Portunus : un simulateur mécatronique (première partie) Michel OURY [1] Au début de l’ère de la micro-informatique, les simulateurs se classaient dans des familles bien fixées, électronique analogique (Spice…), numérique (Orcad, Protel…) ou de puissance (Circuit…). Puis ces familles se sont rejointes, et aujourd’hui tous ces logiciels permettent de simuler aussi bien des circuits de l’un de ces domaines que d’un autre et même de mixer l’analogique avec le numérique et la puissance. Par contre, à ma connaissance, aucun logiciel n’était vraiment orienté mécatronique, partant du simple composant analogique, passif (condensateur, résistance…) ou actif (diode, ampli linéaire, IGBT…), et aboutissant à la machine tournante et à sa charge. Or, nous devons aujourd’hui travailler sur des systèmes pluritechnologiques… Alors, l’arrivée de Portunus, qui vient combler ce vide, est vraiment la bienvenue. Des ressources pluritechnologiques Portunus est un simulateur pluritechnologique 1 . On s’en rend immédiatement compte en observant tout simplement la liste des répertoires de composants disponibles : sources de tension et de courant continues (mono et triphasées), fonctions de temps (rectangulaires, triangulaires, impulsionnelle, PWM…), composants passifs (linéaires, non linéaires, incluant les charges mono et triphasées…) et actifs (de la diode au transistor en passant par les ALI, thyristors…), interrupteurs et relais, blocs fonctionnels (additionneurs, dérivateurs, échantillonneur bloqueur, gain, G(s) et G(z)…), caractéristiques (table 2D, fonction exponentielle…), ­machines d’état, toutes les machines élec­triques (MCC, triphasée synchrone et asynchrone, moteur pas-à-pas, transformateurs), dispositifs de mesure (voltmètre, wattmètre, FFT…) et enfin charges mécaniques, incluant capteurs de position et de vitesse. Outre ces fonctions nouvelles et très performantes, Portunus dispose éga[1] Professeur agrégé de génie électrique au lycée Jean-Perrin de Saint-Ouen-l’Aumône (95). Courriel : [email protected] 48 technologie 149 lement d’un module de biblio­thèques Spice et d’un autre pour les tests thermiques 2 3 . Une conception classique Un schéma se met au point très classiquement, par glisser-déposer d’oc- 1 Des choix pluritechnologiques Avril 20 07 mots-clés contrôle et métrologie, électronique, logique, postbac 2 Des modèles Spice currences de composants obtenus à partir des modèles inclus dans les bibliothèques. Prenons l’exemple d’un redresseur monophasé double alternance. Sa construction nécessite une source de tension sinusoïdale monophasée. Pour en disposer, il faut placer sur la page de schéma une source de tension et une fonction sinus. Dans Portunus, les sources peuvent servir à des simulations dans trois domaines indépendants, le domaine continu DC (vision des grandeurs physiques à un instant t), le domaine fréquentiel AC et le domaine temporel. Celui qui nous intéresse étant le domaine temporel, nous avons donc besoin d’une source de tension et d’une fonction mathématique sinus, que vous allez importer par glisserdéposer, respectivement de la bibliothèque des sources et de celle des fonctions de temps. 3 Une bibliothèque thermique Il nous faut maintenant définir comme fonction de temps de notre source de tension la sortie (OUT) de la fonction sinus. Pour ce faire, cliquez avec le bouton droit sur la fonction sinus afin d’atteindre ses propriétés 4 . Plusieurs cases à cocher permettent de sélectionner les grandeurs que l’on souhaite voir apparaître à l’écran lors d’un survol du pointeur sur la fonction sinus, ainsi que la sortie OUT choisie et le nom de cette fonction, par exemple SINE1 sur l’écran 4 . L’onglet Parameter permet de définir l’amplitude crête, la phase à l’origine, la fréquence et l’offset de cette fonction. Une fois tout cela fait, ouvrez de la même façon, par un clic droit, les propriétés de la source de tension, et indiquez simplement que son para­ mètre temporel (TR) est la sortie de la fonction sinus précédente, c’est-àdire SINE1.OUT 5 . Il ne nous reste plus qu’à placer les diodes et la charge RC (avec R = 100 W et C = 100 mF), puis à les lier par des fils (wires), comme dans tous les autres logiciels de simulation analogique. La diode est disponible dans le répertoire des semi-conducteurs de la 6 Les caractéristiques 4 La définition des paramètres de la fonction sinus 5 La source de tension est liée à la sortie de la fonction sinus 7 La recherche d’une caractéristique dans la liste Avril 20 07 technologie 149 49 8 Le choix de la caractéristique linéaire 9 La définition des paramètres de la caractéristique La préparation de la simulation La simulation se lance alors simplement en définissant les courbes que l’on souhaite voir à l’écran, soit en cliquant sur l’icône du tracé soit par le menu Modelling, puis OffSheet Display. Deux modes de tracé de courbes existent en effet, le mode On Sheet (sur la feuille) et le mode OffSheet (en dehors de la feuille). Dans le premier, le tracé se fera sur la feuille de schéma, dans le second au-dessus du schéma. Ce choix fait, il faut définir 10 Le schéma terminé 50 technologie 149 bibliothèque Portunus, et, comme à la source de tension, il faut lui adjoindre un modèle (ce qui sera l’occasion de rappeler aux élèves ce que peut être le modèle d’une diode). On a le choix, au rayon des caractéristiques de la bibliothèque, entre une caractéristique linéarisée, une autre exponentielle et une dernière permettant de définir une fonction quelconque f(x) issue d’un tableau de points 7 . Si l’on choisit l’approximation linéaire par partie, en plaçant sur le schéma son icône, il reste à établir le lien entre la diode et son modèle. Un clic droit sur la diode permet d’atteindre ses propriétés. Puis, en plaçant le curseur dans la zone de saisie de la caractéristique, on peut d’un nouveau clic droit ouvrir une liste de choix parmi lesquels on retrouve bien sûr la caractéristique linéaire 7 8 . Cette dernière peut être ajustée selon les besoins en fixant la tension de seuil, la résistance dynamique et la résistance de la diode à l’état bloqué 9 . Lorsque tous vos composants sont placés, n’oubliez surtout pas le potentiel de référence (ground), qui se trouve dans la barre des icônes ainsi que dans le menu Modelling. Les valeurs des composants passifs R et C sont tout simplement données dans la fenêtre de leurs propriétés (à laquelle on accède par un clic droit sur le composant). Nous aboutissons alors à l’écran 10. Un très bon tutoriel animé, en anglais, est disponible pour rappeler tous les principes essentiels à la conception d’un schéma. Avril 20 07 les courbes à tracer : une fois le curseur dans la zone de saisie, un clic droit puis « Browse Values » et un clic sur le bouton Add ajoutent la courbe tension ou courant dans la fenêtre de tracé. Lorsque l’on choisit un composant, E1 par exemple, on accède aux diverses grandeurs physiques qui le concernent (tension V, courant I…) en cliquant sur le signe « + » qui permet d’ouvrir les valeurs physiques disponibles, comme sur l’écran 11 . Une fois ces grandeurs choisies, il ne reste plus qu’à lancer la simulation en cliquant sur l’icône TR (réponse en fonction du temps) dans la barre des icônes. Le tracé se fait alors audessus du schéma. Les courbes sont clairement identifiées par différentes couleurs 12 . Le fonctionnement est parfait, les composants très simples à paramétrer. Il est possible de copier l’image du tracé dans le presse-papier pour l’insérer dans un document ou l’imprimer, mais il n’y a pas de fonction Imprimer dans Portunus, ce qui est pour le moment son seul (léger) défaut. 11 Le choix des grandeurs physiques associées aux composants Ce logiciel, nouveau dans la gamme, dispose d’une interface graphique très soignée. Mais, ce qui le distingue vraiment des autres, outre les diverses caractéristiques que nous venons de voir, c’est l’existence des machines d’état et des machines tournantes avec leurs charges, que nous présenterons dans un prochain article. Comment se procurer le logiciel ? Portunus est distribué par : Cedrat 12 Le résultat : un tracé très propre 15, chemin de Malacher, Inovallée 38246 Meylan Cedex Tél. : +33 (0)4 76 90 50 45 Fax : +33 (0)4 56 38 08 30 Courriel : [email protected] Site : www.cedrat.com On peut consulter la présentation de Portunus à cette adresse : http://www.cedrat.com/software/ portunus/pdf/Portunus_info_leaflet.pdf Avril 20 07 technologie 149 51