Éval. Formative 9 : solutions électroniques et informatiques pour piloter le mouvement du châssis de l'extraordinaire voyage
Identification de l'élève
Nom et Prénom
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Classe et groupe
Objectifs pédagogiques
A - Analyser
A2. Analyser le système
Identifier et décrire la chaîne d’information du système
Systèmes logiques événementiels. Langage de description : algorigramme. Décrire le comportement d’un système
Composants réalisant les fonctions de la chaîne d’information :
Identifier les composants réalisant les fonctions Acquérir, Traiter, Communiquer
Système de numération, codage : Analyser et interpréter une information numérique

B - Modéliser
B1. Identifier et caractériser les grandeurs agissant sur un système
Choisir les grandeurs et les paramètres influents en vue de les modéliser.
Caractéristiques des grandeurs électriques : Décrire les lois d’évolution des grandeurs. Utiliser les lois et relations entre les grandeurs.
Flux d’information : Identifier la nature de l’information et la nature du signal

B2. Proposer ou justifier un modèle
Associer un modèle aux composants d’une chaîne d’information
Systèmes logiques à évènements discrets : Langage de description.
Traduire le comportement d’un système

B3. Résoudre et simuler
Simuler le fonctionnement de tout ou partie d’un système à l’aide d’un modèle fourni.
Principes fondamentaux d’étude des circuits

B4. Valider un modèle
Interpréter les résultats obtenus.
Modifier les paramètres du modèle pour répondre au cahier des charges ou aux résultats expérimentaux.
Modèle de connaissance : Vérifier la compatibilité des résultats obtenus (amplitudes et variations) avec les lois et principes physiques d’évolution des grandeurs
Ressources documentaires
1) Documents de cours
- Cours des bases de l'électricité (des compléments seront ajoutés prochainement) : https://drive.google.com/open?id=0B-rRjoDMbM0ibklaMTMtSTktYTQ
- Electronique (rédaction en cours) : https://drive.google.com/open?id=1IzDRJRZnLBt4xrBJD0WpjYri6A_WCM17
2) Ressources documentaires (liens utiles)
- Tinkercad
Application web proposée gratuitement par Autodesk (un des leaders de la CAO) permettant de faire de la modélisation 3D. La modélisation de circuits électroniques y a été ajoutée fin septembre 2017.
Cette application sera utilisée en Sciences de l'Ingénieur pour simuler le comportement se solutions techniques électroniques (circuits) et informatiques (code sous forme de blocs type Scratch) en complément d'autres outils.
Lien vers l'application Tinkercad : https://www.tinkercad.com/
et Tinkercad Circuits : https://www.tinkercad.com/circuits
Il est conseillé de créer un compte Autodesk pour profiter pleinement de Tinkercad :
https://accounts.autodesk.com/register?
Lien vers des tutoriels : https://www.tinkercad.com/learn/
Circuits électroniques de base avec tinkercad (en anglais) : https://convention.tcea.org/handouts/conv2018n/Session-181035.pdf
Quelques exemples de simulations proposées par Tinkercad Circuits (Source : https://www.tinkercad.com/circuits)
3) Images
4) Vidéos
5) Simulation
- Pivotement du châssis de la maquette modélisée avec Onshape (26_01_18) :
https://drive.google.com/open?id=1kwEb8FBZolwrL1bpdzfZE_OjDoN7OtAc
Partie 1 : Analyse du besoin
Question 1 : Automatisation du mouvement du châssis
Dans l'attraction l'Extraordinaire voyage du Futuroscope, les spectateurs s'installent sur des sièges disposés sur deux plateformes horizontales. Une fois les 84 personnes installées, un opérateur lance un cycle automatique. Les lumières s'éteignent et chaque plateforme pivote de 82° en 12 secondes environ. La plateforme se retrouve donc quasiment à la verticale, face à un grand écran incurvé de 600 m2, de manière à être mieux immergé dans le film qui est projeté. A la fin du film, les plateformes pivotent à nouveau à l'horizontal et les lumières se rallument.
Le comportement de l'attraction est géré par un système informatique qui exécute le même programme à chaque séance.
Système informatique qui pilote l'attraction l'extraordinaire voyage (Source : https://www.lanouvellerepublique.fr/actu/futuroscope-une-nouvelle-attraction-de-haut-vol-unique-en-europe)
Donner l'intérêt d'un fonctionnement entièrement automatique de la gestion des mouvements de la plateforme, sans aucune intervention humaine une fois le cycle lancé (sauf en cas d'arrêt d'urgence). Préciser l'intérêt d'utiliser un programme informatique pour définir ce fonctionnement automatique.
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Question 2 : Algorithme du comportement souhaité pour le système
Dans cette évaluation formative nous étudierons les solutions techniques utilisées dans la maquette de l'attraction l'extraordinaire voyage. Ces solutions techniques seront représentatives des solutions de bases.
Commençons par décrire les différentes étapes d'un cycle de fonctionnement de l'attraction. On se limite essentiellement au mouvement du châssis qui supporte la plateforme. On souhaite décrire le cycle de manière fonctionnelle, sans prendre en compte les solutions techniques utilisées. On présentera le comportement sous la forme d'un algorithme à partir de la modélisation suivante.

On considère l'ensemble châssis + plateforme qui peut se déplacer en rotation entre une position horizontale (notée PosMin) et une position verticale (PosMax). Le mouvement est obtenu par un actionneur dont on décrira ultérieurement la commande.
Un opérateur peut lancer un cycle de fonctionnement à partir d'une interface de dialogue qui génère une information Départ Cycle (DCy) qui peut être vraie ou fausse.
Lorsque DCy est actif (donc vraie), l'actionneur doit être commandé pour que la position évolue en direction de PosMax avec une vitesse V1 en un temps T1.
Une fois le film terminé (durée Tfilm) on doit revenir en position initiale avec une vitesse V2 = -V1 en un temps T2.

Algorithme proposé décrivant un cycle du châssis de l'attraction :

Répéter indéfiniment
Si …… activé
Éteindre les lumières de la salle
Déplacer le châssis dans la direction 1 à la vitesse V1
Attendre jusqu'à ce que Position châssis = ...
Arrêter le déplacement du châssis
Attendre la fin du film (durée Tfilm)
…… dans la direction 2 à la vitesse V2
…… jusqu'à ce que Position châssis = PosMin
……
……
Copier ci-dessous l'algorithme proposé qui décrit un cycle de l'attraction, puis compléter le au niveau des points ( …… ).
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Partie 2 : Acquisition d'une information logique à partir d'une interface de dialogue
Le cycle de l'Extraordinaire voyage commence quand le système informatique détecte l'activation de l'information Départ Cycle. Voyons le principe d'une solution électronique simple permettant d'acquérir une telle information. Nous allons étudier la solution basique utilisée dans la carte électronique BBC micro:bit. Vue de l'utilisateur, il s'agit juste d'un bouton poussoir.
Analysons et modélisons cette solution et les paramètres qui influencent son comportement.
Question 3 : Analyse par simulation d'un circuit avec un bouton poussoir
Une carte BBC micro:bit comporte une interface de dialogue constituée essentiellement de deux boutons poussoirs (repérés A et B) et d'une matrice de LEDs (source : blog.gbaman.info)
Schéma électrique du circuit permettant de lire l'état du bouton A de la carte BBC micro:bit (source : https://github.com/bbcmicrobit/hardware sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International).
Sur ce schéma électrique, le composant appelé Tact Switch, repéré SW2, est un bouton poussoir (le verbe anglais "to switch" signifie "commuter" en français). Il est composé d'un contact électrique actionné mécaniquement par un bouton (à gauche). Les pointillés représentent l'action du bouton sur le contact.
Dans le cas de la carte BBC micro:bit, la tension +V_TGT vaut + 3,3 V environ. Cette tension est issue d'un autre circuit alimenté sous 5V par le port USB (dans notre cas). On rappelle que les tensions sont généralement considérées par rapport à la masse du circuit, qui est la référence 0 V. La masse est représentée ici par un trait horizontal avec l'étiquette GND qui signifie Ground (masse en français).
L'étiquette BTN_A repère ici la tension d'un point du circuit électrique, situé entre le switch SW et le résistance R22. Il est sous-entendu que la tension BTN_A est considérée par rapport à la masse.
La résistance R22 a ici une valeur de 10 kOhm (l'unité est ici sous-entendue).
On propose de simuler le comportement d'un circuit utilisant cette solution technique à l'aide de l'application web Tinkercad Circuits. Ce logiciel ne permet pas de simuler une carte électronique programmable de type BBC micro:bit, mais permet de simuler une carte électronique programmable de type Arduino Uno. Le comportement sera équivalent si ce n'est qu'une carte Arduino fonctionne avec une tension de 5V alors qu'une carte BBC micro:bit fonctionne sous 3,3 V. Cette tension définit notamment le niveau haut des signaux logiques.
On rappelle (programme du collège) qu'une information logique est une information qui ne peut avoir que deux états appelés, vrai ou faux, niveau haut ou niveau bas, 0 ou 1, ...
Une tension peut être l'image d'une information logique. Par exemple, on peut considérer qu'on a un 0 logique si le niveau de tension est bas et qu'on a un 1 logique si on a un niveau haut de tension. Par abus de langage, on désigne souvent avec le même nom l'information et la tension image de cette tension.
Nous appellerons DCy la tension aux bornes du bouton poussoir image de l'information DCy (permettant de commander le Départ d'un Cycle).
Modélisation et simulation avec Tinkercad Circuits d'un circuit électronique permettant d'acquérir l'information logique Départ Cycle, connectée en entrée d'une carte électronique programmable Arduino. Lien de partage de la modélisation : https://www.tinkercad.com/things/a2UgUJjDHTI-bouton-poussoir-arduino (Source : LP2I).
On notera que la carte Arduino est alimentée en USB sous une tension de 5V. Cette tension d'alimentation de 5V connectée en rouge au reste du circuit. Le schéma électrique est identique à celui donné plus haut pour le bouton A de la carte BBC micro:bit.
La masse (0 V) est connectée en noir.
Le signal DCy est en vert. Il est relié à un voltmètre qui mesure la tension su signal DCy par rapport à la masse.
Un ampèremètre permet de mesurer le courant I dans le bouton poussoir (et dans la résistance de 10 kOhms qui est en série).

Remarque
La vitesse de simulation dépend de nombreux paramètres. Vos retours permettront de mieux les identifier et de mieux les optimiser.
Le temps de la simulation s'affiche en haut à gauche. Il s'affiche parfois en seconde (00:00:01), parfois en milliseconde (00:00:00.001). S'il s'affiche en milliseconde, certains régimes transitoires ou certaines temporisations paraissent très longs.
Plaque d'essai (breadboard en anglais). Cette image montre les connexions internes qui simplifient le câblage de composants pour tester un circuit. (source : raspberrypi.org).
Cliquer sur le lien de partage de cette modélisation avec Tinkercad Circuits. Lancer la simulation (cliquer sur "Start simulation"). Puis compléter le tableau suivant pour synthétiser le comportement de ce circuit électrique.
DCy = 0 V
DCY = 5 V
DCy = 0 logique
DCy = 1 logique
I = 0 A
I > 0 A
Bouton poussoir relâché
Bouton poussoir enfoncé
Question 4 : Analyse à partir des principes fondamentaux d’étude des circuits
Synthèse des principales lois à utiliser ici pour analyser le comportement du circuit considéré :

Loi 1) Loi d'additivité des tensions, ou loi des branches
En série les tensions s'additionnent : U = U1 + U2 par exemple
De plus, des composants en série sont traversés par le même courant : I1 = I2 par exemple

Loi 2) Loi des nœuds
En dérivation les courants s'additionnent : I = I1 + I2 par exemple
De plus, des composants en dérivation ont une même tension à leurs bornes : U1 = U2 par exemple

Loi 3) Loi d'Ohm
Une résistance R avec une tension U à ses bornes est traversée par un courant I tel que :
U = R . I
Attention, I est compté positivement s'il rentre par la borne + (convention récepteur).

Loi 4) Comportement d'un contact fermé
Un contact fermé est équivalent à une résistance nulle (0 Ohm) dans un cas idéal.
D'après la loi d'Ohm, la tension aux bornes d'un contact fermé est nulle : U = 0 V.
Par ailleurs, la tension aux bornes d'un contact ouvert dépend du reste du circuit.

Loi 5) Comportement d'un contact ouvert
Un contact ouvert est équivalent à une résistance infinie dans un cas idéal.
D'après la loi d'Ohm, le courant traversant un contact ouvert est nul : I = 0 A.
Par ailleurs, le courant traversant un contact fermé dépend du reste du circuit.
Schéma électrique du circuit permettant d'acquérir l'information logique DCy
A partir des lois données ci-dessus, donner les valeurs théoriques de V1 (= DCy) et de I pour les deux états du contact SW (ouvert ou fermé). Justifier clairement votre démarche en désignant chaque loi utilisée.
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Question 5 : Programmation avec lecture de l'information logique DCy
Programme à modifier dans la simulation proposée avec Tinkercad. Rappel du lien de partage de la modélisation qui contient ce programme : https://www.tinkercad.com/things/a2UgUJjDHTI-bouton-poussoir-arduino/
"set built-in LED to HIGH" signifie mettre au niveau haut la LED intégrée à la carte Arduino (et repérée LED en haut à gauche de la carte).
"read digital pin 1" correspond au niveau logique lue sur l'entrée numéro 1.
" = 1 " correspond à une comparaison avec le niveau 1 logique
"wait 1 secs" est une temporisation.

Remarques :
Dans Tinkercad le programme se répète indéfiniment. Autrement-dit, il est sous-entendu que le programme est dans une boucle "Répéter indéfiniment".
Les élèves intéressés peuvent voir le code Arduino généré (en langage C) en choisissant "Blocks + Text".
Modifier dans la simulation le code exécuté par la carte Arduino de manière à ce que la LED (repérée L) soit éteinte pendant 3 s dès qu'on appuie sur le bouton poussoir. Puis partager votre modélisation en donnant le lien correspondant (avec le bouton "Share").
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Partie 3 : Distribuer la puissance au moteur en Tout Ou Rien
Lorsqu'on appuie sur le bouton qui commande le départ d'un cycle de fonctionnement, il faut alimenter le moteur de manière à faire pivoter le châssis.
On considère ici un moto-réducteur à courant continu alimenté par une tension continue comprise entre 3 V et 6 V. La vitesse de rotation du moto-réducteur dépendra notamment de la valeur de cette tension d'alimentation. Pour commencer, on considérera une tension d'alimentation fixe de 6 V.
L'objectif ici est d'analyser une solution technique basique permettant de distribuer l'énergie électrique de manière à contrôler le comportement du moteur qui actionne le châssis. Autrement dit, on souhaite analyser le principe de base d'une interface de puissance commandée par une carte électronique programmable.
La solution habituelle dans notre cas consiste à utiliser un transistor. Il s'agit d'un composant électronique qui permet de contrôler un courant à partir d'un signal de commande.
Nous utiliserons un transistor de puissance capable de commuter le courant maximum du moteur, soit environ 1 à 2 A, avec une tension maximum de 6 V. Ces valeurs sont peu contraignantes. Nous verrons ultérieurement que ce qui est plus contraignant c'est le fait de pouvoir distribuer la puissance avec de faibles pertes énergétiques. Pour ces raisons, nous choisirons un transistor de puissance standard mais performant en technologie MOS (Metal Oxyde Semiconducteur), tel que le modèle IRFZ44N. L'analyse de cette technologie pourra se faire lors d'un approfondissement.
Ce transistor standard est disponible à faible coût :
https://www.gotronic.fr/art-transistor-irfz44n-1294.htm
https://www.banggood.com/fr/10Pcs-IRFZ44N-Transistor-N-Channel-Rectifier-Power-Mosfet-p-953277.html?cur_warehouse=CN
Question 6 : Analyse d'une interface de puissance à transistor NMOS commandée en Tout Ou Rien
Un transistor est un composant permettant de contrôler un courant à partir d'un signal de commande. Un transistor dispose de trois bornes :
- deux bornes entre lesquels peut circuler le courant que l'on souhaite contrôler (c'est le circuit de puissance),
- deux bornes pour le signal qui contrôle le courant qui circule entre les deux bornes (c'est le circuit de commande).
Un transistor ne dispose que de trois bornes car une borne est commune entre le circuit de puissance et le circuit de commande.
Le transistor IRFZ44N est un transistor de technologie MOS canal N, appelé aussi NMOS. Le courant commandé circule dans un canal semiconducteur en silicium grâce à des charges négatives (N). Il circule d'une borne appelée drain (D) vers une borne appelée source (S). La commande de ce canal de conduction se fait à partir d'une tension VGS appliquée entre une borne appelée grille (G) et la source (S) :
. si VGS >> seuil de conduction alors le canal entre drain et source est conducteur, le transistor est équivalent à un contact fermé.
. si VGS << seuil de conduction alors le canal entre drain et source n'est pas conducteur, le transistor est équivalent à un contact ouvert.
Pour le transistor IRFZ44N, le seuil de conduction est compris entre 2 V et 4 V.
Schéma de l'interface de puissance à transistor NMOS. Le schéma de droite est le schéma équivalent avec un contact commandé en tension. Le signal logique de commande est appelé Ma (comme Marche).
Transistor IRFZ44N en technologie NMOS : brochage, symbole et boitier TO220 (source : https://www.theengineeringprojects.com/2017/09/introduction-to-irfz44n.html)
Le signal de commande Ma (= VGS) est généré par la carte électronique programmable. Les niveaux de tension du signal Ma dépendent essentiellement de la tension d'alimentation Vcc de la carte électronique programmable.
Un 1 logique correspondra à un niveau haut de tension. Il sera proche de Vcc (5 V ou 3.3 V par exemple).
Un 0 logique correspondra à un niveau bas de tension. il sera proche de 0 V (quel que soit Vcc).
Dans le cas d'un transistor IRFZ44N commandé par une carte électronique programmable sous 5 V (comme sur le schéma), expliquer pourquoi le moteur sera alimenté si Ma = 1 et qu'il ne sera pas alimenté si Ma = 0. Préciser pourquoi le fonctionnement peut être problématique avec une carte BBC micro:bit alimentée en 3.3 V.
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Question 7 : Analyse par simulation d'une interface de puissance à transistor NMOS commandée en Tout Ou Rien
Lien de partage vers la modélisation ci-dessous réalisée avec Tinkercad (source LP2I) : https://www.tinkercad.com/things/fapzteQh4M9-transistor-moteur-en-tor/
Programme pour la simulation précédente
Lancer cette simulation puis compléter le tableau suivant.
Le transistor laisse passer le courant moteur
Le transistor bloque le courant moteur
Tension moteur proche de Vs = 6 V
Tension moteur = 0 V
Vitesse N proche de Nmax = 200 tr/min environ
Vitesse N = 0
Commande du transistor = 0 logique
Commande du transistor = 1 logique
Donner les valeurs de la tension VM aux bornes du moteur lorsqu'il est alimenté, du courant moteur IM correspondants, et de la vitesse de rotation. Comparer avec la tension Vs de l'alimentation. Calculer la résistance rDSon équivalente au transistor lorsqu'il est passant.
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Question 8 : Analyse par simulation d'une interface de puissance à transistor NMOS commandée en modulation PWM
La solution précédente permet de contrôler le moteur en Tout Ou Rien par programme, avec une vitesse maximale ou une vitesse nulle.
On souhaite pouvoir contrôler par programme la variation de la vitesse de rotation du moteur.
La solution habituellement utilisée consiste à moduler l'énergie transmise au moteur en ne l'alimentant qu'une fraction du temps : moteur alimenté pendant Ton puis moteur non alimenté pendant Toff, avec un cycle T = Ton + Toff suffisamment court pour que le moteur tourne à vitesse quasiment constante grâce à son inertie (liée à la masse en rotation notamment). La fréquence de modulation f = 1/T doit donc être suffisamment élevée.
On vérifiera expérimentalement qu'une fréquence de quelques dizaines de Hertz est suffisante.
Dans ce cas, la vitesse de rotation varie avec la durée Ton de l'impulsion. ce type de modulation s'appelle une modulation PWM pour Pulse Width Modulation, ou MLI en français, pour Modulation de Largeur d'impulsion.
En fait, le paramètre influent n'est pas vraiment Ton mais le rapport Ton/T appelé rapport cyclique (sans unité).
On verra que la vitesse de rotation du moteur varie de manière quasi proportionnelle avec le rapport cyclique Ton/T . Lorsque le rapport cyclique de la modulation varie de 0 à 100 %, la vitesse varie de 0 à Nmax.
Modélisation et simulation interface de puissance à transistor NMOS commandée en modulation PWM. Lien de partage : https://www.tinkercad.com/things/g7NFnV7FrNB-transistor-moteur-en-pwm/
Chronogramme de la tension VM aux bornes du moteur modulée en PWM : 1 ms/div en X et 2 V / div en Y.
Programme de la carte électronique programmable utilisé pour alterner entre un fonctionnement en modulation PWM et l'arrêt du moteur.
Calculer les caractéristiques de la modulation PWM utilisée dans la simulation : Ton, Toff, T = Ton + Toff, f = 1/T, Rapport cyclique = Ton/T
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Question 9 : Tension moteur modulée en PWM
Pendant le fonctionnement en modulation PWM, calculer VMmoy, la valeur moyenne de la tension aux bornes du moteur, à partir du chronogramme précédent issu de la simulation. Comparer avec la tension affichée par le voltmètre aux bornes du moteur.
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Question 10 : Codage du rapport cyclique Ton/T
Un rapport cyclique Ton/T varie entre 0 et 100 %, donc entre 0 et 1. Autrement dit, on utilise 100 comme référence.
Pour des raisons technologiques, dans une carte électronique programmable le rapport cyclique est codé sous forme d'un nombre entier A sur n bits (cas général). Dans ce cas, la valeur du rapport cyclique n'est pas A/100 mais A/2^n, avec n le nombre de bits utilisées par le générateur PWM intégrée dans la carte. Voir ci-dessous les rappels concernant le codage d'un nombre entier en binaire.
Dans la pratique, la plupart des cartes électroniques programmables peuvent générer un signal PWM avec une résolution de 8 bits ou de 10 bits (soit n = 8 ou 10).
Pour un PWM sur 8 bits : Rapport cyclique Ton/T = A / 2^8 = A / 256
Pour un PWM sur 10 bits : Rapport cyclique Ton/T = A / 2^10 = A / 1024

Rappels sur le codage d'un nombre entier en binaire
En décimale, c'est à dire en base 10, un nombre entier est codé sous la forme de puissances de 10.
Par exemple 734 = 7 .100 + 3 . 10 + 4 par exemple. Chaque digit (chiffres qui constituent le nombre A) à un poids, par exemple 100, 10 et 1 dans notre cas. Le chiffre correspondant au poids le plus fort est placé à gauche (7 dans notre exemple). Le chiffre dont le poids est le plus faible est placé à droite (4 dans notre exemple).
Pour coder en binaire on procède de la même manière. Les digits (chiffres) ne peuvent pas varier de 0 à 9 mais de 0 à 1. Les digits d'un nombre codé en binaire s'appellent des bits (contraction de Binary Digit). Pour déterminer la valeur des bits, on décompose le nombre A en puissances de 2 (et non des puissances de 10 comme en décimale).
Par exemple 734 = 1. 512 + 0 . 256 + 1 . 128 + 1 . 64 + 0 . 32 + 1 . 16 + 1 . 8 + 1 . 4 + 1 . 2 + 0 . 1
Donc 734 = 10 1101 1110 en binaire (on sépare par paquets de 4 bits pour faciliter la lecture).
Il a fallut ici 10 bits pour coder le nombre 734 en binaire.
Avec 10 bits on peut coder un nombre A qui varie de 0 à 11 1111 1111 = 512 + 128 + 64 + 32 + 16 + 8 + 4 + 2 + 1 = 1023
On admettra que plus généralement un nombre entier A codé sur n bits peut varier entre 0 et Amax = 2^n - 1
Par exemple, un nombre codé sur 8 bits, soit un octet, peut varier de 0 à 255.
Calculer le rapport cyclique programmé dans la carte Arduino pour la simulation précédente. Justifier votre réponse.
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Question 11 : Modification de la vitesse par programme
Modifier le programme dans la simulation pour avoir VMmoy = 3 V pendant la modulation PWM. Valider votre modification par simulation. Expliquer votre démarche. Interpréter la nouvelle valeur de la vitesse de rotation du moteur.
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Partie 5 : Inverser le sens de rotation du moteur avec un pont en H commandé en TOR ou en PWM
On a besoin que le moteur puisse tourner dans les deux sens pour faire pivoter le châssis dans les deux directions.
Pour inverser le sens de rotation d'un moteur à courant continu il faut inverser la polarité de la tension d'alimentation.
On souhaite pouvoir le faire à partir de commandes générées par programme. On va utiliser pour cela une structure appelée pont en H.
On propose d'analyser le principe de cette solution en constituant un pont en H avec des contacts commandés manuellement. On verra ensuite une solution à base de circuit intégré que l'on peut commander par une carte électronique programmable.
Question 12 : Pont en H avec deux inverseurs unipolaires à glissière On-On
On peut réaliser très simplement un pont en H avec deux contacts à deux positions. Ce type de composant est appelé inverseur unipolaire On-On. Les anglo-saxons appellent ça un switch SPDT (Single Pole Dual Throw).
Le contact utilisé dans le bouton poussoir étudié au début avait également deux positions, une position repos dans laquelle le contact est ouvert et une position travail dans laquelle le contact est fermé. Quand on relâche le bouton poussoir il revient en position repos. On appelle ça un contact normalement ouvert (NO, pour Normaly Open), par opposition à un contact normalement fermé (NC pour Normaly Closed).
Un inverseur unipolaire est dit On-On car il a la particularité d'avoir deux positions de repos possibles.
Un contact est toujours représenté en position repos dans un schéma électrique.
Tinkercad propose un inverseur unipolaire On-On avec une commande manuelle à glissière.
Inverseur unipolaire à glissière On-On (source : https://www.digikey.com/product-detail/en/c-k/1101M2S3CQE2/CKN5001-ND/67042)
Fonctionnement d'un inverseur unipolaire à glissière On-On. (Source : http://www.zseries.in/electronics%20lab/switches/slide/#.WoceE6jiaF4)
Schéma électrique d'un moteur à courant continu alimenté par l'intermédiaire de deux inverseurs unipolaires On-On montés en pont (source LP2I).
Dans ce circuit le moteur est alimenté avec une structure en pont car aucune de ses deux bornes n'est reliée directement à la masse. Suivant l'état des contacts, le plus de l'alimentation est relié soit à la borne plus (V1) soit à la borne moins (V2) du moteur. cela permet d'avoir une tension moteur positive, négative ou nulle, et donc de contrôler l'état du moteur (marche / arrêt) mais aussi son sens de rotation.
Modélisation et simulation avec Tinkercad du circuit précédant (source LP2I). Lien de partage : https://www.tinkercad.com/things/dqJLOCWflm7-2-switchs-spdt-en-pont-moteur/
A partir de la simulation du circuit précédant, compléter le tableau suivant correspondant aux 4 cas possibles pour SW1 et SW2. On note Pm la puissance électrique reçue par le moteur.
Pm = 1,7 W environ
Pm = -1,7 W environ
Pm = 0 W
N = 200 tr/min environ
N = -200 tr/min environ
N = 0 tr/min
V1 = 6V et V2 = 0V
V1 = 0V et V2 = 0V
V1 = 0V et V2 = 6V
V1 = 6V et V2 = 6V
Question 13 : Pont en H avec 4 transistors intégrés dans le circuit L293D, commandé en Tout Ou Rien avec deux sens de rotation
Dans la solution précédente on utilise des contacts actionnés manuellement pour commuter la tension d'alimentation du moteur. Si on remplace chaque position des contacts par un transistor, soit 4 transistors, alors on a la même structure en pont. On appelle pont en H une structure en pont avec 4 commutateurs.
Un pont en H avec 4 transistors peut être commandés avec deux signaux logiques générés par une carte électronique programmable. chaque signal joue le rôle de la commande manuelle de la solution précédente.
Alimentation d'un moteur par un pont en H avec 4 contacts (réalisés par des transistors) (Source LP2I)
La commande des transistors dans un pont en H n'est pas simple pour les deux transistors qui n'ont aucune borne reliée directement à la masse. La mise en oeuvre pratique avec des transistors n'est donc pas simple. Heureusement il existe de nombreuses solutions sous forme de circuit intégré qui contient des ponts en H qu'on peut directement commander avec deux signaux logiques.
Tinkercad propose le circuit intégré L293D qui contient deux ponts en H.
Voyons d'abord le cas d'une commande en Tout Ou Rien d'un pont en H avec un circuit L293D.
Circuit intégré L293D en boitier CMS : il intègre deux ponts en H. Caractéristiques : pour moteur alimenté sous 4,5 V à 36 V avec un courant de 600 mA maximum, commandes sous 5V.
Modélisation et simulation d'un moteur alimenté par un pont en H commandé en Tout Ou rien avec deux sens de rotation. Lien de partage : https://www.tinkercad.com/things/0F4TPhUBYbk-pont-en-h-l293-en-tor/
Programme de commande du L293D en Tout Ou Rien avec deux sens de rotation.
A partir de la simulation du circuit précédant, compléter le tableau suivant. On note Pm la puissance électrique reçue par le moteur.
Pm = 1,2 W environ
Pm = -1,2 W environ
Pm = 0 W
N = 170 tr/min environ
N = -170 tr/min environ
N = 0 tr/min
Pin 9 = 1 et Pin 10 = 0
Pin 9 = 0 et Pin 10 = 0
Pin 9 = 0 et Pin 10 = 1
Question 14 : Analyse des performances obtenues
Comparer les résultats de simulation obtenus avec les inverseurs mécaniques et ceux obtenus avec le circuit intégré L293D.
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Question 15 : Pont en H avec 4 transistors intégrés dans le circuit L293D, commandé en PWM avec deux sens de rotation
On considère ici la même solution technique sur le plan matériel mais on va modifier le programme pour obtenir une vitesse plus faible dans les deux sens.
Modifier le programme dans la simulation précédente pour avoir VMmoy = 3 V dans un sens et Vm moy = - 3V dans l'autre sens. Valider votre modification par simulation. Expliquer votre démarche. Comparer votre solution avec celle qui utilisait juste un seul transistor NMOS commandé en PWM.
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Partie 6 : Acquérir les deux informations logiques de fin de course (Position Min et Max)
Question 16 : Simulation des deux capteurs fin de course
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Partie 7 : Synthèse = modélisation et simulation d'une solution technique permettant de contrôler automatiquement le mouvement du châssis
Question 17 : Simulation du circuit complet
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Question 18 :
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Question 19 :
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Vos remarques
Vous pouvez exprimer ci-dessous d'éventuelles remarques concernant ce document.
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