BE Trottinette - Etud.insa

4AE-SE/IS
BE Trottinette – UF Chaîne d'acquisition et commande numérique
BE Trottinette
(UF Chaîne d'acquisition et commande numérique)
Table des matières
1.Objectifs............................................................................................................................................2
2.Evaluation..........................................................................................................................................2
3.Description globale (point de vue électrique)...................................................................................3
3.1.La trottinette : description du système à commander................................................................3
3.2.Le dispositif de commande et d'adaptation électronique...........................................................3
3.3.Vue globale de l'ensemble trottinette + commande ..................................................................4
4.Présentation détaillée des éléments constitutifs de la trottinette.......................................................5
4.1.Le moteur...................................................................................................................................5
4.2.Le capteur de courant.................................................................................................................5
4.3.Le capteur de vitesse..................................................................................................................6
5.Présentation détaillée des éléments constitutifs de la commande.....................................................6
5.1.La plaque d'essai........................................................................................................................6
5.2.La carte micro-contrôleur..........................................................................................................7
6.Présentation des dispositifs logiciel / matériel de simulation............................................................7
6.1.Simulation sous KEIL................................................................................................................8
6.2.Simulation matérielle de l'ensemble moteur–capteur de courant .............................................8
6.3.Simulation matérielle de l'induit du moteur, 6A max................................................................9
6.4.Simulation matérielle de la trottinette........................................................................................9
7.Spécifications..................................................................................................................................10
7.1.Spécifications de la boucle de courant (couple) .....................................................................10
7.2.Spécifications de la boucle de vitesse......................................................................................11
7.3.Spécifications des traitements de capteur ...............................................................................11
8.Méthode de travail...........................................................................................................................12
8.1.Sous Matlab.............................................................................................................................12
8.2.Sous KEIL................................................................................................................................12
8.3.Sur plaque d'essais...................................................................................................................12
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1. Objectifs
•
Concevoir un asservissement numérique de couple et de vitesse d'un moteur pour trottinette
électrique. L'accent est mis sur l'autonomie et la prise d'initiatives.
Pour cela il faudra franchir plusieurs étapes :
•
Analyser le système existant (éventuellement, exploiter le dossier relatif à un ancien système
hybride analogique / numérique)
•
Concevoir une électronique de traitement des capteurs (courant, tachymètre)
•
Modéliser le dispositif sous MATLAB en temps continu
•
Concevoir le correcteur en temps continu
•
Discrétiser le correcteur, choisir une fréquence d'échantillonnage
•
Analyser l'impact de l'échantillonnage sur la stabilité du système
•
Mettre en oeuvre la ou les commandes sur STM32F103RB, KEIL.
Contraintes :
•
Système embarqué, tensions disponibles 0V, 5V et 18V.
•
Réalisation électronique sur plaque d'essais
•
Utilisation d'un simulateur de capteur courant
•
Utilisation d'une charge R-L 6A max pour simuler l'induit du moteur
•
Utilisation d'une trottinette de table
•
Utilisation de la trottinette réelle
•
Travail sous KEIL, possibilité d'utiliser vos modules périphériques, ou d'utiliser une
bibliothèque toute faite (.a et .h, aucun fichier source C donné).
•
Obligation de hiérarchiser le logiciel en couches Appli / Service / Périphérique
2. Evaluation
Le travail de bureau d'étude (les 8 séances) donne lieu à une note. Celle-ci sera basée sur la lecture
d'un rapport de conception à remettre en fin de BE, et sur l'investissement en TP (contrôle continu).
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La note pourra être différenciée au sein d'un même binôme.
Critère d'évaluation du rapport :
– la structure du rapport
– la clarté des explications
– la qualité des calculs de conception (littéral puis numérique)
– la richesse des mesures faites ainsi que leurs précisions et leurs commentaires
(explication de chaque mesure, axes des chronogrammes....)
– la capacité à critiquer ses propres mesures (comparaison théorie / simulation/ réalité des
mesures)
– Avancement dans le projet, adéquation au cahier des charges
3. Description globale (point de vue électrique)
3.1. La trottinette : description du système à commander
Du point de vue du fonctionnement électrique, elle est constitué de :
– 1 moteur 24V/100W (pouvant accepter presque 10A au démarrage et au freinage
– 1 carte de puissance qui comprend un hacheur 4 quadrants, le capteur de courant, les
alimentations 0V, 5V et 18V / 500mA maxi au total
– 1 capteur de vitesse (petit moteur cc en génératrice)
– 2 batteries de 12V en série qui donnent 24V /10A
– 1 potentiomètre de consigne 2,2KΩ.
3.2. Le dispositif de commande et d'adaptation électronique
Afin de commander le système décrit précédemment, il faut rajouter les éléments de commande:
– 1 Carte micro-contrôleur, essentiellement basée sur un STM32F103RB
– 1 carte d'adaptation capteur (une plaque d'essais en fait).
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3.3. Vue globale de l'ensemble trottinette + commande
Arbre
moteur
Roue
crantée
E Batt
I Batt
Batterie
24V / 10A
IM
Carte
puissance
UM
Moteur
24V/100W
Capteur
de vitesse
Carte micro
P WM+
P WM-
0V
5V
In+
18V
VCourant
In-
Capt.
Courant
Plaque d'essais
VVitesse
Info_Vitesse
Info_Courant
Courroie de
transmission
crantée
Potentiomètre
de consigne
Roue
arrière
Légende des blocs:
Blocs appartenant à la trottinette
Blocs appartenant à la commande
Légende des signaux :
Reférence 0V
Alimentation positive, 3,3V ou 5V ou 18V
24V, courant important
Signaux de type information
Signaux hybrides (information + puissance)
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4. Présentation détaillée des éléments constitutifs de la
trottinette
4.1. Le moteur
Il s'agit d'un moteur d'une qualité très moyenne, à forte résistance d'induit.
Caractéristiques électriques de l'induit :
Résistance de l'induit
: R=1,0 Ω
Inductance de l'induit
: L=2 mH
Vitesse maximale
: 3000 tr/mn
Puissance absorbée nominale , Pabs: 100W
Puissance restituée à l'arbre
: = …pas tant que ça !
4.2. Le capteur de courant
B
IP
Tore magnétique
Is
Primaire,
courant élevé
(<15A), 3 spires
environ
+
-
Secondaire,
courant faible
(qques
mA),2000
spires environ
Sonde à effet
Hall
Principe de fonctionnement :
Le schéma présenté est un capteur de courant de type “boucle fermée”. Il utilise un capteur à effet
Hall inséré dans un tore magnétique. Lorsqu'un courant Ip traverse l'enroulement primaire, il va
induire un champ magnétique B. L'amplitude de ce champ dépend du produit Np.Ip, où Np est le
nombre de spires primaires. Comme Ip est susceptible d'être élevé, Np est faible.
Au niveau du secondaire, on peut observer une boucle de régulation. La consigne (entrée +) est
nulle. La boucle de régulation va donc agir de manière à ce que le capteur (sonde qui délivre un
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signal image de B) donne une valeur nulle. Ceci est possible grâce à l'amplificateur qui attaque
l'enroulement secondaire. Il va envoyer un courant Is tel que Ns.Is = Np.Ip. Ainsi, le secondaire va
contrer exactement le champ induit par le primaire.
Conclusion : Le champ B dans le tore est nul, le courant Is est l'image de Ip. Un simple circuit
(voir documentation constructeur) de type conversion courant/tension, permet de récupérer une
tension à l'image du courant primaire.
Rem: Le courant secondaire Is est faible. C'est pourquoi il est nécessaire d'insérer un si grand
nombre de spire (2000).
Rem: L'intérêt de ce type de capteur à boucle fermée est que la mesure d'un courant continu est
possible. De plus le champ B étant faible, il n'y a pas de problème de saturation du tore.
Caractéristiques techniques du capteur LTS6NP:
Tension d'alimentation
: 5V
Nombre de spires primaire
:1
Tension de polarisation
: 2V5
Sensibilité (1 tour au primaire)
: SI=104mV/A
4.3. Le capteur de vitesse
C'est un petit moteur qui fonctionne en génératrice : son arbre est entrâiné directement par le moteur
de la trottinette. Il produit une tension proportionnelle à la vitesse angulaire. La tension d'induit est
flottante.
Caractéristiques techniques du capteur de vitesse:
Constante de vitesse, KV
ou, compte tenu du réducteur et de la roue
: 4mV / (tr/mn)
: 1,2V/(km/h)
5. Présentation détaillée des éléments constitutifs de la
commande
5.1. La plaque d'essai
Elle regroupe au moins deux fonctions (à
concevoir) :
– traitement du capteur de courant
– traitement du capteur de vitesse
Vers carte micro
Le connecteur permet d'amener les alimentations
5V et 18V. Des fils rigides seront utilisés pour
alimenter la carte micro ainsi que pour faire
transiter les signaux.
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5.2. La carte micro-contrôleur
La carte à micro-contrôleur qui est livrée, dispose de 3
connecteurs. On n'utilisera que le connecteur B, c'est à
dire celui disposant de 6 borniers individuels.
Connecteur B
Voici les connectiques à disposition :
Broche de la carte
Fonction secondaire
Fonction secondaire
Fonction secondaire
PA2
ADC2
USART2_TX
TIM2-CH3
PA3
ADC3
USART2-RX
TIM2-CH4
USART1-TX
TIM1-CH2
PA9
PB14
TIM1-CH2N
PB0
ADC8
TIM3-CH3
PB1
ADC9
TIM3-CH4
6. Présentation des dispositifs logiciel / matériel de simulation
Afin de développer la commande du moteur, on vous propose plusieurs dispositifs permettant sa
mise au point. Parmi ceux-ci, on peut citer :
– Simulation sous KEIL du moteur (comportement électrique, voire même mécanique) :
fichier de simulation de type .ini
– Simulation matérielle de l'ensemble moteur–capteur de courant (comportement électrique
du moteur) : permet de tester la boucle de courant, sans débiter de puissance.
– Simulation matérielle de l'induit du moteur (bobine + résistance). Permet de tester la boucle
de courant sans être perturbé par la fem du moteur. Dans ce cas, le circuit de puissance peut
débiter jusqu'à 6A.
– Simulation matérielle de la trottinette. On peut simuler l'ensemble du dispositif (courant,
vitesse), mais la trottinette est à vide (pas de couple résistant sur la roue). On utilise ici un
dispositif de récupération d'énergie que l'on place sur l'alimentation de puissance.
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6.1. Simulation sous KEIL
Un document pdf (DebogageSTM103_107.pdf) est disponible sur le site. Il rappelle les principales
informations à connaître pour bien utiliser un fichier de simulation de type .ini.
L'idée de base est de créer un modèle du moteur à temps discret. Voici résumé sous forme de
schéma bloc :
L'analyseur logique permettra d'observer en temps réel, les signaux (aussi bien les tensions
analogiques que le rapport cyclique de PWM, considéré comme analogique, en fait quantifiée).
L'élaboration du modèle discrétisé se fait avec MATLAB par exemple. Il faudra être rigoureux sur
les entrées / sorties du système et notamment prendre garde aux échelles de variation en entrée et en
sortie.
6.2. Simulation matérielle de l'ensemble moteur–capteur de courant
Il s'agit d'une petite carte électronique qui vient se connecter en sortie du hacheur 4 quadrants. Elle
délivre en sortie une tension similaire à celle que l'on observerait en sortie de capteur si le moteur
était branché.
Voici pour information le schéma de la carte :
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Le connecteur d'entrée (P2) reçoit les sorties hacheur. La sortie “capteur” est disponible sur le
connecteur P1.
La carte doit être alimentée en 0/-15V/+15V. La référence 0V du hacheur peut être reliée à la
référence 0V de la carte de simulation, mais ce n'est pas une obligation.
6.3. Simulation matérielle de l'induit du moteur, 6A max
Lorsque la simulation “sans puissance” est validée, on peut passer à un essai de puissance. Pour cela
on met à disposition une résistance de 1 Ω / 60W et une self de 1mH. L'ensemble supporte jusqu'à 6
A. Au delà le noyau de la bobine sature et la self devient fortement non-linéaire. Sa valeur se met
alors à chuter, entraînant des pertes et une ondulation de courant beaucoup trop importante.
Ce dispositif est donc représentatif de l'induit du moteur avec une fcem E = 0.
NB: La valeur de self est deux fois plus petite que celle mesurée sur le moteur. Cela n'empêche pas
de faire des mesures comparatives (modification de L sous KEIL).
NB: Ce test est à faire en présence de l'enseignant. En effet si l'ensemble est mal configuré
(logiciel non fonctionnel, erreur de câblage), le hacheur peut être détruit très rapidement.
6.4. Simulation matérielle de la trottinette.
Avant de faire un test réel sur la “vraie” trottinette, on peut utiliser le banc d'essai trottinette. On a
alors accès à l'ensemble des organes réels qui composent l'engin. La seule restriction est que la roue
est sans contact au sol (à vide).
NB : Ne jamais approcher les doigts de la roue. Si elle est en prise sous 100W délivrés par
l'alimentation, vous risquez de graves blessures à la main (doigt ouvert, fracture).
Récupération d'énergie :
Au cours de l'utilisation de la trottinette, il est des situations où celle-ci sera en mode moteur
(montée d'une pente, accélération sur le plat...). Dans ce cas, le transfert d'énergie se fait de la
batterie vers la moteur. A l'inverse, la trottinette peut se retrouver en mode récupération d'énergie.
Ce cas se produit lors d'une forte descente, où l'on cherchera à maintenir une vitesse constante : le
couple imposé à la roue est inversé. C'est également le cas sur le plat lors d'un freinage à contrecourant (inversion forte du couple). Dans ce cas, la tension moteur reste inchangée, mais le courant,
lui s'inverse : la batterie se recharge grâce au moteur qui a basculé dans un mode générateur.
L'alimentation de puissance non réversible en courant :
Lors de l'utilisation de la trottinette “de table”, on utilise une alimentation de puissance non
réversible en courant. Or, si le moteur est lancé à pleine vitesse et si on demande un couple négatif
(tout à fait possible), alors de manière ponctuelle, le courant est renvoyé vers l'alimentation. Il se
produit une surtension (typiquement plus de 50V pour 24V demandé !) qui peut détruire
l'alimentation.
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Le dispositif de récupération d'énergie ponctuelle
C'est une carte électronique qui vient s'insérer entre l'alimentation et la trottinette. Basiquement, il
s'agit d'un transistor PNP de puissance dont le collecteur est placé sur le 0V et l'émetteur sur le 24V
de l'alimentation. Sa mise en conduction, contrôlée en continu de manière linéaire, permet de
dériver le courant injecté par le hacheur. Ce dernier circulera dans le transistor évitant à
l'alimentation toute absorption de courant.
NB: La durée de freinage doit être courte (1s maximum). En effet le transistor n'est pas
dimensionné pour recevoir 100W de manière permanente.
Voici le schéma électronique du récupérateur d'énergie, à titre d'information :
7. Spécifications
7.1. Spécifications de la boucle de courant (couple)
Fréquence de transition en boucle ouverte
Marge de phase du système
Erreur régime permanent
Etendue de la régulation
Type de correcteur
Alimentation de la commande (micro et électronique)
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: 300Hz à 500Hz
: 45 à 90°
: nulle (au bruit près)
: [-10A ; +10A]
: numérique, microcontrôleur
: 5V
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7.2. Spécifications de la boucle de vitesse
Fréquence de transition en boucle ouverte
Marge de phase du système
Erreur régime permanent
Etendue de la régulation
Type de correcteur
Alimentation de la commande (micro et électronique)
: 10Hz à 20Hz
: 45° à 60°
: nulle (au bruit près)
: [-10km/h ; +10km/h]
: numérique, microcontrôleur
: 5V
7.3. Spécifications des traitements de capteur
Le traitement analogique des capteurs doit être tel que la tension de sortie, dirigée vers les ADC,
soit adaptée au mieux aux plages d'entrée de l'ADC. C'est très important si l'on souhaite une
résolution (donc une précision) fine.
Par ailleurs, il faut éviter le repliement de spectre. Donc, ces électroniques de traitement
contiendront obligatoirement un filtre passe-bas. On se limitera à l'usage d'un seul potentiomètre
par traitement de capteur, pour régler l'ordonnée à l'origine.
7.3.1. Spécification du traitement du capteur de courant.
Voici la caractéristique statique attendue concernant l'information courant :
Zone tolérée pour
la droite de
transfert
VADC
3,3V
1,65V
80 % de 3V3 au minimum
-10A
+10A
I
7.3.2. Spécification du traitement du capteur de vitesse.
Voici la caractéristique statique attendue concernant l'information vitesse :
Zone tolérée pour
la droite de
transfert
VADC
3,3V
1,65V
-10km/h
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80 % de 3V3 au minimum
+10km/h
I
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8. Méthode de travail
8.1. Sous Matlab
Le travail sous MATLAB / SIMULINK se fera d'abord en temps continu, puis discret. Le projet
sera basé sur un ou plusieurs fichier .m.
Il est explicitement demandé d'utiliser des variables facilement modifiables et dont tout le projet
dépend. On peut citer par exemple :
– Fe : fréquence d'échantillonnage
– Ft : fréquence de transition
– L, R
– …
Tout changement de ces variables, placées en tête de fichier doit entraîner une modification en
conséquence des coefficients du correcteur (continu ou numérique) ainsi que du comportement sous
SIMULINK. Il est donc bien évident qu'un raisonnement littéral est incontournable.
8.2. Sous KEIL
Le logiciel sera structuré comme cela a été vu en UF périphérique de micro-contrôleur, c'est à dire
en couche application, service, périphérique.
De la même manière que dans MATLAB, on fera apparaître les principales constantes dont le
correcteur dépend, c'est à dire Te, Ft, L, R...(les mêmes que dans MATLAB). Il faudra donc prévoir
une fonction qui calcule au démarrage, les coefficients du filtre numérique.
L'utilisateur doit pouvoir changer à volonté les constantes, lancer une nouvelle compilation pour
avoir le correcteur à jour.
8.3. Sur plaque d'essais
On veillera, comme c'est l'usage, à couper le fils au plus court, et à utiliser les couleurs
conventionnelles. Pour les AOP, on pourra, ci nécessaire utiliser des LM662 (AOP rail to rail).
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