RAM

est subdivisée de plus en deux parties. dans chacune des banques nous allons trouver des

cases mémoires spéciales appelées registres spéciaux et des cases mémoires libres.


26

II.4 Choix du microcontrôleur

Le choix d’un microcontrôleur est une tâche très important car c’est de lui que

dépendent une grande partie les performances, la taille, la facilité d’utilisation et le prix du

montage.

Dans notre projet, nous avons choisi le PIC 16F876 parce qu'il dispose de plusieurs

ports d'entrées /sorties chose très intéressants pour notre application et qu'il possède aussi

en plus des instructions très puissantes, donc une programmation simple. [6][7]

II.4.1 Le PIC 16F876

Le PIC 16F876 est un microcontrôleur de MICROCHIP, il fait partie de la famille

des Mid Range (16) dont la mémoire programme est de type flash (F) et capable d’accepter

une fréquence d’horloge maximale de 4Mhz. A noter que le PIC 16F876 consomme moins

de 2mA sous 5V à 4 MHz

II.4.2 La structure interne du microcontrôleur PIC 16F876

Nous allons maintenant s’intéresser à la structure interne du PIC 16F876, avec

lequel nous avons travaillé [8].

Caractéristiques générales :

PIC FLASH RAM EEPROM I/O A/D PORT // Port série

16F876 8K 368 256 22 5 NON USART/MSSP

a. Schéma fonctionnel :


27

Figure (II. 3): Schéma interne d’un microcontrôleur [2]

b. Brochage du 16F876 [2]:

Figure (II. 4): Brochage du PIC16f876


28

c. Les particularités électriques :

- On constate que sur le schéma concernant le 16F876, on a deux connexions 'VSS'

qui sont reliées à la masse. En fait, en interne, ces broches sont interconnectées. La

présence de ces deux broches s’explique pour une raison de dissipation thermique. Les

courants véhiculés dans le PIC sont loin d’être négligeables du fait des nombreuses

entrées/sorties disponibles. Le constructeur a donc décidé de répartir les courants en

plaçant deux broches pour l’alimentation VSS, bien évidemment, pour les mêmes raisons

(dissipation thermique), ces broches sont situées de part et d’autre du PIC, et en positions

relativement centrales.

- MCLR : cette broche sert à initialiser le microcontrôleur PIC

- On trouve le quartz, qui peut être remplacé par un résonateur ou par un simple

réseau RC. Les condensateurs de découplage, du fait de la fréquence plus importante du

quartz utilisé, sont de valeur environ 15 pF. La tolérance sur ces composants permet

d’utiliser d’autres valeurs.

d. Les éléments essentiels du PIC 16F876 sont :

- Une mémoire programme de type EEPROM flash de 8K mots de 14 bits

- Une RAM donnée de 368 octets

- Une mémoire EEPROM de 256 octets

- Trois ports d'entrée sortie, A (6 bits), B (8 bits), C (8 bits)

- Convertisseur Analogiques numériques 10 bits à 5 canaux

- USART, Port série universel, mode asynchrone (RS232) et mode synchrone

- SSP, port série synchrone

- Trois TIMERS avec leurs Prescalers, TMR0, TMR1, TMR2

- Deux modules de comparaison et capture CCP1 et CCP2

- Un chien de garde

- 13 sources d'interruption

- Générateur d'horloge, à quartz (jusqu’ à 20 MHz) ou à Oscillateur RC

- Fonctionnement en mode sleep pour réduction de la consommation

- Programmation par mode ICSP (In Circuit Serial Programming) 12V ou 5V

- Possibilité aux applications utilisateur d’accéder à la mémoire programme

- Tension de fonctionnement de 2 à 5V

- Jeux de 35 instructions

II.4.3 Organisation du 16F876

a. Mémoire

La mémoire du 16F876 est divisée en 3 parties :

1) La mémoire programme :

La mémoire programme est constituée de 8K mots de 14 bits. C’est dans cette zone que

nous allons écrire notre programme.


29

2) La mémoire EEPRPOM :

La mémoire EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory), est

constituée de 256 octets que nous pouvons lire et écrire depuis notre programme.

Ces octets sont conservés après une coupure de courant et sont très utiles pour conserver

des paramètres semi permanents.

3) La mémoire RAM et organisation :

La mémoire RAM est celle que nous allons sans cesse utiliser. Toutes les données

qui y sont stockées sont perdues lors d’une coupure de courant.

La mémoire RAM disponible du 16F876 est de 368 octets. Elle est répartie de la manière

suivante :

1) 80 octets en banque 0, adresses 0x20 à 0x6F

2) 80 octets en banque 1, adresses 0xA0 à 0XEF

3) 96 octets en banque 2, adresses 0x110 à 0x16F

4) 96 octets en banque 3, adresses 0x190 à 0x1EF

5) 16 octets communs aux 4 banques, soit 0x70 à 0x7F = 0xF0 à 0xFF ; 0x17F=0x1F0

à 0x1FF.

b. Watchdog :

Sous ce nom étrange nous allons découvrir une fonction capable de surveiller le bon

fonctionnement du programme que le microcontrôleur exécute. Le rôle du Watchdog (ou chien de

garde) est de "reseter" le microcontrôleur si 1'on ne remet pas à zéro périodiquement (à

intervalle définissable) un registre interne grâce à 1 'instruction clrwdt (clear watchdog), si le

programme tourne par exemple dans une boucle sans fin (c’est un bug !) il ne peut remettre à

0 le chien de garde et ainsi le microcontrôleur se reset afin de relancer le programme.

Cette fonction est bien sûr désactivée au moment de la programmation du microcontrôleur, c'est la

directive d'assemblage.

c. Le TIMER :

Un timer est un registre interne au microcontrôleur, celui-ci s’incrémente au grès d'une

horloge, ce registre peut servir par exemple pour réaliser des temporisations, ou bien

encore pour faire du comptage (par l'intermédiaire d'une broche spécifique : RA4/TOKI). Le

PIC 16F876 possède trois timers sur 8 bits (il compte jusqu’à 256) configurable par logiciel.

d. Les ports entrée/sortie :

On dispose de 22 broches d'entrées/sorties, chacune configurables soit en entrée

soit en sortie (PORT A, PORT B, PORT C).

Un registre interne au PIC, nommé TRIS, permet de définir le sens de chaque

broche d'un port d'entrées/sorties. En règle générale, un bit positionné à '0' dans le registre

TRIS donnera une configuration en sortie pour la broche concernée ; si ce bit est

positionné à '1', ce sera une broche d'entrée.


30

o Particularité du port A :

Le 16F876 dispose de cinq canaux d’entrée analogique. Nous pouvons donc

échantillonner successivement jusque cinq signaux différents avec ce composant.

Les broches utilisés sont : AN0 à AN4 (qui sont en fait les dénominations

analogiques des broche RA0 à RA3 + RA 5).

On peut noter également que les broches ANx sont des broches d’entrée. Il n’est

donc pas question d’espérer leur faire sortir une tension analogique. Ceci nécessiterait un

convertisseur numérique/analogique dont n’est pas pourvu notre PIC.

o Particularités du port B :

Hors de sa fonction principale autant que ports d’entrées /sorties, on note la broche

RB0 qui, en configuration d’entrée, est de type trigger de Schmitt quand elle est utilisée en

mode interruption INT ; La lecture simple de RB0 se fait, elle, de façon tout à fait

classique, en entrée de type TTL. Encore il y a (RB 3-RB 6-RB 7) qui peuvent servir dans

la programmation (en mode LVP) en cas d’absence de programmateur commercial.

o Particularités du port C :

C’est un port tout ce qu’il y a de plus classique, Or qu’il a deux pins qu’on utilisera

plus tard dans la communication série avec le PC à travers (TX et RX) (pin17 et 18).

e. L’oscillateur :

L'horloge système peut être réalisée soit avec un quartz, soit avec une horloge

extérieure, soit avec un circuit RC. Dans ce dernier cas, la stabilité du montage est limitée.

La fréquence maximale d'utilisation va dépendre du microcontrôleur utilisé. Le suffixe indiqué sur

le boîtier donne la nature d'horloge à utiliser et sa fréquence maximale.

II.4.4 Les instructions du 16F876/877 :

Tous les PICs Mid-Range ont un jeu de 35 instructions. Chaque instruction est

codée sur un mot de 14 bits qui contient le code opération (CO) ainsi que l'opérande.

Toutes les instructions sont exécutées en un cycle d'horloge, à part les instructions de saut

qui sont 25 exécutées en deux cycles d’horloge [5].

Sachant que l’horloge système est égale à fosc/4:

- si on utilise un quartz de 4 MHz, on obtient une horloge fosc/4 = 1000000

cycles/seconde, cela nous donne une puissance de l’ordre de 1 MIPS (1 Million d’

Instructions Par Seconde).

- Avec un quartz de 20MHz, on obtient une vitesse de traitement de 5 MIPS.

a. Les instructions « orientées Registre» :

Ce sont des instructions qui manipulent un octet se trouvant dans la RAM. Ça peut

être un registre de configuration SFR ou une case mémoire quelconque (Registre GPR).


31

b. Les instructions « orientées bits » :

Ce sont des instructions destinées à manipuler directement un bit d’un registre que

ce soit un registre de configuration SFR ou une case mémoire quelconque (registre GPR).

Tous les bits de la RAM peuvent être manipulés individuellement.

c. Les instructions opérant sur une constante :

Ce sont les instructions entre l’accumulateur W est une constante K

d. Les instructions de saut et appel de procédures :

Ce sont les instructions qui permettent de sauter à une autre position dans le

programme et de continuer l’exécution du programme à partir de cette position.

e. Les interruptions : [5][4]

Une interruption provoque l’arrêt du programme principal pour aller exécuter une

procédure d'interruption. A la fin de cette procédure, le microcontrôleur reprend le

programme principal à l’endroit où il l’a laissé. A chaque interruption sont associés deux

bits, un bit de validation et un drapeau. Le premier permet d'autoriser ou non l'interruption,

le second permet au programmeur de savoir de quelle interruption il s’agit.

Sur le 16F876/877, l'es interruptions sont classées en deux catégories, les

interruptions primaires et les interruptions périphériques. Elles sont gérées par les registres.

Le microcontrôleur dispose de plusieurs sources d'interruptions.

- Une interruption externe, action sur la broche INT/RB0.

- Débordement du TIMER0.

- Changement d’état logique sur une des broches du PORTB (RB4 à RB7).

- Une interruption d’un des périphériques (PEIE).

- Fin de programmation d’une case mémoire de l’EEPROM.

- Changement d’état sur le PORTD (PSPIE).

- Fin de conversion analogique numérique (ADIE).

- Réception d’une information sur la liaison série (RCIE).

- Fin d’émission d’une information sur la liaison série (TXIE).

- Interruption SPI ou I2C du module MSSP (SSPIE).

- Interruption du registre de capture et/ou de comparaison 1 (CCPI1E).

- Interruption du registre de capture et/ou de comparaison 2 (CCPI2E).

- Débordement du TIMER1 (TMR1E).

- Débordement du TIMER2 (TMR2E).

- Collision de BUS (BCLIE)

Chapitre III

Variateur de vitesse d'un

moteur pas à pas à base

de PIC 16F876

Variateur de vitesse d'un moteur pas à pas à base de PIC 16F876

32

Chapitre 03 : Variateur de vitesse d'un moteur pas à pas à base

de PIC 16F876

III.1 Généralités sur les systèmes

III.1.1 Les systèmes de développement

Pour utiliser un microcontrôleur dans un système, plusieurs étapes sont nécessaires : [7]

- Le choix du microcontrôleur de la carte .Il est déterminé par le nombre de ports

qu'il possède, les fonctions à réaliser et la vitesse souhaitée.

- L'écriture du logiciel aboutissant à une liste d'octets qui devront être implantés dans

la ROM programme.

- Le test de ce logiciel dans des conditions aussi proches que possible de la réalité

dans laquelle travaillera le microcontrôleur.

- La gravure définitive de la PROM qui sera implantées sur la carte finale.

III.1.2 Base d’un système de développement :

a. Côté logiciel :

- Un système de développement comporte en premier lieu un assembleur et parfois un

ou des compilateurs adaptés au langage évolué que l’on souhaite utiliser pour programmer.

- L’assembleur traduit les instructions écrites en utilisant les mnémoniques du

langage machine en code binaire exécutable par le microcontrôleur.

- Le compilateur quant à lui traduit les instructions écrites en langage évolué

(BASIC, C, PASCAL, MIKRO C…) qui constituent aussi ce que nous appelons le listing

ou code source, en code binaire exécutable par le microcontrôleur qui constitue le code

objet.

- Dans un système de développement bien conçu, les deux programmes, assembleur

et compilateur, peuvent coexister et être utilisables l’un et l’autre sans difficulté. Ces deux

programmes doivent nécessairement fonctionner sur une machine appelée machine hôte.

Cette machine peut être un système spécifique du fabricant des microcontrôleurs, une

station de travail, un calculateur ou un PC.

- Une fois le programme de l’application écrit et assemblé ou compilé sur la machine

hôte, nous sommes en possession d’un binaire exécutable.

b. Côté matériel :

Pour implanter le binaire exécutable, nous avons besoin d’un programmateur.

Cet appareil est en fait un système qui va transférer de la machine hôte, le code objet du

programme dans la mémoire du microcontrôleur.


33

III.2 L'étude de la carte de commande à base de PIC16F876

III.2.1 Schéma synoptique

Le schéma synoptique de notre carte du commande est représenté dans la figure (III.1).

Notre carte composé de l'unité centrale qui est le PIC 16F876 envoi les impulsions de commande

de circuit ULN 2003A, et de même ce circuit intégré commande le moteur pas à pas, et un

afficheur LCD pour l'affichage et de la liaison série RS232 pour la communication série et des

LEDs comme des sorties simple et des boutons poussoir comme des entrées simple un

programmateur de PIC intégré dans le kit.

Le kit est alimenté avec une alimentation stabilisée de 5V.

Figure (III. 1) : Schéma simplifié de système de commande

III.2.2 Unité de traitement à base de PIC 16F876

a. Principe:

Indépendamment de l’application souhaité à base de PIC 16F876, il a

nécessairement besoin des éléments ci-dessous pour pouvoir fonctionner :

- Une alimentation de 5 V.

- Un quartz avec deux condensateurs, ou une résistance et un condensateur (pour une base

de temps de type RC), économique, utilisable dans les cas où on ne demandant pas une

extrême précision de cadencement.


34

Figure (III.2) : Les deux types de pilotage

Pour notre montage nous avons choisi l’oscillateur à quartz parce qu'il est précis et

simple à utiliser.

Un condensateur de découplage (pour réduire les transitoires se formant

inévitablement dans tout système impulsionnel). Un bouton poussoir et une résistance,

pour la mise en place d’une commande de RESET.

b. Interconnexion PIC 16F876 et l'oscillateur :

Le schéma électronique du PIC 16F876 avec son oscillateur est présenté dans la

figure suivante :

RA0/AN02

RA1/AN13

RA2/AN2/VREF-4

RA4/T0CKI6

RA5/AN4/SS7

OSC1/CLKIN9

OSC2/CLKOUT10

RC1/T1OSI/CCP212

RC2/CCP113

RC3/SCK/SCL14

RB7/PGD28

RB6/PGC27

RB526

RB425

RB3/PGM24

RB223

RB122

RB0/INT21

RC7/RX/DT18

RC6/TX/CK17

RC5/SDO16

RC4/SDI/SDA15

RA3/AN3/VREF+5

RC0/T1OSO/T1CKI11

MCLR/Vpp/THV1

U1

PIC16F876

X1CRYSTAL

C1

39pF

C2

39pF

Figure (III. 3) : Connexion de PIC 16f876 avec l'oscillateur


35

III.2.3 Circuit ULN 2003A

- Pour commander le moteur pas à pas dans un sens bien défini et avec un mode de

fonctionnement choisi, il faut faire la commutation selon un organigramme convenable.

- Puisque les signaux générés par le PIC sont très faible et au lieu d’utiliser des

transistors dont les bases sont attaqués par les signaux du PIC et qui traduisent les

chronogrammes de chaque mode de fonctionnement du moteur on utilise un circuit

spécialisé, c’est le ULN2003A.

- le ULN2003A est un circuit qui amplifie le signal, contenant huit transistors

Darlington de puissance (deux transistors NPN en cascade et des diodes de protection

dites diodes roue libre) qui sont utiles pour le décharge des bobines du moteur au moment

de commutation.

- Chaque transistor Darlington peut supporter jusqu’à 25 mA en entrées.

- Il peut délivrer jusqu’à 500 mA de charge.

Figure (III. 4) : ULN2003A datasheet

III.2.4 Le moteur pas à pas

La figure ci-dessous présente le moteur utilise dans notre projet de type 5 fils

(unipolaires) et qu'il a la référence S35S6-6010:

Figure (III.5) : moteur pas à pas S35S6-6010


36

Le moteur unipolaire est conçu de sorte que l’interface de puissance soit

grandement simplifiée. Mais au détriment de la force, le moteur comporte en quelque sorte

deux bobines à points centraux, ces derniers étant communs. Habituellement, on relie ces

points centraux a la masse et on applique l’alimentation à un des quatre autres fils, on a

(orange + noire) et (jaune + marron)

Il est toutefois possible d’ignorer les points centraux et de faire fonctionner le

moteur unipolaire comme un moteur bipolaire.

La figure suivante présente l'interconnexion du PIC 16F876 qui commande le

moteur pas à pas par l'envoi des impulsions électriques par le biais du circuit ULN 2003A.

RA0/AN02

RA1/AN13

RA2/AN2/VREF-4

RA4/T0CKI6

RA5/AN4/SS7

OSC1/CLKIN9

OSC2/CLKOUT10

RC1/T1OSI/CCP212

RC2/CCP113

RC3/SCK/SCL14

RB7/PGD28

RB6/PGC27

RB526

RB425

RB3/PGM24

RB223

RB122

RB0/INT21

RC7/RX/DT18

RC6/TX/CK17

RC5/SDO16

RC4/SDI/SDA15

RA3/AN3/VREF+5

RC0/T1OSO/T1CKI11

MCLR/Vpp/THV1

U1

PIC16F876

+88.8

3

1

2

6

4

5

1B1

1C16

2B2

2C15

3B3

3C14

4B4

4C13

5B5

5C12

6B6

6C11

7B7

7C10

COM9

U2

ULN2003A

X1CRYSTAL

C1

39pF

C2

39pF

Figure (III.6) : La commande du moteur pas à pas

- La commande est faite en mode biphasé (full-step),

- on alimente les deux enroulements à la fois, ce mode compense la manque de

couple,

- cependant le moteur travaille entre deux bobines,

- l’incertitude sur la position augment.

On a :step angle=90 degré= 4step/tour

Etapes 1 2 3 4

Sortie1 0 0 1 1

Sortie2 0 1 1 0

Sortie3 1 1 0 0

Sortie4 1 0 0 1

Tableau (III.1): Séquences de commande biphasée


37

III.2.5 La liaison RS 232

a. Présentation :

- La liaison série à la norme RS 232 est omniprésent utilisée dans les domaines de

l'informatique.

- Elle permet la réalisation d'une liaison simple à mettre en œuvre entre deux

équipements.

- Elle est de type asynchrone, c'est à dire qu'elle ne transmet pas de signal horloge,

- les deux équipements liés doivent être configurés avec une même vitesse de

transmission. Ils doivent par ailleurs utiliser le même protocole.

- Le PIC, configuré en mode USART (Universal Synchronous Asynchronous

Receiver Transmitter), permet une communication série de type asynchrone sous la norme

RS232, avec un ordinateur via ses broches Rx(réception) et Tx(transmission) branchées sur

un port série.[ 9]

Figure (III.7) : Le RS232

Le tableau (III.2) montre l’affectation physique de chacun des signaux que nous allons

décrire brièvement :

Broche nom Indiquée comme

1 CD entrée

2 RX entrée

3 TX sortie

4 DTR sortie

5 GND masse

6 DSR entrée

7 RTS srtie

8 CTS entrée

9 RI entrée

Le tableau (III.2): les pôles de RS232


38

- GND ou SG (terre): fournit un terrain d'entente pour la transmission et la réception.

- TxD (Données transmises) les informations envoyées (sortie): les informations sont

envoyées à ce pôle. Cette ligne est une sortie. Les données de l’ordinateur vers le

correspondant sont véhiculées par son intermédiaire,

- Rxd (données reçues) de recevoir des informations (entrée): L'information est reçue

sur ce pôle. Cette ligne est une entrée. C’est ici que transitent les informations du

correspondant vers l’ordinateur.

- DTR (Data Terminal Ready) (sortie) serrant la main avec une ligne indique que le

terminal de données (informatique) est prêt à envoyer. Cette ligne est une sortie active au

niveau logique haut. Elle permet à l’ordinateur de signaler au correspondant que le port

série a été libéré et qu’il peut être utilisé s’il le souhaite.

- DSR (Data Set Ready) (entrée): la ligne de serrer la main indique que le dispositif

de données (modem par exemple) est prêt à recevoir des informations de votre ordinateur.

Cette ligne est une entrée active au niveau logique haut. Elle permet au correspondant de

signaler qu’une donnée est prête.

- RTS (Request To Send) (sortie) serrant la main avec la ligne nécessaire pour mener

à bien vos données à envoyer. Cette ligne est une sortie active au niveau logique haut. Elle

indique au correspondant que l’ordinateur veut lui transmettre des données.

- CTS (Clear To Send) (entrée): indique le terminal de ligne poignée de main

(ordinateur) pour la possibilité de commencer le processus d'envoi. Cette ligne est une

entrée active au niveau logique haut. Elle indique à l’ordinateur que le correspondant est

prêt à recevoir des données,

- CD (Carrier Detected) (entrée): indique à l'ordinateur sur la disponibilité de signal

porteur. Cette ligne est une entrée active au niveau logique haut. Elle signale à l’ordinateur

qu’une liaison a été établie avec un correspondant.

- RI (Ring Indicateur) : cette ligne est une entrée active au niveau logique haut. Elle

permet à l’ordinateur de savoir qu’un correspondant veut déclencher une communication

avec lui.

b. MAX232 :

Le MAX232 est un standard depuis longtemps, il permet de réaliser des liaisons

RS232 et des interfaces de communication, il amplifier et met en forme deux entrées et

deux sorties TTL/CMOS vers deux entrées et deux sorties RS232, la connexion est réalisée

avec un DB9.

Le PIC 16F876 utilise les niveaux 0 V et 5 V pour définir respectivement les bits :

0 et 1. La norme RS232 définit des niveaux de +12 V et –12 V , pour établir ces mêmes

niveaux nous avons donc besoin d’un circuit (driver de bus) chargé de convertir les

niveaux des signaux entre PIC et PC alors que la solution c’est le circuit MAX232 [5].5


39

III.2.6 Entrées et sortie simple

La figure (III.8) décrit un ensemble de boutons poussoirs relié avec le port B de PIC

comme entrées et des LEDs relié avec le port A comme sorties :

RA0/AN02

RA1/AN13

RA2/AN2/VREF-4

RA4/T0CKI6

RA5/AN4/SS7

OSC1/CLKIN9

OSC2/CLKOUT10

RC1/T1OSI/CCP212

RC2/CCP113

RC3/SCK/SCL14

RB7/PGD28

RB6/PGC27

RB526

RB425

RB3/PGM24

RB223

RB122

RB0/INT21

RC7/RX/DT18

RC6/TX/CK17

RC5/SDO16

RC4/SDI/SDA15

RA3/AN3/VREF+5

RC0/T1OSO/T1CKI11

MCLR/Vpp/THV1

U1

PIC16F876

R1

10k

R2

10k

R3

10k

R4

10k

R5330

R6330

D2

RED

D3

YELLOW

R7330

R8330

AK

D4

GREEN

D1

BLUE

X1CRYSTAL

C1

39pF

C2

39pF

B112V

Figure (III. 8) : Entrées /sortie (port A et B)

III.2.7 Afficheur LCD

a. Présentation :

Dans notre projet, nous avons utilisé un afficheur LCD, autrement appelé un

afficheur à cristaux liquide. Il consomme relativement de 1 à 5 mA et constitué de deux

lames de verre, distante de 20 μm environ, sur lesquelles sont dessinées les mers nantisses

formant les caractères. L’application entre les deux faces d’une tension alternative basse

fréquence de quelques volts (3 à 5 V) le rend absorbant .Un afficheur à cristaux liquide ne

peut être utilisé qu’avec un bon éclairage ambiant .Son lisibilité augmente avec l’éclairage.

b. Principe de fonctionnement :

Dans notre projet nous avons utilisé l'afficheur LCD mode quatre bits. Dans ce

mode, seul les quatre bits de poids fort (D4 à D7) de l’afficheur sont utilisés pour

transmettre les données et les lires. Les quatre bits de poids faible (D0 à D3) sont alors

connectés à la masse, on a donc besoin hors alimentation de sept fils pour commander

l’afficheur [9].


40

Les données sont écrites séquentiellement les quatre bits de poids fort suivi des

quatre bits de poids faible. Une impulsion positive d’au moins 450 ns doit être envoyée sur

la ligne E pour valider chaque demi-octet :

Figure (III.9) : Afficheur LCD 2X16

Au-dessus de l’écran à cristaux liquides proprement dit, on trouve une série de 14

broches aux rôles indiqués au tableau (III.3) suivant :

N° de pastille Appellation Fonction

1 Vss Masse

2 Vdd Alimentation +5V

3 V0 Contraste afficheur

4 Rs Sélection commande/donnée

5 R/W Lecture/écriture

6 E Validation des données

7 D0 Donnée D0 [poids faible]

8 D1 Donnée D1

9 D2 Donnée D2

10 D3 Donnée D3

11 D4 Donnée D4

12 D5 Donnée D5

13 D6 Donnée D6

14 D7 DonnéeD7 [poids fort]

Tableau (III.3): l'appellation et fonction des branches de LCD


41

c. Connexion de l’afficheur sur la carte :

L'afficheur de notre carte de commande se connectée comme le montre la

figure(III.10) suivante :

Figure (III.10) : interconnexion PIC16F876 et l'afficheur LCD.

Schéma électronique globale de carte de commande

Après qu'on a vu précédemment les différents blocs et composants en détail et

séparément, la figure suivante englobe tous les éléments de notre carte de commande y

compris le moteur :


42

Figure (III.11) : Schéma de la carte de commande

III.4 Partie logicielle :

La programmation du PIC nécessite à comprendre le logiciel de programmation –

dans notre cas c’est le MicroC-, en premier lieu on va présenter le logiciel, et par la suite

les organigrammes de calcul. [10]

III.4.1 Présentation du logiciel « Mikro PRO for PIC »: [11]

Le langage mikroC pour PIC a trouvé une large application pour le développement

de systèmes embarqués sur la base de microcontrôleur. Il assure une combinaison de

l'environnement de programmation avancée IDE (Integrated Development Environment) ,

et d’un vaste ensemble de bibliothèques pour le matériel, de la documentation complète et

d’un grand nombre des exemples.

Le compilateur mikroC pour PIC bénéficie d'une prise en main très intuitive et

d'une ergonomie sans faille. Ses très nombreux outils intégrés (mode simulateur, terminal

de communication Ethernet, terminal de communication USB, gestionnaire pour afficheurs

7 segments, analyseur statistique, correcteur d'erreur, explorateur de code, mode Débug


43

ICD...) associé à sa capacité à pouvoir gérer la plupart des périphériques rencontrés

dans l'industrie en font un outil de développement incontournable pour les systèmes

embarqués, sans aucun compromis entre la performance et la facilité de débogage.. [10]

a. Création du projet en Mikro C PRO for PIC :

Pour créer un nouveau projet, et de saisir et de compiler un programme on passe par

les étapes suivantes : [11]

1) Lancement du programme Mikro C PRO for PIC .

2) Création d’un nouveau projet.

Figure (III.12): Méthode de création d’un nouveau projet.


44

3) Choix de PIC et choix de la fréquence d'utilisation:

Figure (III.13) : Choix de PIC.

• Nommer le projet et enregistré.

• L’ajoute des fichiers supplémentaires.

• La sélectionne de la bibliothèque.

A La fin de la création d’un projet

• Saisie du programme.

• Compilation.

b. Avantages du C :

Pour de la programmation de base, le C est intéressant. Il permet rapidement, sans

gros effort, de développer des programmes fonctionnels. Il permet aussi de s'affranchir de

connaissances complexes sur l'architecture des PIC. Il a l'avantage de gérer facilement les

boucles, les choix, ainsi que l'affichage.

c. Inconvénients du C :

Le C n'est pas le langage naturel du microcontrôleur. Il permet de programmer plus

Intuitivement. Les logiciels de programmation en C transforment alors les lignes en C en

lignes assembleurs directement compréhensibles par le microcontrôleur. Pour programmer

efficacement, il est souvent nécessaire d'aller voir le code assembleur, il est donc conseillé

d'avoir des bases solides en assembleur.


45

III.4.2 Présentation de l’ICprog

ICprog est un programme permet de transférer un fichier compilé (hex) vers un PIC

ou un mémoire de type EEPROM. La figure suivante présente la fenêtre principale de

l'Icprog.

Figure (III.14): fenêtre principale de Icprog

1) Depuis le menu 'configuration' puis 'hardware' on peut sélectionner selon le

programmateur -dans notre cas PROPIC2- l'une des options disponible

Figure (III.15): Fenêtre de configuration hardware


46

2) On sélectionne un composant, depuis le bouton de 'configuration'.

Figure (III.16) : fenêtre de sélection d'un composant.

III.5 L'organigramme général

Le but est de réaliser la commande d'un moteur pas à pas, et visualiser sa rotation à travers

l'éclairage des quatre LED on utilisant quatre boutons poussoir :

1) En appuyant sur le bouton poussoir 01 : le moteur tourne droit

2) En appuyant sur le bouton poussoir 02 : le moteur tourne à gauche,

3) sur le bouton poussoir 03 : la vitesse du moteur augmente.

4) En appuyant bouton poussoir 04 : la vitesse du moteur ddiminue.

III.6 Schéma électronique de la carte de commande

a. Schémas de la carte de commande :

Dans les figures ci-dessous, on présente les schémas de la carte de commande coté

de composants:


47

Figure (III.17) : Schéma électronique de la carte de commande.


48

Figure (III.18) : carte de commande cotée composants

b. Schéma de routage:

La figure ci-dessous présente le schéma de routage de notre kit :

Figure (III.19) Schéma de routage de kit (cuivre et composants


49

La carte de d’interface: le montage réalisé est représentée dans la figure suivante

(III.20) : La carte d’interface pratique.

Liste des composants :

Type Quantité Référence Valeurs

Résistances 4 R1, R2, R3, R4 10K

4 R5, R6, R7, R8 330Ω

Capacités 2 C1, C2 39 PF

Circuit intègre 1 U1 PIC 16F876

1 U2 ULN 2003A

Diode LED 4

Boutons poussoir 4 BP1, BP2, BP3, BP4

Quartz 1 X1 10Mhz

Afficheur LCD 1 2 X 16

Moteur pas à pas 1 S35S6-6010

RS232 1

Conclusion générale


50


Les microcontrôleurs permettent de réaliser des applications diverses qui peuvent

servir dans différents domaines industriels. Dans ce projet on a réalisé avec succès une

carte de commande d’un moteur pas à pas unipolaire à base de microcontrôleur PIC

16F876. Cette carte est en mesure de commander tous les moteurs pas à pas unipolaires

avec une marge de variation de vitesse variant.

Parmi les avantages offerts par cette carte on note principalement la possibilité

d’inversion du sens de rotation du moteur, et ce en appuyant simultanément sur les deux

boutons poussoirs d’incrémentation et décrémentation de la vitesse. Ceci est obtenu par

une simple modification du programme du microcontrôleur ce qui n’a pas d’incidence sur

le coût du projet.

Ce projet nous a permis de faire le lien entre l’étude théorique d’un montage

électronique et sa réalisation pratique dans le but d’estimer la marge de différence entre ces

deux parties, puisque parfois on néglige quelques paramètres dans nos calculs mais on les

trouve dans la réalisation, et cela dans le but de trouver des solutions pratiques afin

d’atteindre notre objectif.

Ce projet est multidisciplinaire, dont il nous a permis d'approfondir nos

connaissances théoriques et des compétences au niveau de réalisation pratique notamment :

- La compréhension de l'architecture interne des microcontrôleurs et apprendre sa

programmation.

- L'utilisation d'un outil informatique permettant la simulation de fonctionnement des

montages.

- La réalisation pratique de circuit électronique sur plaque d'essai et utilisant des

circuits imprimées.

Ce travail nous met en confiance et nous rend capables de mettre en pratique

n’importe qu’elle carte de commande d’un moteur pas à pas et d’en assurer sa

maintenance. Avec ce sucées on envisage dans le future proche la conception d'un interface

graphique sur PC utilisant la puissance des logiciel graphique existant permettant une

grande souplesse de commande réalisé par le biais de port COM (Le standard RS-232)

intégré déjà dans notre montage.

Bibliographie

52

Bibliographie

[1] : MENJLI Manel, MEJRI Mehdi. « Variateur de vitesse d’un moteur Pas à

Pas » Mémoire d'ingénieur d'état en électronique, Tunis , Juin 2008.

[2] : Lilia EL Amraoui. « Conception Electromécanique d’une gamme

d’actionneurs Linéaires Tubulaires a Réluctance Variable »Université des

Science et technologies de LILLE Ecole Nationale Tunis. décembre 2002

[3] : H. YAKOUBI, M. SOHBI, B. OGAB. «Réalisation d’un robot mobile

autonome», Mémoire d'ingénieur d'état en automatique, Université Sétif, Juin

2009.

[4] :A. ZENATI, S. KERROUCHE. « Commande de deux moteurs pas à pas

via le port parallèle avec Delphi» Mémoire d'ingénieur d'état en électronique,

Université Bejaia, Juin 2009.

[5] :Rjeb.B, Waz .R : « Projet de réalisation d’une maquette didactique a base

de pic16F877 »institut supérieur des études technologiques de nabeul.2007.

[6]:Mr.Saadi Ramzy ,Mr .Salhi Nassereddine : « Réalisation de carte à

microcontrôleur pour le contrôle de bras manipulateur via un pc », Université

Mohamed Khider Biskra2010.

[7] :Bernaoui sif eddine : « Etude et réalisation d’un kit de développement

d’applications a base de pic de la famille 16FXXX » Mémoire

master ,Université Mohamed Khider Biskra .2012

[8] : Datasheet du 16F876.pdf

[9] :ABIDI.H : «Carte de développement pour microcontrôleur de la famille

PIC » Mémoire master ,univ-biskra2006.

[10] :http://www.mikroe.com/.

[11] : Creating The first Project in microC for PIC.pdf


47 bis

M-pap : Moteur pas à pas

Début

Initialisation de

LCD 16×2

RB0=0 Le M-pap

tourne à gauche

Affichage sur LCD:

« gauche » et le

nombre de pas

Allumage successive

des LED -code binaire-

Allumage de LCD

oui

La vitesse d’allumage dépend la

vitesse du M-pap

Déclaration de variable des

4 boutons de commande:

a,b,c,d

RB1=0 Le M-pap

tourne à droite

Affichage sur LCD:

« droite » et le

nombre de pas

Allumage successive

des LED -code binaire-

oui

La vitesse d’allumage dépend la

vitesse du M-pap

RB4=0 Augmentation de la vitesse

de M-pap

Affichage sur LCD:

nombre de pas

oui

RB5=0 Réduction de la vitesse de

M-pap

Affichage sur LCD:

nombre de pas

oui

Table des matières

Introduction générale………………………………………………………………………………………………………………………..1


I.1 Introduction…………………………………………………………………………………………………………………………………..2

I.2 Les moteurs……………………………………………………………………………………………………………………………………2

I.2.1 Présentation……………………………………………………………………………………………………………………………….2

I.2.2 Description interne…………………………………………………………………………………………………………………….3

I.2.3 Définitions et caractéristiques générales……………………………………………………………………………………4

I.2.4 Modèle électrique …………………………………………………………………………………………………………………….5

I.3 Les différents types de moteurs……………………………………………………………………………………………………6

I.3.1 Le moteur synchrone……………………………………………………………………………………………………………….. 6

I.3.2 Le moteur asynchrone……………………………………………………………………………………………………………….7

I.3.3 Le moteur à courant continu……………………………………………………………………………………………………..9

I.3.4 Le moteur pas à pas…………………………………………………………………………………………………………………11

I.4 Etude comparative et caractéristique ……………………………………………………………………………………….16

I.5 Etude du courant dans un enroulement (phase) du moteur pas à………………………………………………17

I.6 Séquence de commande d'un moteur pas à pas…………………………………………………………………………18

Chapitre 02 : PRESENTATION DU MICROCONTROLEUR PIC 16f876

II.1 Introduction……………………………………………………………………………………………………………………………...22

II.2 Généralités sur les PIC…………………………………………………………………………………………………………….…22

II.2.1 Définition de PIC……………………………………………………………………………………………………………………..22

II.2.2 Les différentes familles des PICs:…………………………………………………………………………………………….22

II.2.3 Identification des PICs…………………………………………………………………………………………………………….23

II.2.3 Les avantages du microcontrôleur………………………………………………………………………………………….24

II.3 Architecture des PICs…………………………………………………………………………………………………………………24

II.3.1 Structure interne d'un PIC ………………………………………………………………………………………………………24

II.3.2 Structure minimale d'un PIC……………………………………………………………………………………………………25

II.4 Choix du microcontrôleur………………………………………………………………………………………………………….26

II.4.1 Le PIC 16F876……………………………………………………………………………………………………………………….. 26

II.4.2 La structure interne du microcontrôleur PIC 16F876……………………………………………………………...26

II.4.3 Organisation du 16F876……………………………………………………………………………………………………….. 28

II.4.4 Les instructions du 16F876/877……………………………………………………………………………………………. 30

Chapitre 03 : Variateur de vitesse d'un moteur pas à pas à base de PIC

III.1 Généralités sur les systèmes………………………………………………………………………………………………….. 32

III.1.1 Les systèmes de développement ……………………………………………………………………………………….. 32

III.1.2 Base d’un système de développement………………………………………………………………………………… 32

III.2 L'étude de la carte de commande à base de PIC16F876…………………………………………………………. 33

III.2.1 Schéma synoptique……………………………………………………………………………………………………………… 33

III.2.2 Unité de traitement à base de PIC 16F876…………………………………………………………………………… 33

III.2.3 Circuit ULN 2003A…………………………………………………………………………………………………………….…...35

III.2.4 Le moteur pas à pas………………………………………………………………………………………………………….……35

III.2.5 La liaison RS 232 …………………………………………………………………………………………………………………..37

III.2.6 Entrées et sortie simple………………………………………………………………………………………………………….39

III.2.7 Afficheur LCD………………………………………………………………………………………………………………………….39

III.4 Partie logicielle………………………………………………………………………………………………………………………….42

III.4.1 Présentation du logiciel « Mikro PRO for PIC »……………………………………………………………………….42

III.4.2 Présentation de l’ICprog…………………………………………………………………………………………………………45

III.5 L’organigramme général……………………………………………………………………………………………………………46

III.6 Schéma électronique de la carte de commande………………………………………………………………………..47

Conclusion générale…………………………………………………………………………………………………………………………50

Bibliographie…………………………………………………………………………………………………………………………………….51

Liste des tableaux


Tableau (I. 1) : Etude comparative entre les différents types de moteur pas à pas………………………… 16

Tableau (I. 2) : séquence de commande d'un moteur pas à pas bipolaire……………………………………… 20

Tableau (I. 3) : séquence de commande d'un moteur pas à pas unipolaire. ………………………………..… 21

Chapitre 03 : Variateur de vitesse d'un moteur pas à pas à base de PIC

Tableau (III.1): Séquences de commande biphasée…………………………………………………………………………37

Tableau (III.2): les pôles de RS232……………………………………………………………………………………………………38

Tableau (III.3): l'appellation et fonction des branches de LCD………………………………………………………… 40

Liste des figures

Figure (I. 1) : Schéma fonctionnel des moteurs ………………………………………………………………………………3

Figure (I. 2) : Représentation du fonctionnement des moteurs…………………………………………………………3

Figure (I. 3) : Représentation du fonctionnement des moteurs…………………………………………………………4

Figure (I. 4) : moteur synchrone………………………………………………………………………………………………………..6

Figure (I. 5) : moteur asynchrone………………………………………………………………………………………………………7

Figure (I. 6) : Moteur à courant continu ……………………………………………………………………………………........9

Figure (I. 7) : Les imputions de la commande MLI…………………….…………………………………….……………….10

Figure (I. 8) : Moteur pas à pas …………………………………………………………………………………………….………..11

Figure (I. 9) : principe de base est la création d’un champ tournant…………………………………………….....12

Figure (I.10) : Moteur à aiment permanent bipolaire……………………………..……………………………………… 14

Figure (I.11) : Moteur à aiment permanent unipolaire……………………………………..…………………………….14

Figure (I.12) : Moteur à réluctance variable………………………………………………………………………..………….15

Figure (I.13) : Exemple de moteur à 200 pas……………………………………………………………………..……………16

Figure (I.14) : Couple d'arrêt ou couple de maintien ………………………………………………………………………16

Figure (I.15) : Représentation du fonctionnement des moteurs………………………………..……………………18

Figure (I.16) : représentation symbolique (a) et physique (b) …………………………….………………………….19

Figure (I.17) : principe de commande du moteur pas à pas bipolaire…………………………………….……….19

Figure (I.18) : séquence de commande du moteur pas à pas bipolaire……………..……………………………20

Figure (I.19) : représentation symbolique (a) et physique (b) ………………………………………………………..20

Figure (I.20) : schéma de principe pour la commande du moteur pas à pas unipolaire…………….……21

Figure (I.21) : séquence de commande du moteur pas à pas unipolaire…………………………………………21

Figure (II.1) : Identification des PICs………………………………………………………………………………………………23

Figure (II.2) : Structure de base d’un PIC. ……………………………………………………………………….…………….25

Figure (II.3): Schéma interne d’un microcontrôleur ………………………………………….………………………….27

Figure (II.4): Brochage du PIC16f876………………………………………………………………….…………………………28

Figure (III.1) : Schéma simplifié de système de commande…………………………………………….…………….33

Figure (III.2) : Les deux types de pilotage…………………………………………………………………….………………..34

Figure (III.3) : Connexion de PIC 16f876 avec l'oscillateur……………………………………….…………………….35

Figure (III.4) : ULN2003A datasheet……………………………….………………………………………………………………35

Figure (III.5) : moteur pas à pas S35S6-6010……….…………………………………………………………………………36

Figure (III.6) : La commande du moteur pas à pas…………………………………………………………………………36

Figure (III.7) : Le RS232…………………………………………………………………….…………………………………………37

Figure (III.8) : Entrées /sortie (port A et B) …………………………………………………….…………………..…………39

Figure (III.9) : Afficheur LCD 2X16………………………………………………………………………………………………… 40

Figure (III.10) : interconnexion PIC16F876 et l'afficheur LCD. .…………………………………………………..…41

Figure (III.11) : Schéma de la carte de commande…..……………………………………………………………………42

Figure (III.12): Méthode de création d’un nouveau projet. ….……………………………………………………… 43

Figure (III.13) : Choix de PIC. ………………………………………………………………………………………………………..44

Figure (III.14): fenêtre principale de Icprog…………………………………………………………………………………..45

Figure (III.15): Fenêtre de configuration hardware….……………………………………………………………………46

Figure (III.16) : fenêtre de sélection d'un composant. ……….…………………………………………………………46

Figure (III.17) : Schéma électronique de la carte de commande. ………………………………………………….47

Figure (III.18) : carte de commande cotée composants.……………………………………………………………….48

Figure (III.19) : Schéma de routage de kit (cuivre et composants). ..…………………………………………….48

Résumé

Le microcontrôleur est d’une haute importance aujourd’hui dans notre vie

quotidienne d'une part et d'autre part dans le domaine de recherche pour les

étudiants en électronique ou en électronique (amateur ou professionnel), car on

le trouve dans des différents domaines industriels et domestiques.

Notre projet a pour but d’étudier et de réaliser une carte de commande à

base de PIC 16F876, et on à réussi à réaliser notre cahier de charge après une

étude de simulation et de programmation de PIC avec Micro C.

Mots-clés : moteur pas à pas, ULN2003A, PIC16f876. Micro C

ملخص

العملیة من جھة ومن حیاتنا لھ أھمیة كبیرة في الیوم المتحكم الدقیق أو المتحكم المصغر

تیكنیكوالإلكتروأ الإلكترونيللطلاب في مجال جھة أخرى في مجال البحث العلمي

صناعیة مختلفةجالات في مالجھاز مستعمل أو المحترفین، حیث ان منھم الھواة

.وحتى في حیاتنا الیومیة

المتحكم إنجاز دارة تحكم في محرك خطوي باستعمال إلى دراسة وھذا ویھدف مشروعنا كم المتحبرمجة ووقد وفقنا في تحقیق العمل المطلوب بعد عملیة المحاكاة ، 16f876الدقیق .Cبرنامج مایكرو عن طریقالدقیق

etude et realisation d’un variateur de vitesse d'un …

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