Afin de compléter le système, nous avons conçu une poignée pour activer le système lorsque requis. Lorsque la vitesse et l’accélération sont de direction opposée, les freins doivent être activés. Nous avons conçu trois versions de la poignée.
M (a) M (b) M (c) M (d)
Figure 6.6 – Principe de fonctionnement de la poignée de freinage à interrupteur et diodes. (a) Déplacement vers la droite avec accélération. (b) Déplacement vers la droite avec décélé- ration. (c) Déplacement vers la gauche avec accélération. (d) Déplacement vers la gauche avec décélération.
6.4.1 Poignée avec interrupteur à deux contacts et diodes.
Dans cette version, la poignée contrôle l’activation d’un interrupteur à deux contacts connecté à deux diodes en parallèle. Les diodes sont branchées en sens opposé de sorte que le courant contre-électromoteur ne puisse circuler que dans une seule diode à la fois. Afin de freiner, la poignée doit relier un pôle du bobinage du moteur à la diode qui permet au courant de joindre l’autre pôle. La figure6.6montre toutes les combinaisons de direction pour la vitesse et la force appliquée. Dans la figure 6.6a, le chariot se déplace vers la droite et la poignée est poussée afin d’accélérer. Le courant contre-électromoteur est bloqué par la diode et aucun freinage ne se produit. Dans la figure 6.6b, le chariot se déplace vers la droite, mais la poignée est tirée afin de décélérer. Le courant contre-électromoteur passe à travers la diode et le freinage rhéostatique est activé. Les figures 6.6cet 6.6dmontrent les cas où le chariot se déplace vers la gauche.
La poignée est mécaniquement et électriquement simple. Malheureusement, l’opérateur n’a pas un bon contrôle de la décélération parce que la force de freinage ne peut pas être modulée. Le moteur est simplement court-circuité et la force contre-électromotrice dépend uniquement de la vitesse du chariot.
6.4.2 Poignée avec résistance variable et diodes.
La figure6.7présente une variation de la précédente poignée. Cette version remplace l’interrup- teur par une résistance variable. Des ressorts (qui n’apparaissent pas sur la figure) permettent de centrer la poignée sur le chariot. Lorsqu’une force est appliquée sur la poignée, la résistance électrique augmente pour un côté du circuit et diminue pour l’autre. Lorsque l’accélération est dans la même direction que la vitesse, la résistance électrique augmente du côté de la diode conductrice. Puisque la résistance est élevée, la force de freinage est minime et il est facile d’ac- célérer. Lorsque l’accélération et la vitesse sont en directions opposées, la résistance électrique sur la diode conductrice est basse et la force contre-électromotrice aide à décélérer la charge. Pour cette application, nous supposons que la force maximale appliquée par l’opérateur sur la poignée ne devrait pas dépasser 100 N. Pour cette raison, nous devons ajuster la raideur de la poignée afin d’obtenir une force maximale de freinage à partir de 100 N.
La figure 6.7 montre, pour un ensemble de paramètres donnés, la puissance dissipée dans le moteur et dans la résistance variable. La puissance dissipée peut être calculée par
Pm= Rm V Rm+ Rv 2 (6.30) Pv = Rv V Rm+ Rv 2 (6.31)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 5 10 15 20 25 Puissance (kW) R´esistance (Ω) r´esistancemoteur total r´esistance
Figure 6.7 – Énergie dissipée dans le moteur et dans la résistance variable.
où Pm et Pv sont les puissances dissipées dans le moteur et dans la résistance variable, Rm et Rv sont les résistances du bobinage et de la résistance variable, et V est la tension contre- électromotrice. La puissance dissipée diminue rapidement lorsque la résistance augmente. En supposant la raideur de la poignée constante, elle sera plus sensible pour de faibles forces de freinage. Nous observons un maximum sur la courbe de la puissance dissipée dans la résistance variable. Ce maximum peut être calculé par la différentiation de l’équation (6.31), c’est-à-dire
dPv dRv = V 2 (Rm+ Rv)2 − 2RvV2 (Rm+ Rv)3 = 0 (6.32) ce qui conduit à Rv = Rm. (6.33)
La puissance dissipée maximale dans la résistance variable survient lorsque sa résistance est la même que celle du moteur. À partir des équations (6.31) et (6.33) nous trouvons l’équation de la puissance de dissipation maximale dans la résistance variable, soit
Pmax = V2
4Rv (6.34)
où Pmaxest la puissance maximale dissipée par la résistance variable. La résistance variable de- vrait être sélectionnée afin de pouvoir dissiper une telle puissance, ce qui mène à une résistance
variable démesurément grande. Une grille de résistances et un sélecteur seraient peut-être plus appropriés.
6.4.3 Poignée munie d’un capteur de force.
La dernière poignée proposée fonctionne avec un capteur de force utilisant un photo-interrupteur (Duchaine et al. 2009b). Comparativement aux jauges de contraintes, cette technologie n’a pratiquement pas de dérive et très peu de bruit. Un circuit électrique, montré à la figure 6.8, contrôle le courant de freinage en fonction des signaux du capteur de force et de l’encodeur. Voici comment il fonctionne : la chute de tension à travers la résistance R1 mesure le courant à travers le bobinage du moteur. Le signal est comparé à celui provenant du capteur de force et contrôle la porte d’un semi-conducteur de type MOSFET.
5V 5V 5V + − A B D Q ¯ Q Y1 Y2 Y S + − + − M R1 P1 P2 P3 OA1 OA2 OA3
Figure 6.8 – Hacheur de courant commandé par le signal d’un capteur de force.
Le circuit fonctionne comme un modulateur de largeur d’impulsion du courant. Afin d’utiliser un seul type de MOSFET, nous utilisons un pont redresseur, ce qui signifie que la chute de tension à travers R1 demeure positive. Lorsque bien ajusté, le voltage de sortie du capteur de force au repos (potentiomètre P1) est de 2,5 V, comme montré à la figure6.9. Afin d’obtenir un courant nul au repos, la sortie du capteur de force devrait être nulle. Nous utilisons l’am- plificateur opérationnel OA2 pour soustraire le biais et obtenir le signal Y 1. Pour les forces négatives, le signal Y 1 devient négatif, ce qui signifie qu’il ne peut pas activer la porte du MOSFET. Nous utilisons donc l’amplificateur opérationnel OA3 pour inverser et translater le signal du capteur de force pour obtenir le signal Y 2. Finalement, nous utilisons le signal d’encodeur du moteur pour choisir entre les signaux Y 1 et Y 2. Le signal d’encodeur passe à travers un circuit à bascule de type D avec une sortie binaire selon la direction de rotation du moteur. Cette sortie contrôle un multiplexeur qui sélectionne Y 1 pour les vitesses positives et Y 2 pour les vitesses négatives.
5V -3V 50N 100N -50N -100N Y1 Y2 P1
Figure 6.9 – Signal du capteur de force.