instructions assembleur -"dans un" -supplémentaires

March 2003
Phys. Chem. News 10 (2003) 39-45
PCN
CONCEPTION ET RÉALISATION D’UNE ALIMENTATION
STATIQUE ININTERRUPTIBLE COMMANDÉE PAR MICROCONTRÔLEUR
POUR ÉQUIPEMENTS MÉDICAUX HAUTEMENT SENSIBLES
K. Faitah*, A. Achachi
Laboratoire de Génie Electrique (L.G.E), Département de Physique, Faculté des Sciences,
Université Ibn Tofail, B.P.:133. 14000, Kénitra, Maroc
* Corresponding author. E-mail : [email protected]
Received : 04 February 2002; revised version accepted : 23 August 2002
Abstract
The purpose of this work is to conceive and realize a supply controled by microcontrolor for medical’s
equipments with high faithfulness in order to detect any cut or micro-cut of the sector’s current electric,
to fight against any voltage’s variation or frequency’s variation, and replace the sector (220 V - 50 Hz)
when a cut-out electric produces. A digital control system, piloted by the microcontrolor, is realized for
supervising any time all disturbance of medical’s equipements.
Keywords : Microcontrolor; Modulation SWM; Supply; Digital control.
Résumé
L’objectif de ce travail est de concevoir et réaliser une alimentation microcontrôlée, destinée aux
équipements médicaux à haute fidélité, tels les équipements de dialyse, de contrôle électrocardiogramme,
scanner..., en vue d’assurer par exemple l’éclairage et la réspiration artificielle lors d’une opération
chirurgicale, de détecter toute coupure ou micro-coupure du courant du secteur, de lutter contre les
variations de tension et les variations de fréquence et prendre, d’une part la relève en cas de coupure
totale du courant du secteur et d’alimenter d’autre part l’équipement médical.
Une commande numérique à base de microcontrôleur est élaborée pour surveiller en permanence toute
perturbation électrique à l’entrée de l’équipement.
Mots clés : Microcontrôleur ; Modulation MLI ; Alimentation ; Contrôle numérique.
• Deux signaux MLI (modulés en largeurs
d’impulsions) et déphasés à la mi-periode du
secteur, permettant de fournir une tension
pratiquement stable de valeur efficace 220V et de
fréquence 50Hz.
• Un train d’impulsions modulées en position,
surveillant l’énergie emmagasinée dans la batterie
d’accumulateurs utilisée lors de la présence du
secteur et celle dissipée lorsque le secteur est
coupé,
ce qui contribue à l’élévation de
l’autonomie de l’alimentation.
1. Introduction
L’alimentation statique ininterruptible, comme
l’illustre la figure 1, est une interface placée entre
le réseau (secteur électrique) et l’équipement
médical. Elle est destinée à corriger les
surtensions, le bruit ou la baisse de tension. De
plus elle offre une source d’alimentation
secondaire qui remplace, sans microcoupure, la
source primaire lorsque celle-ci est déficiente.
Nous avons élaboré un programme écrit en
assembleur et exécuté par un micocontrôleur afin
de générer :
- Batterie
- Chargeur
secteur
220V - 50Hz
Onduleur
~/-
Microcontrôleur
Figure 1 : Schéma synoptique de l’alimentation ininterruptible.
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L’équipement
médical
K. Faitah and A. Achachi, Phys. Chem. News 10 (2003) 39-45
2. L’onduleur :
continu/alternatif
La
conversion
•
et enfin la quantité mémoire RAM et
EEPROM du microcontrôleur.
Une étude comparative entre ces différentes
techniques nous a mené à choisir le 68HC11F1
dont nous avons réalisé son programmateur,
illustré par la figure 3.
courant
2.1 Le circuit de puissance [1]
Pour obtenir une tension alternative à partir
d’une batterie de 12V, il suffit d’utiliser un
transformateur doté d’un primaire à prise centrale
et piloter deux Hexfets (VMOS de puissance) par
deux signaux MLI déphasés de 180 degrés.
D’après la figure 2, les filtres L/C placés entre les
sorties des deux Hexfets et le primaire du
transformateur, servent à transformer toutes les
impulsions présentes dans le signal carré en une
tension sinusoïdale.
2.2.2 Modulation MLI [4]
Comme nous l’avons déjà avancé, les signaux
de commande des bras de l’onduleur (les Hexfets
de puissance), doivent être modulés en largeurs
d’impulsions. Toutefois dans ce travail, il est
inutile d’utiliser un bloc d’isolation entre le circuit
de commande et le circuit de puissance, étant
donné que la protection entre ces deux circuits est
assurée par les VMOS dotés des grilles isolées.
Dans la figure 4a, le circuit numérique à base de
portes
logiques
protège
la
batterie
d’accumulateurs de 12V contre tout court-circuit
par :
l’établissement d’un déphasage de 180°
entre les deux signaux MLI ;
- le décalage horaire entre l’instant de fermeture
d’un Hexfet et l’instant d’ouverture de l’autre et
inversement [5].
Pour avoir à la sortie de l’alimentation un signal
sinusoïdal, les impulsions MLI doivent être
générées avec un rapport cyclique bien précis,
variant de 1% à 99%, puis de 99% à 1% tout les
10 ms (demi-cycle), nous avons pour cela élaboré
un programme écrit en assembleur dont
l’organigramme est représenté par la figure 4b et
exécuté par le microcontrôleur.
Filtre L-C
K'1
ik'1
I'
Vk'1
D'1
U'
V'1
Batterie
+
-
i
n1/2
E
V1
n2
n1/2
~
K1
Vk1
ik1
K1, K'1 : Interrupteurs statiques
D1
Figure 2 : Montage du convertisseur continu/alternatif.
2.2. Circuit de commande
Le choix du microcontrôleur [2]
Pour le choix du microcontrôleur, nous avons
opté pour celui qui exploite le plus, les ressources
matérielles et logicielles. Notre solution est basée
sur les variantes suivantes :
• la réduction de l’encombrement matériel et du
circuit imprimé ;
2.2.3. Contrôle de l’amplitude du signal de sortie de
l’onduleur
Si la tension de sortie doit subitement
augmenter ou diminuer sous l’effet de la décharge
de la batterie lors de la coupure du secteur, l’étage
de contrôle illustré par la figure 5 prélève une
fraction de la tension de sortie, la compare à une
référence «image de la tension à réguler (soit
220V)», puis agit sur le programme de génération
de la MLI par l’intermédiaire d’une ligne
d’interruption du timer programmable du
microcontrôleur [6].
•
la richesse du jeu d’instructions du
programme ;
•
la vitesse d’exécution du programme ;
•
la facilité de la programmation du
microcontrôleur par un PC en utilisant un logiciel
d’assemblage et de transfert ;
Microcontrôleur
Port D
Oscillateur 2MHz
MAX 232
Port Série
2.2.1
Figure 3 : Programmateur du microcontrôleur [3].
40
Ordinateur
K. Faitah and A. Achachi, Phys. Chem. News 10 (2003) 39-45
Pb0
Vers les bras de
l’onduleur
Circuit logique
Microcontrôleur
Figure 4a : Synoptique de la commande de l’onduleur.
Début
-
-
Configuration du port
Configuration du Timer
Timer en capture d'entrée pour la
régulation de la tension de sortie
Génération des niveaux hauts et bas avec un
rapport cyclique croissant et une période
d'échantillonnage = 100µs
Temporisation
de 5 ms
Génération des niveaux hauts et
bas avec un rapport cyclique
décroissant
Temporisation
de 5 ms
Figure 4b : Algorithme de génération des signaux MLI pour les bras de l'onduleur.
+
Batterie
Timer du
microcontrôleur
bras de
l'onduleur
220 V
50 Hz
Comparaison avec
la consigne
Abaisseur de
tension et
redresseur
Figure 5 : Synoptique de la régulation de la tension de sortie.
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K. Faitah and A. Achachi, Phys. Chem. News 10 (2003) 39-45
les convertit en des valeurs numériques, puis les
traite par un programme assembleur dont
l’algorithme est représenté par la figure 7, et
assure donc la charge de la batterie en respectant
les contraintes suivantes [7]:
•
Courant de charge constant ;
•
détection de fin de charge ;
•
arrêt et reprise automatique de la charge.
3. Chargeur de batterie
La batterie utilisée dans cette réalisation, doit se
charger en permanence par le courant issu du
secteur.
D’après la figure 6, le microcontrôleur reçoit la
tension aux bornes de la batterie et la tension
image du courant de charge de la batterie
(représentée par la tension aux bornes du shunt),
Courant de charge
Secteur
220 V
Secteur
abaissé
~
Redresseur
2
Ic
3
Commutateur
Batterie
1
Vg
ISOLATION
Circuit de
détection de
Interruption
passage à zéro
du
micro.cont
du secteur
Shunt
Vsh
Microcontrôleur
68HC11F1
Vb
Diviseur de
tension
Figure 6 : Montage synoptique du contrôle de la batterie.
DEBUT
-
α
Configuration du CAN.
2 Ports en sortie.
Conversion
terminée ?
Origine du Prog à $FE00
#$03FF
Vbn1<Vbn <Vbn2
S (la pile)
#$1000
X (l’index)
ARRET V
ALARMV
Sélection de la ligne PE0 pour la
conversion de Ic
Génération d’un train
d’impulsions
Conversion
terminée ?
Vshn représente l’équivalent numérique de Vsh
Vshn = Vshnr ?
Sélection de la ligne PE1 pour la
conversion de Vb
REG I
Alarme I
α
Figure 7 : Organigramme du contrôle de charge de la batterie.
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Vbat
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l’illustre la figure 8.
Al’aide du microcontrôleur, nous avons généré
avec une grande fiabilité des signaux MLI pour la
commande des deux bras de l’onduleur,
représentés par la figure 9.
4. Résultats et discussions
Les résultats obtenus montrent que nous avons
pu obtenir des signaux modulés en position pour
le contrôle de la charge de la batterie
comme
Figure 8 : Chronogramme des signaux de contrôle de charge de la batterie.
Figure 9 : Chronogramme des signaux MLI synchrones avec la tension du secteur.
La modulation de largeur d’impulsions des
signaux de commande, le filtre inséré à la sortie de
l’onduleur et la commande numérique à l’aide du
micocontrôleur des différents étages de
l’alimentation, permettent d’aboutir à un signal
sinusoïdal, de fréquence égale à celle du secteur
(soit 50 Hz), sans perturbations hautes fréquences,
comme présenté par la figure 10.
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K. Faitah and A. Achachi, Phys. Chem. News 10 (2003) 39-45
Figure 10 : Chronogramme du signal de sortie de l’onduleur.
Dans la figure 11, une charge expérimentale de
100W est branchée à la sortie de l’onduleur, le
relevé des signaux Ie(t), Ve(t) , et Vs(t), illustré par
la figure.12 montre que les courants et tensions de
l’onduleur restent pratiquement constants en
présence du secteur (pratiquement on a utilisé un
panneau solaire à la place du secteur) et, s’il y a
une diminution, elle n’est causée que par la forte
charge de l’onduleur et la faible puissance du
redresseur/chargeur de la batterie. Le rendement
en énergie étant assez élevé, soit de l’ordre de
90%, les 10% sont transformés en chaleur,
dissipée par les composants électroniques de
l’alimentation dont une grande partie est dissipée
par les bras de l’onduleur qui sont à base de
transistors de puissance [9].
Ie
Is
A
+
Batterie
_
V
A
Onduleur
Ve
V
La charge
Vs
Figure 11: Synoptique de mesures des courants et tensions de l’alimentation.
Figure 12 : Signaux de l’onduleur en charge.
Si l’on débranche la charge de l’onduleur, et en
présence du secteur, les courants d’entrée et de
sortie de l’onduleur restent constants, comme le
montre la figure 13. En coupant le secteur,
l’onduleur prend la relève et une chute de tension
a eu lieu aussi bien aux bornes de la batterie qu’à
la sortie de l’onduleur.
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K. Faitah and A. Achachi, Phys. Chem. News 10 (2003) 39-45
Figure 13 : Signaux de l’onduleur à vide .
Ces deux tensions deviennent par la suite constantes puis diminuent en fonction de la quantité
d’électricité de l’accumulateur et de l’énergie consommée par la charge branchée à l’onduleur.
5. Conclusion
Références
Nous avons conçu et réalisé une alimentation
statique
ininterruptible
autour
d’un
microcontrôleur pour alimenter tout équipement
médical exigeant un courant stable sans
interruption.
Le choix du microcontrôleur réside dans le fait
que ses ressources sont très performantes, son prix
est relativement moins cher, sa capacité d’intégrer
beaucoup de fonctions est évolutive et extensible
de façon remarquable, ce qui rend la carte du
circuit imprimé de toute l’alimentation très
réduite.
Les programmes assembleurs que nous avons
élaborés assurent un fonctionnement efficace de
l’alimentation, ils permettent en particulier :
- La détection des coupures et les microcoupures du secteur ;
- La régulation de la tension de sortie alimentant
l’équipement médical à (220V – 50Hz) ;
- Le filtrage des signaux parasites risquant
d’affecter la tension du secteur ;
- L’autonomie de l’alimentation lors de la
coupure du secteur, soit environ d’une heure.
De plus cette réalisation permet aussi de
diversifier la puissance générée à l’équipement
médical en insérant dans son circuit d’autres
Hexfets montés en Darlington et en changeant la
batterie et le transformateur.élévateur.
[1] Revue: la nouvelle électronique (Février
1995)
56-75.
[2] C. Tavernier, Microcontrôleur 68HC11
versions uvprom et eeprom. Description. Editions
Dunod (1994) 43-73.
[3] Electronique pratique. Revue n°225. (Mai
1998) 80-88.
[4] F. Labrique, G. Seguier, Volume (4). La
conversion alternative/continu. Edition Lavoisier
Technique et Documentation (1989) 120-134.
[5] R. J. Tocci, Circuits numériques : théorie et
application 2e édition (1992) 94 -124
[6] T. Amane, D. Aziz, Réalisation d’un
convertisseur DC/DC – DC/AC Entrée 24V Sortie
220V-400W. Projet de fin d’études de l’Université
Mohamed V Ecole Mohammadia d’ingénieurs.
(1998) 50-70.
[7] C. Tavernier, Microcontrôleur 68HC11
Version uvprom et eeprom. Application. Editions
Dunod (1997) 113-121.
[8] K. Agboussou, J. L. Dion, A. Cherti, M.
Abdelkrim, UQTR Trois – Rivières – Canada.
Colloque : (SEEPCI’99), organisé à l’EST
d’Oujda. (17 et 18 mai 1999) 281-286.
[9] Site Internet :
http:// www.ifrance.com/electronet/ chargeur.htm.
[10] A. Hamyani, Thèse de Doctorat National,
« Conception et réalisation d’un cardiogramme
commandé par ordinateur ».
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