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Tp-cours: Asservissement de vitesse d'un moteur à courant continu Règles  pour  l'écriture des  unités: http://www.bipm.fr/  AU BUREAU INTERNATIONAL DES POIDS ET MESURES Eclipse à Chéraute INTRODUCTION : Les consignes propres à tout TP concernant la sécurité et les méthodes de Travail, seront copiées/Collées en pages de garde du compte rendu , lues, appliquées et signées. Ces consignes peuvent être trouvées, entre autres sur le serveur pédagogique dans le Répertoire « Ressources de la classe » à la rubrique Physique Appliquée . Il convient de se faire un document TP modèle qui aura ces consignes en introduction . BUT : Observer les caractéristiques de fonctionnement de l’asservissement : Stabilité, temps de réponse ou vitesse(de réaction) , précision . Etude de la réponse à une modification de consigne, à une perturbation extérieure par augmentation brutale de la charge mécanique . Influence du temps de réponse du capteur sur la stabilité de la régulation . Rl = 1 k , Rd = 10/5W , Ro = 1 K ou nulle , Cg = 22 µF , Co = 0 ou 10 µF ou 47µF suivant l’étude . Rc = 1M, MOST : BUZ 10 ; U= 15V . L’inductance du moteur étant faible, la diode de roue libre DRL, ne sera introduite que pour fiabiliser le montage . GBF (DC) E M + TLO81 +15V -15V - + + Vco (consigne) Vcomp D C Rl Rd Vv vgm M G DRL MOST Canal n D G + V Co Rc Cg vr Ro R + U S + PRÉPARATION : 1. Expliquer pourquoi la tension v GM n’est pas mesurable à l’oscilloscope classique ou alors avec une sonde très performante ? On rappelle en annexe Page 3 les propriétés du transistor MOS . 2. Identifier sur le schéma structurel les chaînes directe (ou d’action ) et de retour (ou d’observation ) De même pour les structures de l’actionneur , du capteur de vitesse de rotation et du régulateur . SCHÉMA BLOC UNIFILAIRE D'UN SYSTÈME BOUCLÉ H : Fonction de transfert de la Chaine d'action . K : Fonction de transfert de la Chaine de réaction . SCHÉMA À RETOUR UNITAIRE 3. Placer sur le schéma la zone d’action des perturbations extérieures de couple . Faire un schéma unifilaire du système bouclé avec les tensions du montage . 4. AVEC L' ANNEXE, Rappeler les définitions de la stabilité , rapidité et précision d’un système asservi . De quoi dépend la rapidité, la précision et la stabilité de l’asservissement ?    Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule-TP   12/04/10-TP_AservMotCC.odt-Djl-Page: 1 / 7

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Tp-cours: Asservissement de vitesse d'un moteur à courant continu Règles pour l'écriture des unités: http://www.bipm.fr/ AU BUREAU INTERNATIONAL DES POIDS ET MESURES Eclipse à Chéraute

INTRODUCTION : Les consignes propres à tout TP concernant la sécurité et les méthodes de Travail, seront copiées/Collées en pages de garde du compte rendu , lues, appliquées et signées. Ces consignes peuvent être trouvées, entre autres sur le serveur pédagogique dans le Répertoire « Ressources de la classe » à la rubrique Physique Appliquée .

Il convient de se faire un document TP modèle qui aura ces consignes en introduction .

BUT : Observer les caractéristiques de fonctionnement de l’asservissement : Stabilité, temps de réponse ou vitesse(de réaction) , précision .Etude de la réponse à une modification de consigne, à une perturbation extérieure par augmentation brutale de la charge mécanique .Influence du temps de réponse du capteur sur la stabilité de la régulation .

Rl = 1 k , Rd = 10Ω /5W , Ro = 1 K ou nulle , Cg = 22 µF , Co = 0 ou 10 µF ou 47µF suivant l’étude .Rc = 1MΩ, MOST : BUZ 10 ; U= 15V . L’inductance du moteur étant faible, la diode de roue libre DRL, ne sera introduite que pour fiabiliser le montage .

GBF (DC)

E

M

+TLO81

+15V

-15V

-

+

+ Vco (consigne)Vcomp D

C Rl

Rd

Vvvgm M G

DRL¤

MOST

Canal n

D

G

+

V

CoRc

Cgvr

RoR

+

U

S

+

PRÉPARATION : 1. Expliquer pourquoi la tension vGM n’est pas mesurable à l’oscilloscope classique ou alors avec une

sonde très performante ?On rappelle en annexe Page 3 les propriétés du transistor MOS .

2. Identifier sur le schéma structurel les chaînes directe (ou d’action ) et de retour (ou d’observation ) De même pour les structures de l’actionneur , du capteur de vitesse de rotation et du régulateur .

SCHÉMA BLOC UNIFILAIRE D'UN SYSTÈME BOUCLÉ H : Fonction de transfert de la Chaine d'action . K : Fonction de transfert de la Chaine de réaction .

SCHÉMA À RETOUR UNITAIRE

3. Placer sur le schéma la zone d’action des perturbations extérieures de couple .Faire un schéma unifilaire du système bouclé avec les tensions du montage .

4. AVEC L' ANNEXE, Rappeler les définitions de la stabilité , rapidité et précision d’un système asservi . De quoi dépend la rapidité, la précision et la stabilité de l’asservissement ?

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PROCÉDURE :

(On rappelle que tous les signaux lents f < 50 Hz devront être relevés à l'oscilloscope à mémoire .)

1/ Ro = 0 , Co = 0 F ; appliquer des échelons successifs de consigne .

Relever vcomp et Vv à l’oscilloscope à mémoire .

Pour créer cet échelon, on pourra utiliser le GBF en signal carré en très basse fréquence, ou bien porter, à la main, la borne E tantôt à la masse du GBF (en mode DC: 4 V) tantôt sur la sortie 50 Ω . 4V

0V2/ On impose une accélération du moteur par une rampe de consigne : Relever Vco et Vv puis vcomp et Vv . 8V

0V3/ Ro = 1 KΩ , Co = 10 µF , appliquer l’échelon de consigne du 1/ . Relever vcomp et Vv à l’oscilloscopeStabilité ?

4/ Ro = 0 . On applique un échelon de couple (perturbation extérieure du système régulé).Pour cela , on pose rapidement , mais fermement , le doigt sur l’arbre moteur,et l’on maintient 1 à 2 s. La consigne est de 4 V. Relever la variation de n(tr/s) et relever les signaux de commande

vcomp et de d’image vitesse vv.

5/ Le capteur de vitesse est débranché et le système est donc en boucle ouverte (BO) . Il n’y a plus de régulation .On applique un échelon de couple comme au 4/ .Consigne 4 V . Relever la variation de n(tr/s) et relever les signaux de commande vcomp et de d’image vitesse vv.

EXPLOITATION :

1/ Après avoir évaluer la stabilité du système ,mesurer les temps d’accélération pour les variations de consigne des procédures 1/ et 2/ .Evaluer la précision de la recopie de la consigne .

2/ Montrer à partir des signaux relevés que le montage est instable , si Ro = 1 KΩ , Co = 10 µF (procédure 3).Expliquer pourquoi en analysant la modification opérée au niveau du capteur de vitesse et la chronologie des évènements enregistrés lors de l’échelon de consigne .

3/ On étudie maintenant la réponse du système à une perturbation extérieure sur le couple : Frottement accidentel ,rupture , …Analyser si la régulation de vitesse est correcte en calculant la variation maximale de vitesse lors de la perturbation Calculer cette variation en pourcentage relativement à la vitesse de consigne .

Conclusion :f(But)

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1. ANNEXE :PROPRIÉTÉS GÉNÉRALES DU TRANSISTOR MOS

Cependant ,la capacité d’un condensateur diminuant avec la surface des armatures ,la miniaturisation des MOST (180nm en janvier 2000 dans les processeurs à 500MHz) diminue considérablement cette capacité parasite et permet de fonctionner à des fréquences élevées .Cela permet de cadencer les processeurs actuels 2007, à des fréquences de plusieurs Ghz .

Ces modèles sont aussi dits « modèles aux variations » et supposent une polarisation correcte et une amplitude des composantes variables permettant un fonctionnement linéaire (sans saturation ni blocage).D’où l’expression « petits signaux ».Les Transistors à effet de champ dont le MOSFET sont équivalents en sortie à des sources de courant commandées en tension L’entrée du MOST est un circuit ouvert en raison de l’isolement de la grille par du dioxyde de silicium SiO2.Celui-ci est un diélectrique et forme avec les électrodes G et S un condensateur de capacité non négligeable à haute fréquence .

http://lmi17.cnam.fr/~anceau/Documents/Ele205_1.pdf

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2. ANNEXE : DÉFINITIONS CONCERNANT LES SYSTÈMES ASSERVIS OU RÉGULÉSD'après : serveur : http://www.eudil.fr ; Auteur : Belkacem Ould-Bouamama ; Ecole polytechniques de Lille

2.1 SYTEMES ASSERVIS Exemple d'un type de système asservi : le comportement humain

2.2.PROPRIÉTÉS D'UN SYSTÈME ASSERVIS Le rôle d’un automaticien est de concevoir un Système de Régulation Automatique qui soit :

• Stable : La grandeur de sortie doit converger vers une valeur finie si le signal d’entrée est aussi limité • Précis : La grandeur à mesurer doit être la plus proche de celle désirée à l’état statique • Rapide : Il doit répondre rapidement à une excitation.

Précision

t(s)

StableSORTIEÉchelon de position

Entrée (Consigne)

StErreurstatique

St

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Eléments de Correction:(1/2)

Voie A : Vcomp , Voie B : v v : Echelon de consigne 0-4V-0V

Le comparateur réagit quasi instantanément à l'échelon de consigne.Par contre, le moteur, qui entraine la dynamo, en raison de son inertie met un certain temps à accélérer .

Voie A : Vcomp , Voie B : v v ; Rampe manuelle de consigne 0-8V.

Le comparateur réagit quasi instantanément à l'échelon de consigne.

Par contre, le moteur, qui entraine la dynamo, en raison de son inertie met un certain temps à accélérer .

Voie A : Vcomp , Voie B : v v ;ECHELON DE COUPLE MANUEL

(On freine l'axe du moteur avec les doigts, allant jusqu’au quasi-calage du moteur. )

BOUCLE DE RETOUR BRANCHÉE EN V (« pas » de retard au retour de l’information de vitesse)

DONC, AVEC RÉGULATION TOUT OU RIEN .

Voie A : Vcomp , Voie B : v v ; « MÊME » ÉCHELON DE COUPLE

(Freinage avec les doigts jusqu'au calage) SANS RÉGULATION .

v/v plus élevée qu’avec régulation(Presque 100%) . Ici on fonctionne en boucle ouverte(BO) .

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Eléments de Correction:(2/2)

Voie A : Vcomp , Voie B : v v ; instabilité de la boucle de régulation provoquée par le filtre passe bas (VM,RM) qui retarde l’information de vitesse vers le régulateur .

La détection de l'écart de vitesse (variation de vitesse par rapport à la consigne est transmise avec retard au comparateur en raison du filtre passe bas introduit dans la chaîne de retour, et la détection est donc tardive .La correction intervient en retard, est donc décalée et parfois en opposition de phase. C'est à dire que lors d'une décélération du moteur, la boucle de retour retourne une information retardée d'une accélération précédente, et renvoi un ordre de décélération. Le moteur ralenti encore plus, puis peut très bien accélérer (suppression du frottement...) pendant que la boucle de retour retourne encore la forte décélération précédente , d'où un ordre d'accélération nocif, qui conduit à une oscillation de la vitesse du moteur ,

Voie A : Vcomp , Voie B : v v ; instabilité de la boucle de régulation provoquée par le filtre passe bas (VM, RM ) qui retarde l’information de vitesse vers le régulateur .On remarque que la boucle est rapide car l’information de vitesse remonte en quelques msAprès la commande de l’actionneur .En effet,le régulateur , étant réduit à sa plus simple expression (le comparateur),il est plus rapide .

Voie A : Vcomp , Voie B : vv ; instabilité de la boucle de régulation provoquée par le filtre passe bas (VM,RM)qui retarde l’information de vitesse vers le régulateur .On remarque que la boucle est rapide car l’image de la vitesse de rotation(Vv) remonte en quelques msAprès la commande de l’actionneur .En effet,le régulateur , étant réduit à sa plus simple expression (le comparateur),il est plus rapide .

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