1 Analyse du systeme (20 min, 5 points)

Epreuve orale de contrôle
Dossier guide 2
CHARIOT DE GOLF ELECTRIQUE
Comment éviter le basculement du chariot lors du démarrage en toute situation ?
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ANALYSE DU SYSTEME (20 min, 5 points)
Prendre connaissance de la page 1 du dossier technique « chariot de golf ».
1.1 ANALYSE FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE
La page 2 du dossier technique présente la structure fonctionnelle globale du système étudié sous forme de
schéma-bloc.
Question 1 : Définir le type des énergies aux points  à .
1.2 PROBLEMATIQUE
Le relief varié des terrains de golf présente des pentes pouvant facilement atteindre 10 %. Pour éviter la détérioration du matériel lors d’une chute, le chariot, support du sac, doit être stable en toute situation tant à
l’arrêt que lors des déplacements.
On remarque tout de même que si le chariot est stable à l’arrêt dans différentes pentes, celui-ci peut basculer
vers l’arrière lorsque l’on commande sa mise en mouvement, pour des inclinaisons du sol dépassant certaines valeurs.
Sur la figure ci-contre, le
chariot est à l’arrêt dans
différentes pentes, où le
poids
P
représente
l’action de la pesanteur.
Les points A et B sont
les points de contact des
roues avec le sol. Les
roues arrières ne peuvent
ni tourner ni glisser.
Pour chaque cas, on
précise si le chariot bascule ou non.
Question 2 : En observant ces différents schémas, énoncer quelle condition, concernant la direction de la résultante, autorise le chariot à basculer ou non. A la limite du basculement, quel est l’effort de contact en A ?
Lors du démarrage, on
considère qu’une force
d’inertie Fa (due et proportionnelle
à
l’accélération) s’oppose
au déplacement. Cette
action vient s’ajouter au
poids P. La conjugaison
de ces deux actions
donne une résultante
appelée R.
Question 3 : A partir de
la condition énoncée
précédemment, préciser pour les quatre cas si le chariot bascule ou non ?
Avant de proposer une évolution du système pour remédier au problème constaté, il est nécessaire de caractériser le comportement du chariot lors du démarrage pour déterminer la pente maximale actuellement admissible durant cette phase de fonctionnement.
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Epreuve orale de contrôle
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Dossier guide 2
COMPORTEMENT DU SYSTEME (45 min, 7 points)
L’objet de cette étude est de déterminer l’accélération actuelle du chariot à partir de mesures électriques
afin de l’exploiter dans une simulation qui permettra de définir la pente maximum admissible au démarrage.
2.1 ACCELERATION DU CHARIOT DURANT LE DEMARRAGE
On suppose tout d’abord qu’un ordre
Mesure M1
de grandeur de l’accélération du cha- A l’instant
t1= 0,3s
riot au démarrage peut-être approché Tension moyenne moteur
Umoy1= 3,6 V
de façon expérimentale. Il suffit pour …
…
cela de mesurer, à deux instants différents, la tension moyenne Umoy aux bornes du moteur. Les résultats relevés sont les suivants :
Mesure M2
t2= 0,9s
Umoy2= 10,8 V
…
Remarque : ce tableau pourra être complété pour synthétiser les différents résultats obtenus dans les questions suivantes.
La batterie utilisée sur le chariot a une tension nominale de 12V.
Question 4 : A partir du principe de la modulation de largeur d’impulsion, page 3 du dossier technique
(2.4.1), déterminer les deux valeurs du rapport cyclique α1 et α2 correspondant aux deux valeurs suivantes
de la tension moyenne : Umoy1 = 3,6 V et Umoy2 = 10,8 V.
Après avoir analysé le schéma de commande du moteur à courant continu, page 4 du dossier technique (2.4.3
et 2.4.4).
Question 5 : Compléter le tableau à partir des éléments
Vcom
Etat du transistor
UMot
suivants :
0V
- Transistor (passant ou bloqué) ;
5V
- UMot (12V ou 0V).
Question 6 : Après avoir analysé l’algorigramme du sous programme « rampe » proposé page 5 du dossier
technique, préciser la variable qui dans cet algorigramme permet de contrôler le rapport cyclique. Indiquer,
pour α1 et α2 déterminés précédemment, les valeurs correspondantes à cette variable.
Question 7 : Représenter, pour les deux cas précédents, l’allure des chronogrammes de la tension de commande VCOM..
Au point de fonctionnement nous intéressant, on sait que I = 5,6 A, R = 0,22 Ω, et k = 0,027 V.rad-1.s.
Question 8 : A l’aide des formules fournies dans le dossier technique, page 3, pour le moteur à courant continu (2.4.2), déterminer pour les deux valeurs α1 et α2 calculées précédemment, les fréquences de
rotation de l’arbre moteur (on les notera m1 et m2).
Le schéma page 2 du dossier technique présente les caractéristiques des composants de la transmission du
chariot. On considère, lors du démarrage, que le chariot à une trajectoire rectiligne ; les roues motrices tournent donc à la même fréquence de rotation.
Question 9 : Afin d’évaluer l’accélération du chariot dans la phase de démarrage :
- Calculer la fréquence de rotation des roues arrières motrices lors de chacune des mesures (on
les notera roue1 et roue2) ;
- Déterminer la vitesse du chariot par rapport au sol Vc1 au moment de la première mesure puis Vc2 au moment de la seconde ;
- En déduire l’accélération du chariot par rapport au sol.
2.2
PENTE MAXIMALE ADMISSIBLE LORS DU DEMARRAGE
Grâce à une simulation numérique, il est possible d’observer l’évolution des
efforts de contact roue-sol.
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Dossier guide 2
Les résultats suivants montrent plus particulièrement l’évolution de l’effort de contact de la roue avant (au
point A) du chariot (en N) lorsque l’on applique l’accélération déterminée au préalable. Dans ces simulations, le démarrage commence à l’instant t=0,5 s et sa durée d’accélération est de 1 s.
Chaque courbe est calculée pour une pente différente.
pente 0%
pente 3%
effort de contact A (N)
pente 4%
effort de contact A (N)
pente 5%
effort de contact A (N)
effort de contact A (N)
140
140
140
140
120
120
120
120
100
100
100
100
80
80
80
80
60
60
60
60
40
40
40
40
20
20
20
20
0
0
0
1
temps (s)
2
0
0
1
2
temps (s)
0
0
1
temps (s)
2
0
1
temps (s)
Question 10 : Au regard de ces courbes, donner la valeur maximale de la pente admissible pour laquelle le
chariot ne basculera pas lors du démarrage.
3
EVOLUTION DU SYSTEME (55 min, 8 points)
L’étude du comportement du chariot permet de considérer qu’au delà d’une pente correspondant à une
inclinaison du sol e1=2,5°, le chariot bascule lors du démarrage si on lui impose l’accélération préalablement déterminée.
Pour éviter ce basculement, il est envisagé d’adapter l’accélération en fonction de la pente. Pour ce faire, il
faut disposer de l’inclinaison du chariot. Cette information sera fournie à l’unité de traitement par un inclinomètre monté sur le châssis du chariot.
L’inclinomètre est un capteur qui délivre une tension continue fonction de son inclinaison par
rapport à la verticale. Ces caractéristiques sont présentées ci-dessous :
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Dossier guide 2
3.1 MISE EN PLACE DE L’INCLINOMETRE
On souhaite positionner ce capteur sur le montant vertical du châssis. La figure
ci-contre montre la zone de positionnement.
Zone de positionnement du
capteur
Question 11 : En se référant aux caractéristiques dimensionnelles du capteur
et au dessin partiel du montant (DR1), proposer un montage du capteur sur le
montant du chariot en élaborant un dessin à main levée de la solution. Veiller
à bien respecter l’orientation du capteur pour détecter l’inclinaison du chariot.
3.2
ADAPTATION DE L’UNITE DE CONTROLE
Afin d’adapter la partie commande à l’ajout de ce capteur, on propose l’organisation fonctionnelle suivante :
θe
Convertir
un angle en
tension
Inclinomètre
Ve
Détecter un
seuil
Gérer la
commande
du moteur
Vs
Microcontrôleur
Circuit de mise en forme
Question 12 : À partir de la documentation constructeur de
l’inclinomètre, indiquer, pour la pente maximale avant basculement du chariot, la tension notée Ve1 fourni par le capteur
inclinomètre. En déduire, en tenant compte de la caractéristique de transfert Vs = f(Ve) représentée ci-contre, la valeur de
la tension Vs pour les deux cas suivants :
VCOM
Vs
12V
- quand l’angle de la pente est inférieur à la valeur limite e1 ;
- quand l’angle de la pente est supérieur à la valeur limite e1.
0
5V
12V
On souhaite modifier l’algorigramme du sous programme « rampe », page 5 du dossier technique, pour tenir
compte des changements structurels apportés. On se propose donc de diminuer de moitié l’accélération du
chariot au démarrage, afin d’éviter un basculement du chariot lorsque la pente du terrain dépasse la valeur
limite.
Question 13 : Pour répondre à cette contrainte, indiquer quel est le paramètre à modifier dans cet algorigramme. Déterminer une nouvelle valeur de ce paramètre sachant que l’accélération doit être diminuée de
moitié. Proposer une modification de l’algorigramme afin de prendre en compte le changement
d’accélération en fonction de ces deux valeurs.
Note : la sortie de la fonction « détecter un seuil » représentée par la tension Vs est reliée au bit A1 du microcontrôleur. Si Vs = 12 V alors A1 = 1, si Vs = 0 V alors A1 = 0 .
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Ve