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 Arrêt
0 1 12 volts Rotation dans un sens (pour sortir le bras)
1 0 -12 volts Rotation dans l'autre sens (pour rentrer le bras)
1 1 0 volt 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 = 1K ; R19 = 6,8K ; C3 = 1uF.Ω Ω
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 : = tb / T = 53,4%.α
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)