Simulation et realisation de la commande

R´ epublique Alg´ erienne D´ emocratique et Populaire
Minist` ere de l’Enseignement Sup´ erieur et de la
Recherche Scientifique
Universit´e Akli Mouhand Oulhajd de Bouira
Facult´e des Sciences et de Sciences Appliqu´ees
D´epartement de G´enie Electrique
M´emoire de Fin d’Etudes pour l’obtention du Diplˆome de Master 2 en
´
Electrom´ecanique et Syst`eme de Commande
Th`eme
Simulation et r´ealisation de la commande d’un
servomoteur `a courant continu `a base de la carte
ARDUINO
Pr´esent´e par
Mr ZARIFI Adel
Mr SAADI Tarek
Encadr´e par
Mr DJIBIRI Moustafa
Dr AIT ABBAS Hamou
Ann´ee Universitaire : 2016-2017

Table des mati`eres
Introduction g´en´erale 9
1 G´en´eralit´e sur le servomoteur `a courant continue 13
1.1 Introduction ....................................... 13
1.2 Les capteurs associ´es `a un moteur ´electrique ..................... 14
1.2.1 Capteurs pour des grandeurs ´electriques ................... 14
1.2.2 Capteurs pour des grandeurs m´ecaniques .................. 15
1.3 G´en´eralit´es sur les machines `a courant continu .................... 16
1.3.1 D´efinition .................................... 16
1.3.2 Description de la machine `a courant continu : ................ 16
1.3.3 Divers types des machines a courant continu ................ 18
1.3.4 Principe de fonctionnement du moteur `a courant continu .......... 19
1.4 Mise en ´equation du moteur `a courant continu .................... 19
1.4.1 Circuit ´equivalent ................................ 19
1.4.2 ´ Equations ´electriques et m´ecaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.3 Comportement global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4.4 Fonction de transfert de syst`eme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5 Sch´emas blocs ..................................... 22
1.6 Point de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.7 Proc´ed´e de freinage ................................... 23
1.7.1 Freinage avec r´esistance de dissipation .................... 23
1.7.2 Freinage avec r´ecup´eration d’´energie ..................... 24
1.8 Avantages et Inconv´enients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.9 Conclusion ........................................ 24
2 Commande du moteur `a courant continu en boucle ouverte 25
2.1 Introduction ....................................... 25
2.2 Quadrants de fonctionnement d’un MCC ...................... 25

TABLE DES MATI` ERES 3
2.3 Alimentation par convertisseur ´electronique ..................... 26
2.3.1 Hacheur ..................................... 27
2.3.2 Redresseur command´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4 Le contrˆole par MLI .................................. 30
2.4.1 Principe de la commande MLI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5 Simulation sous l’environnement MATLAB Simulink ................ 32
2.5.1 Introduction sur MATLAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5.2 Choix technologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5.3 ´ Elaboration des sch´emas et r´esultats de simulation ............. 33
2.6 Interpr´etations des r´esultats de simulation en boucle ouverte ............ 37
2.7 Conclusion ........................................ 37
3 R´ealisation de la commande en boucle ouverte 38
3.1 Introduction ....................................... 38
3.2 La partie Hard ..................................... 39
3.2.1 La carte Arduino Mega 2560 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.2 Le pont H L298 ................................. 40
3.3 La partie Soft ...................................... 41
3.3.1 Matlab support package for Arduino Hardware ................ 41
3.3.2 Matlab GUI ................................... 42
3.4 R´esultats de la r´ealisation en boucle ouverte ..................... 43
3.5 Interpr´etations des r´esultats de r´ealisation en boucle ouverte ............ 46
3.6 Conclusion ........................................ 46
4 Commande en boucle ferm´ee d’un moteur `a courant continu 47
4.1 Introduction ....................................... 47
4.2 La correction analogique ................................ 48
4.2.1 Caract´erisation d’un syst`eme analogique boucl´e ............... 48
4.2.2 Les filtres analogiques d’un syst`eme boucl´e .................. 51
4.2.3 La m´ethode de Ziegler et Nichols pour la d´etermination des coefficients PID 54
4.3 La correction num´erique ................................ 55
4.3.1 Le proportionnelle num´erique P(z) ...................... 56
4.3.2 L’int´egrateur num´erique I(z) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3.3 Le correcteur PI(z) ............................... 57
4.3.4 D´etermination des coefficients PID(z) ..................... 57
4.4 Simulation sous l’environnement Matlab Simulink .................. 58

TABLE DES MATI` ERES 4
4.5 Interpr´etations des r´esultats de simulation en boucle ferm´ee ............ 60
4.6 Conclusion ........................................ 60
5 R´ealisation de la commande en boucle ferm´ee 61
5.1 Introduction ....................................... 61
5.2 R´esultats de la r´ealisation exp´erimentale en boucle ferm´ee ............. 61
5.3 Interpr´etation des r´esultats de la r´ealisation en boucle ferm´ee ........... 64
5.4 Conclusion ........................................ 64

Table des figures
1.1 servomoteur ....................................... 13
1.2 Capteur de courant `a effet Hall (6) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3 Transformation de l’´energie dans une machine MCC .................. 16
1.4 Vue ´eclat´ee d’une machine `a courant continu ...................... 17
1.5 Sch´ema de principe du moteur MCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.6 Circuit ´equivalent du moteur MCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.7 Sch´ema bloc tension-vitesse du moteur MCC ...................... 22
1.8 Sch´ema bloc tension-position du moteur MCC ..................... 22
1.9 Le point de fonctionnement d’un moteur `a courant continu ............... 23
1.10 Freinage avec r´esistance de dissipation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.11 Freinage avec r´ecup´eration d’´energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1 Quadrants de fonctionnement MCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2 Hacheur s´erie ...................................... 27
2.3 Hacheur r´eversible en courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4 Alimentation avec r´esistance de dissipation ....................... 28
2.5 Hacheur en pont ..................................... 29
2.6 Moteur `a courant continu aliment´e par un redresseur triphas´e en pont mixte ...... 29
2.7 Moteur `a courant continu aliment´e par un redresseur triphas´e en pont `a thyristors . . . 30
2.8 Moteur `a courant continu aliment´e par un redresseur triphas´e en montage tˆete-bˆeche. . 30
2.9 Sch´ema de positionnement de l’´etage MLI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.10 Forme de signal MLI avec diff´erent rapport cyclique .................. 31
2.11 Circuit de simulation d’un codeur incr´emental ..................... 33
2.12 Les Signaux des 3 voies de codeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.13 La mise en œuvre d’un circuit d’alimentation et commande de moteur `a courant continu
en pont H ........................................ 34
2.14 Le signal PWM et la tension de sortie de pont H pour diff´erent rapport cyclique . . . . 35
2.15 Simulation de la commande en boucle ouverte ..................... 35