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Constituants des chaînes...
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Lycée P.Corneille 02/09/16
Constituant des chaînes fonctionnelles complété_2016.docx- PAGE 1
Page 1
Constituants des chaînes fonctionnelles
1 GENERALITES SUR LES CHAINES FONCTIONNELLES ...................................................................... 2
2 LA CHAINE D’ENERGIE ................................................................................................................................ 4 2.1 L’énergie pneumatique .................................................................................................................................. 5
2.1.1 Production d’énergie pneumatique ........................................................................................................... 5 2.1.2 Exemples d’actionneurs: .......................................................................................................................... 6
2.2 L’énergie hydraulique ................................................................................................................................... 8 2.2.1 Production de l’énergie hydraulique ........................................................................................................ 8 2.2.2 L’actionneur linéaire ................................................................................................................................ 9 2.2.3 Principe de fonctionnement d’un moteur hydraulique: ............................................................................ 9 2.2.4 Exemple de réalisation ........................................................................................................................... 10 2.2.5 Représentation normalisée ..................................................................................................................... 11 2.2.6 Grandeurs caractéristiques ..................................................................................................................... 11 2.2.7 Les pré-actionneurs pneumatiques et hydrauliques : .............................................................................. 13 2.2.8 Autres accessoires constitutifs d’un circuit : .......................................................................................... 15 2.2.9 Exemples de circuits............................................................................................................................... 16
2.3 L’énergie électrique ..................................................................................................................................... 17 2.3.1 Distribution de l’énergie électrique: ....................................................................................................... 17 2.3.2 Principe général du moteur électrique : .................................................................................................. 17 2.3.3 Moteur à courant continu. ...................................................................................................................... 17 2.3.4 Moteur asynchrone triphasé. .................................................................................................................. 18 2.3.5 Moteur synchrone triphasé. .................................................................................................................... 19 2.3.6 Moteur synchrone autopiloté (ou brushless). ......................................................................................... 19 2.3.7 Moteur pas à pas. .................................................................................................................................... 20 2.3.8 Les pré-actionneurs électriques .............................................................................................................. 20
3 LA CHAINE D’INFORMATION .................................................................................................................. 23 3.1 Structure d’une chaîne d’acquisition de données. ..................................................................................... 23 3.2 Métrologie des capteurs ............................................................................................................................... 24
3.2.1 Etendue de mesure ................................................................................................................................. 24 3.2.2 Sensibilité ............................................................................................................................................... 24 3.2.3 Précision ................................................................................................................................................. 24 3.2.4 Rapidité .................................................................................................................................................. 25 3.2.5 Stabilité (ou invariance) ......................................................................................................................... 25 3.2.6 Répétabilité ............................................................................................................................................ 25 3.2.7 Bruit de fond .......................................................................................................................................... 25 3.2.8 Erreur de mesure .................................................................................................................................... 25
3.3 Typologie des capteurs suivant la nature du signal de sortie : ................................................................. 26 3.3.1 Capteurs analogiques.............................................................................................................................. 26 3.3.2 Capteurs numériques (ou codeurs). ........................................................................................................ 29 3.3.3 Le détecteur ............................................................................................................................................ 30
4 LA PARTIE COMMANDE ............................................................................................................................ 32 4.1 Technologie programmée : l’Automate Programmable Industriel ......................................................... 32 4.2 Conversion Analogique Numérique CAN .................................................................................................. 32 4.3 Conversion Numérique Analogique CNA .................................................................................................. 34 4.4 Cycle de traitement des données ................................................................................................................. 35
Page 2
1 GENERALITES SUR LES CHAINES FONCTIONNELLES
Une chaîne fonctionnelle réalise une fonction opérative élémentaire
Exemples : - Gérer l’ouverture d’un vantail
- Asservir en position le vérin 4 de la plate forme 6 axes
- Convoyer un produit
Figure 1 : Structure générale d’une chaîne fonctionnelle.
Remarque 1 : La chaîne d’action peut éventuellement comprendre un ou plusieurs transmetteurs
(réducteur, vis - écrou, joint de transmission, ...). Ceux ci transmettent l’énergie, très souvent
mécanique, à l’effecteur sous une forme exploitable.
Remarque 2 : La chaîne de mesure est nécessaire pour les systèmes asservis. Par contre dans
l’exemple du portail automatique, l’ouverture et la fermeture de la porte ne font pas l’objet d’un
compte rendu à la partie opérative pas de détecteur de fin de course! C’est une temporisation
(variable interne à la P.C.) qui règle le temps d’ouverture et de fermeture.
UNITE
CENTRALE
Traiter les
informations
MODULE
DE SORTIE
Transmettre
les ordres
PREACTIONNEUR
Moduler l’énergie
MODULES
DE
DIALOGUE
Communiquer
avec :
Opérateurs
Autres PC..
ACTIONNEUR
Transformer
l’énergie
EFFECTEUR
Opérer sur la
matière d’œuvre
MODULE
D’ENTREE
Adapter les
informations
DETECTEURS
CAPTEUR
Acquérir et transmettre
l’information
PROCESSUS
d’élaboration de la
valeur ajoutée
partie opérative partie commande ordre
Energie primaire
modulée
Energie secondaire
adaptée à l’action
Grandeur physique
à mesurer
Image de la
grandeur à
mesurer
Chaîne d’information
Chaîne d’énergie
Page 3
Figure 2 : Structure générale d’une chaîne fonctionnelle.
Chaîne d’énergie
Chaîne d’information
Acquérir
Traiter
Communiquer
Alimenter et
Protéger
Distribuer
Convertir
Transmettre
Processus d’élaboration de la valeur ajoutée
Energie d’entrée
Ordres grandeurs
physiques
à acquerir
Informations en entrée
Informations en sortie
MATIERE
D’ŒUVRE
ENTRANTE
MATIERE
D’ŒUVRE
SORTANTE
Frontière du système
Page 4
Remarque 3 : les capteurs et les pré-actionneurs sont considérés comme ne faisant pas partie de la
P.O. . Il sont à l’interface entre la P.C. et la P.O. . De ce fait, ils sont en présence de deux
niveaux d’énergie distincts (voir Figure 2):
- Un niveau de basse énergie qui véhicule les
ordres émanant de la P.C.
- Un niveau d’énergie élevé, provenant d’une
source d’énergie extérieure, servant à alimenter
l’actionneur en aval.
De plus ces énergies peuvent être de nature
différente comme pour la chaîne fonctionnelle
électropneumatique ci-contre
Figure 3 : Cohabitation d’énergies
différentes à des niveaux différents
2 LA CHAINE D’ENERGIE
Typologie des énergies d’entrée et de sortie
ENERGIE D’ENTREE ENERGIE DE SORTIE ACTIONNEURS
électrique mécanique moteurs électriques
électro-aimants
pneumatique mécanique vérin pneumatique linéaire
vérin pneumatique rotatif
venturi + ventouse
hydraulique mécanique moteur hydraulique
vérin hydraulique
thermique mécanique moteur thermique
turbines
électrique thermique résistance chauffante
électrique lumineuse laser
L’énergie électrique est la plus simple à mettre en œuvre! C’est de plus l’énergie privilégiée de la
P.C.
Chaîne d’action
Signal de commande Moduler et
Transformer
l’énergie
Energie de sortie
modulée
Energie d’entrée
disponible
NRJ
électrique
NRJ pneumatique
So
r
t i
e
s
P
C
Page 5
2.1 L’énergie pneumatique 2.1.1 Production d’énergie pneumatique
L’énergie pneumatique est fournie par un compresseur d’air (figure 3). L’énergie est stockée dans
un accumulateur dont la pression est régulée à une dizaine de bars. Un groupe de conditionnement
filtre l’air et régule la pression d’utilisation à 6 bars grâce à un détendeur. L’air est
éventuellement lubrifié pour certains actionneurs (figure 4 et 5).
Figure 4 : Compresseur à membrane
Figure 5 : conditionnement de l’air comprimée
Figure 6 : représentation schématique
Symbolisation simpliste d’une source d’air comprimée :
Page 6
Domaines d’utilisation de l’énergie pneumatique
Les avantages de l’énergie pneumatique :
- énergie non polluante
- vitesses importantes, temps de réponse faibles.
- simplicité de mise en œuvre et de maintenance (faible qualification)
Les désavantages :
- efforts développés faibles (pression limitée par la liquéfaction)
- maintient en position peu précis (compressibilité de l’air)
A cause de la compressibilité de l’air, le pneumatique
est très peu utilisé en asservissement et d’une manière
générale en commande proportionnelle (boucle ouverte
ou fermée).
Il est utilisé pour l’obtention de
mouvements simples et rapides de butée
à butée dans le cas d’un vérin.
Applications types : transfert de pièces,
petit outillage, milieu explosif...
2.1.2 Exemples d’actionneurs:
Vérin simple effet à un seul orifice
Vérin double effet à deux orifices
Vérin rotatif
Moteur pneumatique
Page 7
Vérin rotolinéaire
Vérin à soufflet Muscle pneumatique
Remarque 4 : force de poussée et force de rappel
sont différentes du fait des sections efficaces
différentes.
Vérin asymétrique pour la direction assistée DIRAVI
Vérin symétrique utilisé dans le pilote automatique
hydraulique Navico
La ventouse et le venturi
Ensemble distributeur +
venturi
schéma du dispositif
Figure 7 : Système de préhension par venturi et ventouse
Page 8
2.2 L’énergie hydraulique
2.2.1 Production de l’énergie hydraulique
L’énergie hydraulique est fournie par une centrale hydraulique qui utilise une énergie primaire
(électrique ou thermique).
Les éléments essentiels d’une centrale hydraulique sont:
l’organe de sécurité | la pompe | le moteur d’entraînement
Figure 8 : Schéma simplifié d’un groupe motopompe
Le fluide utilisé est de l’huile de synthèse
La pression peut être ici très élevée, jusqu’à 500 bars.
De plus en jouant sur les sections efficaces il est très aisé
de multiplier un effort (la vitesse sera plus faible, il ne
faut pas rêver).
P1= P2 F2=(S2/S1).F1
Les avantages de l’énergie hydraulique:
- puissance massique (Puissance/masse) très importante jusqu’à 5kW/kg
- forces et couples très élevés.
- maîtrise de la commande en boucle fermée (fluide incompressible)
- entraînement direct (sans réducteur) à très faible vitesse
Les désavantages:
- nécessité d’une centrale de production d’énergie hydraulique
- fluide polluant
- vitesse limitée par les pertes de charge.
Domaines d’utilisation de l’hydraulique: travaux publics, aéronautique, engins sous-
marins, matériel agricole, presse...
arbre de
transmission
M
admission
refoulement
Page 9
2.2.2 L’actionneur linéaire
Figure 9 : Vérin hydraulique rotulé aux deux extrémités
2.2.3 Principe de fonctionnement d’un moteur hydraulique:
Phase motrice admission du débit de fluide de la pompe
Phase résistante refoulement du fluide
Les éléments de base d’un moteur ou d’une pompe sont :
les générateurs élémentaires formés d’un piston et d’une chambre qui transforment l’énergie
hydraulique en énergie mécanique (ou inversement).
le distributeur qui assure la commutation de la chambre du piston tantôt avec l’admission, tantôt
avec le refoulement.
Le système de transformation de mouvement qui permet de transformer le mouvement de
translation alternative des pistons en rotation de l’arbre de sortie (ou inversement).
Flèche pleine pour
l’hydraulique. Pour
le pneumatique
F
F
distributeur
Page 10
La pression dans le circuit est fixée par la charge càd le couple résistant sur l’arbre du moteur.
On dit que le moteur hydraulique est un générateur de pression.
Le débit dans le circuit est fixé par la vitesse de rotation de la pompe.
On dit que la pompe hydraulique est un générateur de débit
Remarque 5 :
Un moteur peut fonctionner en récepteur pour freiner une charge .
Un moteur peut généralement fonctionner dans les deux sens, il suffit de permuter grâce à
un distributeur l’admission et le refoulement.
2.2.4 Exemple de réalisation
Figure 10 : Moteur à pistons
oscillants et distributeur plan
tournant avec l’arbre de
sortie.
Remarque 6 : Les moteurs à pistons axiaux sont rapides (jusqu’à 3000tour/mn), alors que ceux à
pistons radiaux sont en générale plus lent (>1000tour/mn)
Orifices des
pistons fixes
Page 11
2.2.5 Représentation normalisée
Pompe à un
sens de flux
Pompe à deux
sens de flux
Moteur à un
sens de flux
Moteur à 2
sens de flux
Pompe
Moteur
réversible
Moteur à
cylindrée
variable
Schéma simplifié d’une Transmission hydraulique
en circuit fermé
en circuit ouvert
Pas de freinage de la charge et pas de changement de sens possible.
2.2.6 Grandeurs caractéristiques
Définition de la cylindrée moyenne
On définit la cylindrée par le volume de fluide refoulé (ou aspiré) pour un tour de l’arbre.
Formule générale : Cyl = n . S . m . C
Avec n le nombre de pistons, S la section des pistons, m le nombre de course par tour et C la
course
Débit moyen
Le débit moyen est donné par Qmoy = Cyl . N
Avec N la fréquence de rotation
M R POMPE MOTEUR
Vi
Piston i i
M R POMPE MOTEUR
Page 12
Débit instantané
En première approximation, le déplacement d’un piston par rapport à sa chemise est sinusoïdal.
Par exemple pour une pompe à 3 pistons
X (t) = C/2.cos( t) ; V (t)= - C/2. sin( t)
et le débit instantané d’un piston vaut : Q(t)=S.V(t) = -(C/2).S. sin( t)
Débit maxi Qmax= (C/2).S.
Débit mini Qmin= (C/2).S..sin(/3)
Débit moyen Qmoy= 3.C.S./2
Le débit refoulé est la somme des débits refoulé par chaque piston. Le débit n’est pas constant au
cours du temps et l’on définit le coefficient d’irrégularité cyclique :
Figure 11 : Coefficient K%
Figure 12 : Allure du débit refoulé pour une pompe à 5 pistons
V1 vitesse piston 1
Refoulement
Admission
Qmax
Qmin
Piston 2
Piston 1
Piston 3
1
Q(t)
K%=100.(Qmax-Qmin)/Qmoy
Page 13
Le coefficient d’irrégularité montre :
qu’il vaut mieux un nombre impaire de pistons
que l’irrégularité diminue avec le nombre de pistons
Puissance hydraulique
Pour un vérin
Généralisation pour un moteur ou une pompe où Q1=Q2=Q (le débit est le même à l’admission et au
refoulement)
P(fluidepistons/bâti) = Q.P
2.2.7 Les pré-actionneurs pneumatiques et hydrauliques :
D’une manière générale les distributeurs pneumatiques ou hydrauliques assurent la distribution du
fluide aux orifices de l’actionneur concerné.
Ils peuvent êtres TOUT OU RIEN ou PROPORTIONNELS.
P(fluide piston/bâti) =(P1.S1 - P2.S2).V = Q1.P1 - Q2.P2
Puissance hydraulique Entrante Sortante
P1 P2
V
Q1 Q2
DISTRIBUER
L’ENERGIE Actionneurs
Energies
Ordres de la Partie
Commande
Page 14
Regardons tout d’abord les pré actionneurs Tout Ou Rien
Figure 13 : Schématisation d’un distributeur à commande manuel
Les commandes sont variées :
Symbole général
Levier
Galet
Ressort
Accrochage
Pneumatique
Electro pneumatique
Commandes mécaniques Pneumatiques Électriques
Désignation d’un distributeur :
On notera « DISTRIBUTEUR 5/3 », un distributeur à 5 orifices et 3 positions.
Ceux ci peuvent êtres MONOSTABLES. Dans ce cas, si le signal de
commande disparaît, le tiroir du distributeur revient à sa position stable
(rappel par ressort).
Ils peuvent êtres également BISTABLES. Dans ce cas, si le signal de
commande disparaît, le tiroir reste dans sa position effet mémoire au
niveau du préactionneur.
Commande 1
5 Orifices
Tiroir à 3
positions
Commande 2
Page 15
Distributeurs proportionnels
Les figures ci-dessous présentent des distributeurs PROPORTIONNELS. Une grandeur (pression
ou débit) est alors proportionnelle au signal de commande.
Ils sont utilisés pour des commandes en boucle ouverte ou en boucle fermée.
Figure 14 : Utilisation de distributeurs proportionnels en BO ou BF
2.2.8 Autres accessoires constitutifs d’un circuit :
-Clapet anti-retour simple ou piloté à l’ouverture. L’équivalent électrique est la
diode.
L’entrée de pilotage force l’ouverture du clapet
-Limiteur de débit. Il permet par exemple de réduire la vitesse
de sortie de la tige d’un vérin. Associé à un clapet anti-retour
en parallèle, il devient unidirectionnel. Son action ne se fait que
pour un sens du débit.
-Limiteur de pression. Il permet de
limiter dans tous les cas la pression dans
le circuit et protège ainsi les différents
constituants d’une surpression normale
(démarrage de la charge) ou accidentelle
(blocage).
p
p
a
a b
b
Prise de pression en amont
C’est un organe normalement fermé
Page 16
-Réducteur de pression ou détendeur. Le détendeur permet
d’adapter les niveaux d’énergie d’actionneurs très différents à
une source de pression unique.
C’est un organe normalement ouvert
-Les accumulateurs. Voici une manière simple d’emmagasiner de l’énergie hydraulique
Figure 15 : le principe du stockage de l’énergie hydraulique grâce à un accumulateur.
Le débit de fluide comprime un volume d’azote isolé par une membrane. L’azote en ce détendant
restituera l’énergie ainsi accumulée.
Ce système est utilisé lorsque:
la pompe qui alimente le circuit ne peut à elle seule fournir un débit suffisant à
l’actionneur (direction assistée lors d’un coup de volant brusque).
on souhaite récupérer de l’énergie lors du freinage de la charge. L’actionneur
devient alors une pompe entraînée par la charge à freiner et le récepteur est
l’accumulateur.
la pression (le débit) varie très brutalement dans le circuit auquel cas il sert
d’amortisseur (d’anti coups de bélier comme pour doshydro).
2.2.9 Exemples de circuits
Prise de pression en aval
Page 17
2.3 L’énergie électrique
2.3.1 Distribution de l’énergie électrique:
Réseau EDF
Figure 16 : Tensions alternatives entre phase i et neutre: ei = 220sin(t+2i/3)
L’énergie électrique est très souple d’emploi, elle peut être : - redressée
- mise à niveau (transfo)
- stockée (accumulateur)
2.3.2 Principe général du moteur électrique :
Un moteur électrique fonctionne du fait de l’existence de 2 champs
magnétiques :
- le champ statorique sB
, lié à la partie fixe
- le champ rotorique rB
, lié à la partie mobile
Si ces 2 champs sont décalés d’un angle il apparaît un couple C qui
tend à les aligner. Ce couple varie avec le sinus de l’angle , il est
donc maximal lorsque les deux champs sont perpendiculaires.
Pour que, lors du mouvement, la valeur moyenne du couple soit non nulle, il faut que les 2 champs
tournent à la même vitesse.
2.3.3 Moteur à courant continu.
Ici le champ statorique est fixe. Il est créé par un aimant permanent ou par un ensemble de
bobinage (excitation séparée).
Bs
Br
C
TERRE (jaune - vert)
NEUTRE (gris)
PHASE 1 (vert)
PHASE 2 (jaune)
PHASE 3 (brun)
DISTRIBUTION
monophasée 220V~
DISTRIBUTION
Triphasée 220V~
DISTRIBUTION
Triphasée 380V~
Page 18
Le champ rotorique est créé par un bobinage alimenté
par des collecteurs ou balais.
Sur la figure le couple créé va faire tourner le rotor
dans le sens indiqué. Après une fraction de tour, c’est
un autre bobinage du rotor qui sera alimenté. Pour ce
moteur les 2 champs sont fixes par rapport au stator et
le couple est maximal car les champs sont
perpendiculaires.
Ces moteurs sont réversibles et permettent donc la
récupération d’énergie.
Il nécessite cependant une alimentation en courant
continu.
Ils ont des performances médiocres et ont une durée de vie limitée du fait de l’usure des
collecteurs.
Les 4 équations du MCC sont à connaître.
Equation électrique u=L di/dt + Ri + e
Equation mécanique I d/dt=Cm - Cr -A
Couple proportionnel à
l’intensité
Cm=K.i
Tension induite proportionelle
à la vitesse e = K
2.3.4 Moteur asynchrone triphasé.
Le champ statorique sB
est créé par 3 bobinages alimentés en courant triphasé. Ce champ tourne
par rapport au stator à une fréquence donnée.
Le rotor est constitué d’une armature assimilable à une spire en court circuit. Le champ sB
induit
un courant dans l’armature si celle ci est en mouvement relatif par rapport à sB
.
Il y a création d’un champ rotorique rB
tournant à la même vitesse que sB
.
Attention ! Le rotor tourne moins vite que les champs rB
et sB
d’où l’appellation asynchrone.
Figure 17 : Principe du moteur asynchrone à cage écureil
Page 19
La figure ci-contre montre les deux
montages possibles TRIANGLE ou
ETOILE des bobinages.
Figure 18 : Montage étoile au démarrage pour éviter un appel de courant trop important
2.3.5 Moteur synchrone triphasé.
Le champ statorique est construit de la même façon que pour
le moteur asynchrone.
Le champ rotorique est créé par un aimant permanent ou un
bobinage alimenté en courant continu.
Le couple moyen est non nul si et seulement si le rotor tourne
à la même vitesse que le champ statorique.
Utilisation à vitesse constante (machine à tisser ,
magnétophone)
Démarrage en charge impossible et risque de décrochage
du rotor en cas de surcharge.
Figure 19 : Principe du moteur synchrone
2.3.6 Moteur synchrone autopiloté (ou brushless).
La commutation des phases des inducteurs est commandé à partir de l’information de position du
rotor délivrée par un capteur. Il est alors possible de faire varier la vitesse de rotation et de
démarrer en charge.
Sur la figure ci-dessous la tension d’alimentation des inducteurs est une tension continue obtenue
après redressement du courant triphasé.
Figure 20 : Pilotage des inducteurs par mesure de la position du rotor
Page 20
2.3.7 Moteur pas à pas.
C’est un moteur de positionnement angulaire précis. Son rotor tourne d’un angle constant appelé
pas à chaque impulsion de commande. Résolution de 4 à 400 pas par tour.
Figure 21 : Les deux types de moteur pas à pas
MPP à aimant permanent nombre de pas réduit.
MPP à aimant réluctance variable nombre de pas important.
Pour ce dernier, le rotor se place de façon à ce que le flux magnétique soit maximal.
Le moteur pas à pas est très utilisé en péri-informatique (traceur, imprimante). Il permet la
réalisation de chaînes fonctionnelles de positionnement précises en boucle ouverte.
Cependant il y a toujours le risque de décrochage (perte de plusieurs pas) si le rotor est soumis à
un couple résistant trop important. Il est également nécessaire de prendre une origine matérielle au
démarrage. Cette référence est généralement donnée par l’accostage d’un détecteur lors du
mouvement de prise d’origine.
2.3.8 Les pré-actionneurs électriques
2.3.8.a Tout Ou Rien
L’équivalent
électrique d’un
distributeur
hydraulique Tout
Ou Rien est un
CONTACTEUR qui ouvre ou ferme
le circuit de
puissance.
Figure 22 : Ci-contre un contacteur
monostable (rappel par ressort) commandé
en basse tension.
Page 21
Pour créer un contacteur bistable, il suffit d’utiliser l’effet mémoire.
Figure 23 : Commande de marche / arrêt câblée utilisant une mémoire à auto maintien
2.3.8.b Généralités sur les convertisseurs.
Les convertisseurs (variateurs de vitesse des moteurs par exemple) reposent tous sur une structure réalisée à base d'interrupteurs électroniques. Ici est représentée une structure à 4 interrupteurs électroniques qui réalise 3 fonctions différentes (hacheur, onduleur et redresseur) :
Page 22
Le convertisseur possède un rendement proche de 100% puisqu'il n'est composé que
d'interrupteurs parfaits. Le convertisseur ne s'échauffe donc pas et transmet ainsi 100% de
l'énergie qu'il pompe de la source vers la charge. On remarquera, en comparant par exemple la
structure du hacheur 4Q ci-dessus et de l'onduleur de tension, que les structures sont en tout point
identiques : c'est la stratégie de commande des interrupteurs qui imposera le fonctionnement du
convertisseur en tant que hacheur ou onduleur, si la charge l'autorise. Cette remarque est valable
pour n'importe quelle structure de convertisseur.
On notera que la tension vcharge est toujours composée de morceaux de tension d'entrée : si la
source est sinusoïdale (voir le cas du redresseur ci-dessus) alors vcharge sera composée de morceaux
de sinusoïdes et non pas de morceaux de droites, comme c'est le cas pour l'onduleur ou le hacheur
(alimentés par une source de tension constante).
2.3.8.c Le hacheur
Un hacheur est un convertisseur continu/continu, il permet d'obtenir à partir d'une tension continue
fixe, une tension continue réglable.
Il est composé d'un interrupteur électronique unidirectionnel (transistor ou thyristor) fermé
pendant un intervalle de temps αT, et ouvert pendant le reste de la période T. Une diode de roue
libre permet la circulation du courant si la charge est inductive.
Hacheur série (rotation dans un unique sens)
Figure 24 : Hacheurs pour l’alimentation d’un moteur à courant continu
Hacheur 4 quadrants. Permet, lorsqu'on alimente un moteur à courant
continu, de le faire tourner dans les deux sens et
également de le faire fonctionner en génératrice et,
par exemple, de récupérer de l'énergie électrique
pendant les phases de freinage.
Page 23
3 LA CHAINE D’INFORMATION
3.1 Structure d’une chaîne d’acquisition de données. Fonction : le capteur transforme une grandeur physique (force, vitesse, position, débit, tension,
etc.) en signal porteur d’une information exploitable par la partie commande.
Figure 25 : Voici la structure fonctionnelle typique.
Remarque 7 : dans de nombreux cas plusieurs de ces blocs sont confondus ou inutiles!
Remarque 8 : les capteurs intègrent de plus en plus l’ensemble de la chaîne d’acquisition en un
seul constituant.
La fonction « détecter la grandeur physique » est assurée par le corps d’épreuve. Cet organe
est soumis directement à l’action de la grandeur physique étudié et en donne une première
traduction en une autre grandeur physique (mécanique, électrique, pneumatique,...).
Exemples : pression d’un fluide sur une membrane déformation
température sur une barre métallique allongement
La fonction « transformer la nature de la grandeur », lorsqu’elle est nécessaire, est assurée
par le transducteur qui produit un signal image de la grandeur physique, porté par une énergie
compatible avec la partie commande. Cette énergie est très souvent électrique !
Exemples : un capteur piézo-électrique transforme une force en
déformation. Cette déformation induit une tension différentielle v.
La fonction « adapter le signal » est assurée par un circuit de mise
en forme qui amplifie et filtre les signaux afin d’en éliminer les
parasites ou en change la forme en fonction de l’usage qui en est fait
en aval.
+++++++
- - - - - - -
v
Capteur
Grandeur physique
à mesurer donner une image
de la grandeur à
mesurer
Signal image
énergie Grandeurs
d’influence
Détecter la
grandeur
physique
CORPS
D’EPREUVE
Grandeur
physique
Effet
physique
mesurable transformer la
nature de la
grandeur
TRANSDUCTE
UR
Adapter le signal
CIRCUIT DE MISE EN
FORME
Signal
image
Image
informationnelle
utilisable
Page 24
3.2 Métrologie des capteurs Les liens entre un capteur et la grandeur qu’il mesure sont définis par ses caractéristiques d’emploi.
3.2.1 Etendue de mesure
Domaine de mesure pour lequel les indications du capteur ne doivent pas être entachées d’une erreur supérieure à
l’erreur maximale tolérée. On appelle les valeurs limites du domaine, « portée minimale » et « portée maximale ».
3.2.2 Sensibilité
C’est le rapport de la variation du signal de sortie à la variation
correspondante de la grandeur à mesurer.
C'est à dire à la pente de la courbe de réponse du capteur pour
une valeur donnée :
S=ds/de ds : variation de sortie
de : variation de l'entrée
3.2.3 Précision
Précision C’est l’aptitude du capteur à donner des indications proches de la valeur vraie de la grandeur mesurée.
Fidélité et justesse La justesse est la qualité d’un capteur à fournir des indications statistiquement centrées sur la valeur vraie.
La fidélité est la qualité d'un capteur à fournir des indications présentant une faible dispersion.
a : capteur ni fidèle, ni juste ( erreurs et incertitudes de mesure importantes )
b : capteur fidèle mais non juste
c : capteur juste mais non fidèle
d : capteur juste et fidèle, donc précis ( erreurs et incertitudes de mesure réduites )
Valeurs mesurées
S=tan e
s
Répartition des mesures Répartition des mesures
Valeurs mesurées Valeurs mesurées Valeur vraie valeur
moyenne
Valeur vraie valeur
moyenne
c) d)
Répartition des mesures
Valeur vraie valeur
moyenne
b)
Répartition des mesures
Valeurs mesurées Valeur vraie valeur
moyenne
a)
Page 25
3.2.4 Rapidité
C’est l’aptitude du capteur à suivre dans le temps les variations de la grandeur à mesurer . Il faut donc tenir compte du
temps de réponse, de la bande passante et la fréquence de coupure du capteur .
3.2.5 Stabilité (ou invariance)
La stabilité qualifie la capacité d'un capteur à conserver ses performances pendant une longue durée (problème de dérive
du zéro par exemple).
3.2.6 Répétabilité
La répétabilité est l'étroitesse de l'accord entre les résultats de mesures successifs d'une même grandeur effectuée avec
la même méthode, par le même observateur, avec les mêmes instruments de mesure et à des intervalles de temps assez
courts.
3.2.7 Bruit de fond
C'est une variation parasite, souvent aléatoire, du signal de sortie, dont la valeur moyenne est nulle et qui vient se
superposer à la valeur à mesurer.
3.2.8 Erreur de mesure
L'erreur de zéro (offset)
L'erreur d'échelle (gain)
C'est une erreur qui dépend de façon linéaire de la grandeur
mesurée.
L'erreur de linéarité
La caractéristique n'est pas une droite.
L'erreur due au phénomène d'hystérésis
Il y a phénomène d'hystérésis lorsque le résultat de la mesure
dépend de la précédente mesure.
caractéristique
idéale caractéristique
réelle
Grandeur
Mesure caractéristique
idéale caractéristique
réelle
Grandeur
Mesure
caractéristique
idéale
caractéristique
réelle
Grandeur
Mesure
caractéristique
idéale
caractéristique
réelle
Grandeur
Mesure
Page 26
3.3 Typologie des capteurs suivant la nature du signal de sortie :
3.3.1 Capteurs analogiques
Ils délivrent un signal analogique, image de la grandeur physique à mesurer. Les signaux de sortie
sont très souvent électriques (tension ou intensité). De tels signaux nécessitent une conversion
numérique pour être utilisable par une partie commande numérique de type automate
programmable ou ordinateur.
Exemples de capteurs analogiques insérés dans une chaîne fonctionnelle:
capteurs inductifs de positionnement du chariot filoguidé / au fil.
capteur potentiométrique de position angulaire sur la roue directrice du chariot ou sur le bras de
MAXPID ou encore pour mesurer la rotation des vantaux.
génératrice tachymètrique sur le moteur de Maxpid pour mesurer la vitesse du bras.
Capteur à effet Hall pour obtenir la position du balancier du gyromètre mécanique.
Un capteur analogique très économique et simple : le capteur potentiomètrique (3 fils !). Son
principal inconvénient provient de l’usure liée au contact
curseur piste.
Principe électrique :
Capteur de position linéaire
Extrait des performances Courses Electriques Utile de 25 mm Linéarité +/-1%; Valeur ohmique (RT) de 400 à 2000 Ohm/cm Répétabilité inf. ou égale à 0,01% Force de déplacement 0,35 N Sorties par 3 fils Durée de vie (typique) 100 millions de manœuvres Gamme de température -55°C à +125°C
Vitesse de déplacement 10 m/s maxi Capteur de position angulaire
V x U=V.L/x
L
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Effet Hall très utilisé en mesure
Si l'on introduit un élément conducteur de courant dans un champ électromagnétique, il apparaît
alors une force électromotrice proportionnelle au champ magnétique appliqué et au courant qui
traverse le conducteur. C'est l'effet Hall.
Vh=K.B.Io
Un capteur à effet hall donne donc un signal
lorsqu'il détecte un champs magnétique. La
tension de Hall est faible et doit être amplifiée.
Un autre capteur analogique : le capteur de
courant Utilisé par exemple dans le contrôle du courant moteur d’une chaîne d’énergie (asservissement en
cascade avec asservissement du couple en boucle interne).
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 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.
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Le capteur actif:
C’est un capteur qui n’a pas besoin d’alimentation en énergie. En effet, cette catégorie de capteurs
assure la conversion en énergie électrique de la forme d’énergie propre à la grandeur physique à
mesurer.
Mesurande Effet utilisé Grandeur de sortie
Température
Thermoélectricité Tension
Flux de rayonnement
optique
Pyroélectricité
Photoémission
Effet photovoltaïque
Effet photo-électromagnétique
Charge
Courant
Tension
Tension
Force
Pression
Accélération Piézoélectricité Charge
Vitesse
GENERATRICE
TACHYMETRIQUE (=
MOTEUR A CC QUI FONCTIONNE EN
GENERATRICE)
Induction électromagnétique
(vitesses croix de Malte
capsuleuse)
Tension
Position
Effet Hall (gyromètre de la plate
forme) Tension
Le capteur passif:
Il s’agit d’une impédance dont la caractéristique est sensible à la grandeur à mesurer. L’impédance
d’un capteur passif et ses variations ne sont mesurables qu’en intégrant le capteur dans un circuit
électrique, par ailleurs alimenté.
Exemple des jauges de déformation : élément dont la résistance est sensible à la déformation
longitudinale du support R=L/S.
Les déformations étant proportionnelles aux efforts qui s’appliquent sur le support, ce type de
capteur permet la mesure indirect de forces, couples, pressions, accélérations.
Figure 26 : jauges de déformation collées sur le corps d’épreuve
La variation de résistance de la jauge, image de la déformation locale, est donnée par le déséquilibre
d’un pont de Wheatstone. Voir illustration ci-dessous.
Direction de
mesure
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Figure 27 : Exemples de montage des jauges dans le pont de Wheatstone
Ce type de montage est notamment utilisé sur :
la direction asservie Diravi pour accéder à la mesure du couple au volant.
la direction assistée électrique DAE pour accéder à la mesure du couple sur la
crémaillère.
la capsuleuse de bocaux pour la mesure des couples sur le maneton et l’étoile de
transfert.
le couple moteur et de freinage de l’ouvre portail
Figure 28 : capteur de force en S munis de 4jauges
3.3.2 Capteurs numériques (ou codeurs).
Ces capteurs délivrent soit :
directement un signal numérique
des impulsions, dont le nombre ou la fréquence permettent de déterminer une
position ou une vitesse après traitement numérique.
On distingue donc 2 types :
le codeur absolu qui fourni à tout instant le code de la position absolue d’un mobile. Il se
présente sous la forme de règle ou de disque
divisé en N secteurs égaux à l’intérieur
desquelles se trouve matérialisé ,sous forme de
pistes translucides ou opaques, le mot binaire
associé à la position à coder. Pour éviter les
erreurs de lecture, le codage de la position se
fait généralement en binaire réfléchi ou code
Gray (un seul bit change entre deux positions
voisines).
Figure 29 : Deux types de codage différents
Remarque 9 : Il est à noter que le codeur absolu n’est absolu que sur 1 tour! Il faut un moyen de
compter les tours si l’arbre doit faire plus d’un tour.
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Le codeur relatif dispose en générale de 2 pistes qui fournissent des trains d’impulsions
déphasés d’1/4 de période. Chaque impulsion correspond à un déplacement élémentaire.
Le sens du déplacement est déterminé par le retard ou l’avance du signal d’une piste sur
l’autre. Un circuit logique séquentiel permet de générer des trains d’impulsions qui servent
à incrémenter ou décrémenter un compteur suivant le sens de rotation.
Remarque 10 : Il est possible d’utiliser un codeur en résolution
1x - on compte seulement les fronts montants de la piste A
2x - on compte les fronts montants et descendants de la piste A
4x - on compte les fronts montants et descendants des deux pistes
Important : pour connaître la position absolue avec ce type de capteur, il faut que le système
puisse prendre une origine pour les déplacement (une butée de fin de course par exemple). C’est le
cas pour Ericc3 lors de la prise d’origine sur le front montant d’un capteur inductif.
3.3.3 Le détecteur
C’est en fait un capteur qui fourni en sortie un signal logique
TOR. Le signal est à son niveau haut si la grandeur physique
étudiée dépasse un certain seuil. Ces détecteurs disposent le plus
souvent d’un signal de sortie électrique. Il en existe une grande
variété (mécanique, optique, inductif, avec ou sens contact...).
Détecteurs mécaniques à contact
Top Zéro
Piste A
Piste B
Tête de lecture
Sens Direct Sens Indirect
monostable
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Détecteurs sans contact
La détection d’objets métalliques Les détecteurs inductifs Ils détectent uniquement les objets métalliques. Le détecteur se compose d’un oscillateur, dont les bobinages constituent la face sensible, avec émission d’un champ magnétique. Lorsqu’un objet métallique passe dans le champ magnétique, des courants induits constituent une charge additionnelle qui provoque l’arrêt des oscillations. Après mise en forme, un signal de sortie est délivré.
Utilisé pour les prises d’origine des axes du Tribar et d’Ericc3
La détection de tous objets Les détecteurs capacitifs Ils détectent les objets de toutes natures, conducteurs ou non (métal, minerais, bois, plastique, carton, cuir, fluides, etc.). Le détecteur se compose d’un oscillateur dont le condensateur est formé par 2 électrodes placées à l’avant. Lorsqu’un objet passe devant la face sensible, il provoque une variation du couplage capacitif, provoquant le démarrage de l’oscillateur. Après mise en forme, un signal de sortie est délivré.
Les détecteurs à ultrasons Ils détectent les objets de toutes natures, conducteurs ou non, en s’affranchissant totalement de la nature du matériau détecté, de sa couleur et de son opacité (pulvérulants, verres, liquides, etc.). Le détecteur se compose d’un émetteur-récepteur d’ultrasons. Lorsqu’un objet passe devant le détecteur, l’écho revient vers le récepteur, un microprocesseur compare l’intervalle de temps entre le signal émis et l’écho et délivre un signal de sortie. Voir à l’avant du chariot
Barrage Réflexion
Réflexion directe
Les détecteurs photoélectriques Il se compose essentiellement de : un émetteur de lumière : c'est un composant électronique semi-conducteur, appelé diode électroluminescente, qui émet de la lumière lorsqu’il est traversé par un courant électrique. Cette lumière peut être visible ou invisible selon la longueur d’onde d’émission un récepteur sensible à la quantité de lumière reçue (phototransistor). Il y a détection quand la cible pénètre dans le faisceau lumineux émis par le détecteur et modifie suffisamment la quantité de lumière reçue par le récepteur pour provoquer un changement d’état de la sortie. Voir FESTO et Vantaux
Page 32
4 LA PARTIE COMMANDE
4.1 Technologie programmée : l’Automate Programmable Industriel
L’Automate Programmable Industriel ou API est un outil de calcul et de dialogue. Sa puissance de
calcul ne cesse de s’accroître d’année en année. Il peut être autonome ou fonctionner en réseau
avec d’autres systèmes (API, ordinateur de supervision...).
Exemple d’automate industriel : le TSX micro de télémécanique
Automatisation aussi bien de machines simples à quelques dizaines d’entrées/sorties que de machines plus complexes, jusqu’à 450 ES. Pour simplifier le câblage des machines, le TSX Micro supporte la connexion du bus AS-i. Le TSX Micro se programme à l’aide d’un logiciel spécifique sous Windows. Capacité
Jusqu’à 248 E/S TOR "in rack". Fonctions de comptage rapide (500 kHz), analogique et régulation, sécurité
machine. Communication Uni-Telway, ASCII, Modbus, Fipway, FIPIO agent, Modbus Plus, modem RTC. Modularité et adaptabilité Une configuration de base TSX Micro regroupe sous une seule référence :
un rack (2 ou 3 emplacements) une alimentation un processeur.
Modules d’entrées/sorties échelonnés en modularité Des modules d’entrées/sorties Tout ou Rien existent pour des raccordements par borniers à vis ou par connecteurs en différentes tensions, formats et modularité. Ils sont mixables au sein d’une même configuration jusqu’à 248 entrées/sorties. Une gamme étagée de fonctions métiers Le TSX Micro propose de nombreuses solutions telles que le comptage rapide jusqu’à 500 kHz, de la mesure et de la régulation haut et bas niveau, entrées à sondes, thermocouples.
Les variables de sortie ou d’entrée peuvent êtres binaires, numériques, et même analogiques.
Il faut dans ce dernier cas convertir l’information:
Du numérique à l’analogique CNA dans le cas d’une sortie.
De l’analogique au numérique CAN dans le cas d’une entrée.
4.2 Conversion Analogique Numérique CAN
Figure 30 : Module d’entrée Convertisseur Analogique-Numérique (CAN).
CAN a0 a1
aN-1
V
Mot binaire sur N bits Tension
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Figure 31 : Caractéristique du convertisseur.
Figure 32 : Principe du convertisseur.
Comparateur
Compteur
numérique
Horloge
a0 a1
aN-1
V
tension de
référence U
impulsions
Erreur de
quantification V
Sortie
numérique
000
001
010
temps t
tension V
Rampe U
temps de conversion
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4.3 Conversion Numérique Analogique CNA
Figure 33 : : Module de sortie Convertisseur Numérique-Analogique (CNA).
Mot binaire a2 a1 a0 Tension de sortie du CAN
000 0
001 Vmax/7
010 2Vmax/7
011 3Vmax/7
100 4Vmax/7
101 5Vmax/7
110 6Vmax/7
111 Vmax
Figure 34 : Valeurs des tensions de sortie pour la conversion d’un mot de 3 bits.
V= -E/8.(a3.23+a2.22+a1.21+a0.20)
Figure 35 : Réalisation pratique pour un mot de 4 bits.
CNA a0 a1
aN-1
V
Mot binaire sur N bits Tension image
R R R 2R
2R 2R 2R 2R
2R
D C B A
E
V
0 0 0 0 1 1 1 1 a3 a2 a1 a0
i3 i2 i1 i0
-
+
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4.4 Cycle de traitement des données
Si l’acquisition et la conversion des données d’entrées ne sont pas instantanées, le calcul des
nouvelles valeurs des sorties nécessite encore plus de temps. On distingue 3 types de traitement
des entrées sorties.
Dans tous les cas, un cycle est constitué de l’acquisition des entrées
le calcul des sorties
l’affectation des sorties
Figure 36 : Traitement numérique sur interruption (le plus rapide)
Figure 37 : Traitement numérique cyclique asynchrone
Figure 38 : Traitement numérique cyclique synchrone (le plus lent)
Remarque 11 : Avec ces modes de traitement des E/S par l’automate, la prise en compte d’un
événement n’est jamais instantanée.
Remarque 12 : Pendant toute la durée T du cycle, l’automate est « aveugle », càd qu’un événement d’une durée
inférieure à T risque de ne pas être pris en compte.
Le retard du au traitement de l’information, dans le cas d’une commande asservie, diminue la marge de stabilité du
système. Dans le cas de processus très rapides cela peut même conduire à l’instabilité.
FIN
E Exécution du
traitement S
Attente d’un
nouvel événement E
Exécution du
traitement
Changement
d’une ou
plusieurs entrées
simultanément
Affectation des
sorties
S
Aquisition de
toutes les entrées
E Exécution du
traitement S E
Exécution du traitement
Affectation des
sorties
S E S
Durée cycle N Durée cycle N+1
E Exécution du
traitement S E
Exécution du traitement
temps d’attente
d’un nouveau
cycle
E S
Durée cycle : Tc Durée cycle : Tc
S