Carte de Pilotage des Bras

Carte de Pilotage des Bras
But :
Cette carte est destinée à piloter (rentrer / sortir) les deux bras du robot :
• Le bras latéral permettant de faire tomber les quilles ;
• Le bras permettant de ramasser les quilles (via des électroaimants : cf carte de pilotage des
électroaimants).
A partir de deux bits provenant du port parallèle, nous devons piloter ces deux bras. Nous avons
donc un bit pour chaque bras. Lorsque ce bit est à l’état bas, alors nous devons rentrer le bras, par
contre si celui-ci est à l’état haut, il faut sortir le bras. Afin que le moteur ne force pas une fois que
le bras est rentré ou sorti, nous avons mis en place des capteurs de fin de course qui coupe
l’alimentation des moteurs.
Entre la partie électronique faible puissance (commande, capteurs, …) et la partie électronique de
puissance (ponts en H, moteurs,…), nous placerons des optocoupleurs afin d’avoir une isolation
optique. Cette isolation, nous permet de protéger la partie électronique faible puissance et lui
permet d’être moins sensible aux bruits générés par la partie de puissance. Pour que ce système soit
entièrement efficace, il faut aussi prévoir deux alimentations indépendantes (une pour chaque
partie).
Schéma bloc :
Figure 1 : schéma bloc de la carte.
Fonctionnement :
Remarque : étant donné que les deux bras sont pilotés de la même manière, nous n’étudierons que
la commande d’un seul bras.
La partie électronique de « puissance » :
Etant donné que nous devons faire rentrer et sortir les bras, il faut pouvoir piloter les moteurs dans
un sens puis dans l’autre. En effet lorsque nous alimentons un moteur à courant continu avec une
tension positive, il tourne dans un sens. Puis lorsque nous l’alimentons avec une tension négative, il
tourne dans l’autre sens. Il existe un circuit permettant de gérer ces inversions de polarités, c’est le
pont en H. Son schéma de principe est le suivant :
Figure 2 : schéma de principe d’un pont en H.
En regardant les schémas, nous devinons le sens de rotation du moteur : sur le schéma « a » le
moteur est à l'arrêt (on devrait même dire qu'il est freiné : en effet court-circuiter les deux pôles d'un
moteur revient à le freiner). Sur le schéma « b » il tourne dans le sens inverse du schéma « c » et
enfin sur le schéma « d » il est freiné. Et bien voici la base du pont en H, toute l'idée réside dans ce
schéma. Bien sûr, pour l'implémenter, il va nous falloir remplacer les interrupteurs par des
transistors.
Figure 3 : modélisation d’un pont en H.
Le schéma ci-dessus représente le schéma idéal du pont en H. Quand l'entrée In 1 (ou In 2) est
active, le transistor Q1 (ou Q2) est passant et le transistor Q3 (ou Q4) est bloqué. Quand In 1 est
actif, le pôle 1 du moteur est au potentiel Vcc, et lorsque In 1 est à l'état bas, le pôle 1 du moteur est
à la masse.
Nous pouvons en déduire la table suivante :
in2
in1
Tension aux bornes du moteur
Etat du moteur
0
0
0 volt
0
1
12 volts
1
1
0
1
-12 volts
0 volt
Arrêt
Rotation dans un sens
(pour sortir le bras)
Rotation dans l'autre sens
(pour rentrer le bras)
Arrêt
Lorsque nous regardons de près ces bits nous comprenons rapidement qu’avec ce pont la carte est
pratiquement terminée. Nous considèrerons « in1 » comme l’entrée de la carte, il suffit de mettre un
inverseur entre « in1 » et « in2 » (cf figure 1) :
•
•
Pour rentrer le bras, nous avons in1=0 puis nous l’inversons pour avoir in2=1, dans ce cas le
moteur tourne dans un sens. Il suffit juste d’annuler le bit in2 avec le capteur fin de course
(in2=0) lorsque le bras est rentré pour arrêter le moteur.
Pour sortir le bras c’est la même chose avec in1=1 en entrée, donc in2=0, le moteur tourne
dans l’autre sens. Le capteur de fin de course passera le bit in1 à 0 et le moteur s’arrêtera.
Nous utiliserons le L298N, ce circuit intègre deux ponts en H indépendants (chaque moteur utilisera
un pont). Nous aurons donc deux fois deux bits de commande. La tension d’alimentation des
moteurs étant de 12 volts, nous alimenterons le pont en H avec cette même tension. Nous
prévoirons un régulateur de tension 5 volts afin d’alimenter les circuits logiques présents dans ce
circuit.
Remarque : Vu la légèreté du bras permettant de faire tomber les quilles il faut diminuer la tension
d’alimentation du moteur car si nous l’alimentons à pleine puissance, le bras s’ouvre et rebondit
plusieurs fois (oscillations).
Le L298N (double pont en H) dispose d’une entrée « enable » par pont. L’entrée enable (du pont en
H permettant le pilotage du bras faisant tomber les quilles) verra un signal carré. Avec ce système
le pont en H ne sera activé qu’une partie du temps et donc le moteur ne sera pas constamment
alimenté réduisant ainsi sa vitesse. Le signal carré sera généré par un NE555 monté en astable, nous
permettant de choisir le rapport cyclique adéquate.
Ce signal carré aura une fréquence suffisamment élevée (de l’ordre de la centaine d’hertz) afin que
la vitesse de rotation du moteur reste constante.
La vitesse du moteur dépend directement du rapport cyclique du signal créé. La seule méthode
efficace nous permettant de trouver les valeurs des composants a été de faire des tests avec une
résistance et un condensateur fixe et, un potentiomètre.
Le schéma de l’astable est le suivant :
Figure 4 : montage du NE555 en astable.
A l’issue des tests, nous trouvons : R18 = 1KΩ ; R19 = 6,8KΩ ; C3 = 1uF.
Calcul :
Soit « th », la durée du niveau haut et « tb » la durée du niveau bas.
Nous avons th = (R18+R19).C3.ln( 2 ) = 5,4ms – et – tb = R19.C3.ln(2) = 4,7ms.
La période d’oscillation : T = th + tb = 10,1ms – soit une fréquence de 99Hz.
Le rapport cyclique : α = tb / T = 53,4%.
La partie électronique de « commande » :
Remarque : La figure ci-dessous ne représente que la moitié de la partie « commande », la totalité
de cette partie reprendra deux fois ce schéma.
Figure 5 : partie électronique de « commande ».
Remarque : dans cette partie nous traiterons les inverseurs, l’isolation optique et la gestion des
capteurs de fin de course.
• L’inverseur :
(L’inverseur est composé de R2, R3 et Q5)
Lorsqu’en entrée nous avons un signal à l’état bas (0 volt), le transistor Q5 est bloqué donc nous
avons en sortie un signal à l’état haut (~5 volts).
Lorsqu’en entrée, nous avons un signal à l’état haut (5 volts), le transistor est saturé donc nous
avons en sortie la tension VCEsat (~0,2 volt) soit un état bas.
Afin d’avoir un fonctionnement bloqué / saturé du transistor, il faut calculer la valeur des
résistances R2 et R3 (respectivement résistances de collecteur et de base) en fonction du gain en
courant (béta) du transistor.
Le transistor choisi est le 2N2222 (modèle très courant, très facile à se procurer), son gain en
courant est compris entre 100 et 300. Pour nos calculs, nous choisirons le gain le plus défavorable
c'est-à-dire 100 (car si le transistor est saturé pour un gain de 100, il le sera d’autant plus pour un
gain de 300).
Calcul :
Vcommande = 5v, nous considérons que le transistor est saturé (donc passant) dans ce cas Vbe =
0,7v (polarisation directe de la jonction base-émetteur) et Vce=VCEsat=0,2v
VR3 = 4,3v donc Ib = 4,3 / R3. (1)
VR2 = 5-0,2 = 4,8v d’où Ic = 4,8 / R2. (2)
Nous savons que le gain du transistor est de 100, donc Ic = 100 x Ib. (3)
A partir des équations (1), (2) et (3) nous pouvons écrire :
R2 = R3 (4,8 / 430), nous voulons une résistance de base assez grande pour ne pas consommer
beaucoup de courant sur l’entrée de commande. Nous posons donc R3 = 22KΩ.
Alors R2 = 22000 (4,8 / 430) = 245,6Ω, nous choisissons dans la série E12 une résistance de valeur
supérieur afin de sur-saturer le transistor : R2 = 330Ω.
Remarque : Coefficient de sur-saturartion : 1 - (330 / 245,6) = 34%.
• Isolation optique :
(Cette fonction est composée de R1, R4, U1 et U2)
Afin de réaliser l’isolation entre la partie faible puissance (celle que nous traitons actuellement) et la
partie dite de puissance, nous avons placé des opto-coupleurs (U1 et U2).
Nous avons choisi le modèle 4N25 (boîtier DIP-6), son fonctionnement est simple : lorsqu’un
courant traverse la diode celle-ci émet de la lumière qui vient rendre passant le transistor.
Calcul :
Lorsque le courant de diode est égal (ou supérieur) à 5mA, le flux lumineux ainsi généré est assez
puissant pour saturer le transistor. Dans ce cas la tension aux bornes de la diode est de 1,1 volt.
Soit Id le courant de diode, Id = (5 – 1,1) / R4.
De plus Id doit être supérieur ou égal à 5mV, donc R4 doit être inférieur ou égal à 780Ω.
Nous choisissons la valeur dans la série E12 : R4 = 680Ω.
Par contre il faut que R1+R2 soit inférieur ou égal à 780Ω, avec R2=330Ω. Nous choisirons R1 dans
la série E12 : R1 = 360Ω.
• Gestion des capteurs de fin de course :
Pour chaque bras nous utiliserons deux capteurs de fin de course : fin de course intérieur et fin de
course extérieur. Les capteurs seront du type N.O. (Normaly Open), lorsque le bras est rentré la
butée intérieure est appuyée (les bornes du capteur sont court-circuités). Lorsque le bras est sorti,
c’est la butée extérieure qui est appuyée donc c’est ce capteur qui est court-circuité. Par
construction (mécanique), les deux contacteurs ne peuvent jamais être appuyés en même temps !
Par contre, lorsque le bras est en déplacement, soit il rentre ou soit il sort, alors les deux butées sont
relâchées.
Chaque capteur est relié directement en parallèle sur la diode de l’opto-coupleur, lorsque le capteur
est relâché la diode émet de la lumière le moteur est alimenté (le bras rentre ou sort), dès que le bras
est rentré ou sorti, la butée court-circuite la diode qui émettait de la lumière (celle-ci n’en émet plus)
et le moteur s’arrête.
Témoins lumineux :
Afin de vérifier la présence des tensions d’alimentation, nous avons placé une DEL rouge sur
l’alimentation faible puissance (+5v) et une autre sur l’alimentation de puissance (12V). De plus,
nous plaçons deux diodes (une jaune et une verte) par moteur (montées têtes bêches) pour visualiser
si le moteur est alimenté et son sens de rotation.
Fonctionnement général :
Au repos, le bit de commande est à l’état bas, le bras rentre jusqu'à ce qu’il rencontre le capteur de
fin de course intérieur. Dès qu’il le pousse, nous considérons que le bras est rentré. Dans ce cas le
capteur se met en court-circuit (capteur NO), étant donné qu’il est relié directement en parallèle sur
la diode de l’optocoupleur, celle-ci n’émet plus de lumière (car court-circuitée) donc le pont en H
n’alimente plus le moteur et le bras reste à l’intérieur. Lorsque nous voulons faire sortir le bras,
nous positionnons un état haut sur l’entrée de commande, le bras sort jusqu'à ce qu’il rencontre le
capteur de fin de course extérieur. Dès qu’il le pousse, nous considérons que le bras est sorti. Dans
ce cas le capteur se met en court-circuit (capteur NO), étant donné qu’il est relié directement en
parallèle sur la diode de l’optocoupleur, celle-ci n’émet plus de lumière donc le pont en H
n’alimente plus le moteur et le bras reste à l’extérieur.
Remarque : si le bras est sorti (bit de commande à l’état haut) et si nous poussons mécaniquement le
bras vers l’intérieur, dès que le capteur de fin de course détectera que le bras n’est plus sorti, le
moteur sera alimenté pour re-sortir le bras (jusqu'à ce qu’il rencontre la butée). Même chose si le
bras est rentré (bit de commande à l’état bas), et que nous le tirons mécaniquement vers l’extérieur,
le moteur sera alimenté pour faire rentrer le bras.
Nomenclature
Nom
Valeur
Divers
R2, R7
R1, R4, R6, R9
R5, R14, R17
R15, R16, R18
R10, R11, R12,
R13
R19
330Ω
360Ω
470Ω
1KΩ
1/4W
1/4W
1/4W
1/4W
4.7KΩ
6.8KΩ
1/4W
1/4W
R3, R8
C4
C2
C3
C1
D1, D2
D3, D5
D4, D6
Q1, Q2
U1, U2, U3, U4
U5
U6
22KΩ
10nF
100nF
1uF
10uF
DEL Rouge
DEL Verte
DEL Jaune
2N2222
4N25
L298N
NE555
1/4W
Tentale
Tentale
Chimique polarisé
Chimique polarisé
TO-18
Dip 6
Multiwatt 15
Dip 6
Schéma électrique :
Figure 6 : schéma de la carte complète.