L’objectif du TP est de montrer l’intérêt d’utiliser un système en boucle fermée I Présentation de la maquette
La maquette Asservissement de vitesse permet l’étude de la variation de vitesse d’un moteur à courant continu en fonction de la charge connectée à ce moteur.
La charge du moteur est une génératrice à courant continu débitant dans une résistance variable à connecter aux bornes de cette génératrice.
Le plan de la maquette est donné en annexe.
On trouve dans ce système bouclé :
- un banc de machines tournantes (moteur/génératrice) ;
- un étage de puissance à transistors bipolaires jouant le rôle de hacheur de tension alimentant le moteur ;
- un étage sommateur et un étage générateur de rampe servant à la commande du hacheur ; - un étage amplificateur permettant le réglage de la vitesse à vide ;
- un étage comparateur chargé d’effectuer la différence entre le signal de commande et celui de retour,
- un étage commande délivrant une tension de consigne qui fixe la vitesse à la valeur désirée ; - une chaîne de retour chargée de capter la vitesse de rotation, et de la transformer en tension
comparable à la tension de consigne.
Notons que la vitesse est mesurée à l’aide d’une roue polaire et d’un capteur à effet Hall.
En sortie du capteur (borne Ca), on dispose d’une tension créneaux, de fréquence f proportionnelle à la vitesse.
p étant le nombre de paires de pôles de la roue polaire, on a la relation f=pn=5n, avec n en tr/s soit finalement n= f
5 , avec n exprimé en tr/s
TP n°22: REGULATION DE VITESSE D'UN MOTEUR A COURANT CONTINU
+ -
USc USe
USr
USa USs USp n
Amplificateur
Sommateur et Générateur
de rampe
Moteur
Génératrice et
Chaîne de retour commande
comparateur
Puissance
II Préparation
Le synoptique ci-contre illustre les trois maillons principaux que l’on trouve dans l’ensemble des systèmes bouclés.
La transmittance du système bouclé est donnée par la relation T = n/ua
Celle de la chaîne directe est : H = n/uer. Celle de la chaîne de retour est : K = ur/n.
a) Montrez que la transmittance T a pour expression T= H
1HK
...
...
...
...
...
...
b) En déduire l’expression du facteur de régulation F = 1 + HK en fonction de H et T.
...
...
On désire que pour une tension affichée ua = 4 V corresponde une vitesse n0 = 40 tr/s à vide (ce qui correspond à une fréquence f = 200 Hz).
c) Calculez la transmittance T du système.
...
d) Quelles doivent être les valeurs de H et K pour que le facteur de régulation soit de 2.
...
...
e) Même question pour un facteur de régulation de 5.
...
...
+ -
ua uer
ur
n
n H
K
T
Chaîne directe comparateur
Chaîne de retour
III Etude expérimentale
On souhaite fixer la vitesse de rotation de la machine à vide à la valeur n0 = 40 tr/s.
On cherche alors à tracer la courbe n(i), c’est-à-dire l’évolution de la vitesse n, lorsque le courant i débité par la génératrice augmente.
Le courant i constitue une PERTURBATION pour ce système, ce qui a pour effet de modifier la grandeur de sortie (la vitesse n).
a) Réalisation du montage
Aucun connecteur n’est initialement placé sur la maquette.
- Avec une source de tension symétrique +15V/0V/-15V, alimentez la maquette.
- Reliez les bornes Ss et Ep.
- Intercalez une bobine de lissage d’inductance L = 0.3 H dans le circuit de l’induit du moteur (entre les bornes Spet M1).
- Branchez un fréquencemètre (un GBF relié sur sa borne BNC « Input Counter », avec les 2 boutons associés enfoncés) entre Ca et la masse.
b)
Caractéristique n(i) du groupe tournant en boucle ouverte
- Appliquez en Es une tension continue uco provenant d’une alimentation continue auxiliaire telle que l’on ait à vide, une vitesse n = n0 = 40 tr/s (soit 200 Hz).
- Chargez le moteur par un rhéostat (330) branché aux bornes de la génératrice et relevez la caractéristique n(i), i étant le courant fournit par la génératrice (complétez le tableau ci-dessous).
f (Hz) 200
n (tr/s) 40
i (mA)
- Tracez le graphe n(i), caractéristique obtenue en boucle ouverte (on parlera de nBO(i)).
Echelles: 1 cm 2 tr/s et 1 cm 20 mA
-15V 0V +15V
A +
+
Sp -
M1 Ca
fréquencemètre
L=0.3H
c) Caractéristique n(i) en boucle fermée, pour F = 2
Réglages en chaîne ouverte
Ici, on cherche à régler les potentiomètres de la chaîne directe et de la chaîne de retour de manière à avoir n=n0 = 40 tr/s à vide, pour un facteur de régulation F=2.
- Calculez le rapport n0/H et le produit Kn0 si F=2 (voir préparation).
...
- Reliez les bornes Sa et Es (liaison Amplificateur-Sommateur). Avec un générateur auxiliaire, appliquez en Ea une tension uea telle que l’on ait : uea = n0/H
- Agissez sur le potentiomètre de la chaîne directe (étage amplificateur) pour que l’on ait : n = n0
- Ne modifiez pas la valeur de uea. Reliez entre elles, les bornes Er et Cs (liaison convertisseur F/V- Amplificateur de retour).
- Agissez sur le potentiomètre de réglage de la chaîne de retour pour que la tension usr soit égale à Kn0.
Etude en chaîne fermée
Ici, on cherche à régler la grandeur d'entrée (la tension ua) de manière à avoir à vide n=n0 , en boucle fermée. Puis, ua étant fixée, on relève la grandeur de sortie (la vitesse n), lorsque la charge du moteur augmente.
- Supprimez l’alimentation précédente.
- Reliez les bornes Sr et E2 (liaison amplificateur de retour- comparateur), puis les bornes Se et Ea (liaison amplificateur direct- comparateur) et enfin les bornes Sc et E1 (liaison commande- comparateur).
- En agissant sur le potentiomètre de commande, appliquez une tension ua permettant l’obtention à vide d’une vitesse n0.
- En conservant la même valeur pour ua , relevez la caractéristique n(i) du groupe tournant.
f (Hz) 200
n (tr/s) 40
i (mA)
- Tracez sur le même graphe que pour l'étude en boucle ouverte la caractéristique n(i) avec un facteur de régulation de 2 (on parlera de nF2(i) ).
c)
Caractéristique n(i) en boucle fermée, pour F = 5 - Calculez le rapport n0/H et le produit Kn0 si F=5 (voir préparation).
...
- Recommencez l’étude précédente pour cette nouvelle valeur du facteur de régulation.
d)
Exploitation des résultats
- Aux vues des caractéristiques, si l’on souhaite réguler la vitesse à n0=40 tr/s, quelle solution est –il préférable d’adopter ?
...
...
- Pour i=150 mA, calculez :
- la variation de vitesse en boucle ouverte : n0 – nBO(i) = ...
- la variation de vitesse en boucle fermée pour F=2 : n0 – nF2(i) = ...
- la variation de vitesse en boucle fermée pour F=5 : n0 – nF5(i) = ...
- le rapport [n0 – nBO(i)]/[n0 – nF2(i)] = ...
- le rapport [n0 – nBO(i)]/[n0 – nF5(i)] = ...
Ces rapports correspondent aux valeurs expérimentales des deux facteurs de régulation choisis théoriquement. Comparez-les aux valeurs théoriques (F=2 et F=5).
...
...
En conclusion, complétez les phrases suivantes:
