C OMPOSANTES DES CHAÎNES FONCTIONNELLES
CCP 2009 : Commande des gouvernes de l’A380
Objectifs REPRESENTER-MODELISER
Ce fascicule se veut être un support pour aborder les différents travaux pratiques qui s’articulent autour du programme suivant:
• la chaîne d’action :
◦ les transmetteurs de puissance et les effecteurs : fonction, mobilité fonctionnelle d’une partie opérative l¸es actionneurs et pré actionneurs associés : fonction, typologie des énergies d’entrée et de sortie
• la chaîne d’information :
◦ les capteurs: fonction ; typologie des informations d’entrée et de sortie
◦ les commandes programmables : fonction.
• la chaîne d’énergie :
◦ les interfaces de commande et de puissance : fonction, typologie des énergies d’entrée et de sortie.
• Représentation schématique de la structure des chaînes fonctionnelles (mécaniques , électriques, hydrauliques et pneumatiques) :
◦ graphe de structure
◦ schéma cinématique minimal, schéma d’architecture
◦ schémas électriques, hydrauliques et pneumatiques.
Table des matières
1 Chaînes fonctionnelles 3
1.1 Structure générale d’un système automatisé . . . . 3
1.2 Eléments de dialogue homme/machine . . . . 4
1.3 Transformateurs du mouvement mécanique . . . . 4
1.4 Les transmissions hydrostatiques . . . . 4
2 Actionneurs 7 2.1 Généralités . . . . 7
2.2 Moteurs . . . . 8
2.3 Vérins . . . . 15
3 Pré-actionneurs 19 3.1 Préactionneurs hydrauliques et pneumatiques . . . . 19
3.2 Préactionneurs électriques . . . . 21
4 Capteurs 24 4.1 Nécessité de capteurs . . . . 24
4.2 Détecteurs de présence . . . . 26
4.3 Mesure d’une position . . . . 28
4.4 Mesure d’une vitesse . . . . 34
4.5 Mesure d’une accélération . . . . 35
4.6 Mesure d’une déformation . . . . 36
4.7 Mesure d’une force, d’un couple et d’une pression . . . . 37
4.8 Mesure d’une température . . . . 39
5 Schématisation 42 5.1 Symboles normalisés pneumatique et hydraulique . . . . 42
5.2 Schémas . . . . 47
Chapitre 1
Chaînes fonctionnelles
1.1 Structure générale d’un système automatisé
Un système automatisé est composé d’un partie commande et d’une partie opérative. A ces parties, une interface de dialogue est introduite entre l’homme et la machine.
La partie opérative peut être décomposées en plusieurs ensembles:
• les capteurs
• les effecteurs
• les actionneurs
• les pré-actionneurs
• les transmetteurs de puissance
4. LES TRANSMISSIONS HYDROSTATIQUES 4/48
1.2 Eléments de dialogue homme/machine
A l’interface homme machine des composants de différentes natures permettent le dialogue:
Opérateur→PC PC→Opérateur
Dialogue élémentaire (sans informations alphanumériques ni analogiques)
Bouton poussoir Voyants colorés fixe et clignotants
Bouton tournant Gyrophares
Bouton à clef Avertisseurs sonores
Pédale
Manche à position multiple . . .
Dialogue alphanumérique
Roue codeuse Afficheur 7 segments
Clavier alphanumérique Ecran
. . . Imprimante
Dialogue analogique
Potentiomètre Indicateur analogique (à aiguille)
Souris . . .
1.3 Transformateurs du mouvement mécanique
L’étude des transformateurs de mouvements est effectuée en Tp. Les supports proposés permettent d’étudier les systèmes:
• Vis-Ecrou (Maxpid)
• Croix de Malte (Capsuleuse de bocaux)
• 4 barres à longueurs fixes (Ouvre portail)
• 3 barres dont une est un vérin (Pilote automatique)
• Bielle-manivelle (Solidworks, scie égoïne)
• Pignon-crémaillère (Groom)
• . . .
1.4 Les transmissions hydrostatiques
4. LES TRANSMISSIONS HYDROSTATIQUES 5/48
1.4.1 Introduction
Il existe différents types de transmissions hydrauliques :
• les transmissions hydrocinétiques caractérisées par de faibles pressions (environ 1 bar) mais des vitesses de fluide très élevées (100 m.s−1) : nous ne les étudierons pas.
• les transmissions hydrostatiques caractérisées par de fortes pressions de fluide ( de l’ordre de 300 à 1000 bar) et de faibles vitesses (< 5 m.s−1).
1.4.2 Structure d’une transmission hydrostatique La structure d’une transmission hydrostatique est la suivante :
Ces transmissions présentent de grands avantages :
• Grande puissance transmissible
• Flexibilité : les liens entre la pompe hydraulique et le moteur hydraulique ne sont que des tuyaux.
• Elles autorisent de plus des variations continues de la vitesse de rotation du récepteur mécanique.
Ainsi, une telle transmission est utilisée dans de nombreux engins de Travaux Public, mais aussi maintenant dans l’automo- bile : le 4x4 HONDA CRV nommé Joy Machine comporte un moteur thermique qui entraîne une pompe hydraulique qui entraîne quant à elle, via des tuyaux (grand intérêt pour la direction et le débattement des roues), 4 moteurs hydrauliques placés dans chacune des roues.
Le sujet CCP 2008 était consacré à la transmission à variation continue VARIO-FENDT (sur un tracteur).
Les moteurs hydrauliques ne sont pas présents au laboratoire de Sciences Industrielles. Cependant, nous possédons la pompe hydraulique de la direction assistée DIRAVI et celle du pilote automatique.
REMARQUE:Un moteur hydraulique fonctionne de manière inverse par rapport à une pompe hydraulique.
1.4.3 Notations et définitions de base
DÉFINITION: Cylindrée d’une pompe ou d’un moteur
Quantité de fluide refoulée ou admise (cas d’un moteur) pour une rotation unitaire de l’arbre d’entrée (ou de sortie pour un moteur). Cette quantité s’exprime donc, en unité SI, en m3.
DÉFINITION: Débit
Quantité de fluide refoulée ou admise par unité de temps
4. LES TRANSMISSIONS HYDROSTATIQUES 6/48
Le débit est aussi le produit de la cylindrée par la vitesse de rotation :
Q=V.ω avec
Q débit en m3/s V cylindrée en m3/rad ω vitesse de rotation rad/s
DÉFINITION: Couple
Force mécanique de rotation pure.
RAPPELSoit une forceF appliquée au point P. Le moment#»
M#»(O,F# »
P)de la force #»
F appliquée au point P est:
M#»(O,F# »
P)= # » OP∧#»
F La puissance mécanique P en entrée de la pompe est donnée par:
P=C.ω avec
P puissance en W
C couple exercé par le moteur d’entrainement sur la pompe en N.m ω vitesse de rotation de la pompe rad/s
La puissance mécanique est aussi égale au produit du débit Q par la différence de pression∆P.
Nous avons donc Q.∆P=C.ω avec Q=V.ω d’où C=V.∆P 1.4.4 Relations fondamentales
On se place ici dans le cas où le système ne comporte qu’une pompe et qu’un moteur hydraulique
1.4.4.1 Cinématique
En supposant le fluide (de l’huile) incompressible, en se plaçant en régime permanent, en négligeant les éventuelles fuites et déformations (tuyaux), nous pouvons écrire l’égalité des débits sortant de la pompe (Qsp) et entrant dans le moteur (Qem):
Qsp = Vp.ωp
Qem = Vm.ωm avec Vpet Vmles cylindrées de la pompe et du moteur
On a donc Vm.ωm=Vp.ωpsoit
ωm= Vp
Vm.ωp
1.4.4.2 Dynamique
En se plaçant en régime permanent, en négligeant les éventuelles fuites, frottements et pertes de charges dans les tuyaux, nous pouvons écrire l’égalité de la différence de pression∆P en sortie de pompe et en entrée du moteur::
Cp = Vp.∆P
donc
Cp= Vp Vm
.Cm
Chapitre 2
Actionneurs
2.1 Généralités
2.1.1 Fonction globale d’un actionneur
La fonction globale d’un actionneur est de convertir une énergie d’entrée disponible sous une certaine forme en une énergie de sortie utilisable pour obtenir un effet donné.
Unactionneurtransforme donc lanature de l’énergie 2.1.2 Rendement d’un actionneur
La conversion d’une énergie produit toujours, outre la forme d’énergie recherchée (que l’on qualifie d’énergie utile), une ou plusieurs formes secondaires d’énergie. Le rendementηd’un actionneur correspond au rapport entre l’énergie utile de sortie recueillie pendant un intervalle de temps donné et l’énergie entrée pendant le même intervalle de temps:
η= énergie utile de sortie énergie d’entrée EXEMPLE:Moteur électrique
Dans un moteur électrique asynchrone, une fraction de l’énergie électrique d’entrée est dissipée sous forme thermique dans les bobinages. Le rendement correspond au rapport entre l’énergie mécanique disponible sur l’arbre de sortie et l’énergie électrique fournie. Il a pour valeur de 0,8 à 0,95 selon le type de moteur.
2.1.3 Classification générale des actionneurs
Une classification générale des actionneurs peut être effectuée à partir de leur fonction globale, c’est à dire de leur mode de conversion d’énergie réalisée dans l’actionneur. On prend donc en compte pour établir cette classification:
• la forme de l’énergie d’entrée de l’actionneur
• la forme de l’énergie de sortie de l’actionneur
Les familles d’actionneurs les plus couramment utilisées en construction mécanique se distinguent en deux groupes:
• les actionneurs qui assurent la transformation d’énergie électrique en énergie mécanique: moteur électriques, elec- troaimants
2. MOTEURS 8/48
• les actionneurs qui assurent la transformation d’une forme d’énergie mécanique en une autre forme d’énergie méca- nique. Ces actionneurs sont généralement désignés par le terme d’actionneurs mécaniques.
2.2 Moteurs
Le terme général de moteur englobe les actionneurs mécaniques, les actionneurs électromécaniques (moteurs électriques), les actionneurs thermo-mécaniques (turbines à gaz) et chimio-mécaniques (moteurs à combustion interne), c’est à dire tous les actionneurs dont l’énergie de sortie est une énergie mécanique.
2.2.1 Moteurs électriques
2.2.1.1 Fonction globale
La fonction global d’un moteur électrique est de convertir une énergie électrique (U.I avec U la tension et I l’intensité) en énergie mécanique de rotation (C.ωavec C le couple etωla vitesse de rotation).
Un moteur électrique possède unstator (partie fixe)et unrotor (partie mobile).Il existe plusieurs sortes de moteurs électriques qui différent selon la technologie de leur rotor et stator.
2. MOTEURS 9/48
2.2.1.2 Machine à courant continu
Le stator est un aimant qui crée un champ magnétique #»
B. Le rotor comporte des conducteurs bobinés parcourus par un courant continu.
L’avantage principal des machines à courant continu réside dans leur adaptation simple aux moyens permettant de régler ou de faire varier leur vitesse, leur couple et leur sens de rotation.
Le principal défaut de la machine à courant continu réside dans l’ensemble balais/- collecteur rotatif qui s’use, est complexe à réaliser et consomme de l’énergie. Un autre problème limite les vitesses d’utilisation élevées de ces moteurs lorsque le ro- tor est bobiné, c’est le phénomène de défrettage, la force centrifuge finissant par casser les liens assurant la tenue des ensembles de spires (le frettage).
Le fonctionnement de ce moteur est régi par 4 équations (cf cours sur les machines CC).
u(t) = R.i(t)+L.di
dt+e(t) équation électrique J.dω
dt = Cm(t)−Cr(t) équation mécanique Cm(t) = K.φ.i(t) force de Laplace
e(t) = K.φ.ω(t) induction de Faraday
Les domaines d’utilisations de ce moteur sont les sui- vants:
• hifi, informatique
• commande d’axe
• applications à performances élevées et/ou à petites puissances
2.2.1.3 Machine à courant alternatif
Moteur universel
Un moteur universel est une machine à courant continu à excitation série : le rotor est connecté en série avec l’enroulement inducteur. Le couple de la machine est indépendant du sens de circulation du courant (couple proportionnel au carré du courant) et peut donc être alimenté en courant alternatif. Pour limiter les courants de Foucault qui apparaissent systémati- quement dans toutes les zones métalliques massives soumises à des champs magnétiques alternatifs, son stator est feuilleté.
Les moteurs universels sont utilisés dans des dispositifs exigeant un couple assez fort, tel qu’un robot de cuisine, l’outillage électroportatif de faible puissance (jusqu’à 1200 W) ou encore les aspirateurs. La vitesse de rotation de ces moteurs peut être facilement réglée par un dispositif peu coûteux tel qu’un gradateur (variateur servant à régler l’intensité lumineuse des luminaires).
2. MOTEURS 10/48
Moteur asynchrone
La machine asynchrone, connue également sous le terme anglo-saxon de machine à induction, est une machine électrique à courant alternatif sans connexion entre le stator et le rotor. Les machines possédant un rotor en cage d’écureuil sont aussi connues sous le nom de machines à cage ou machines à cage d’écureuil. Le terme asynchrone provient du fait que la vitesse de ces machinesn’est pas forcément proportionnelle àla fréquence des courants qui les traversent.
Les courants statoriques créent un champ magnétique tournant dans le stator. La fréquence de rotation de ce champ est imposée par la fréquence des courants statoriques, c’est-à-dire que sa vitesse de rotation est proportionnelle à la fréquence de l’alimentation électrique. La vitesse de ce champ tournant est appeléevitesse de synchronisme.
L’enroulement au rotor est donc soumis à des variations de flux (du champ magnétique). Une force électromotrice induite apparaît et crée des courants rotoriques. Ces courants sont responsables de l’apparition d’un couple qui tend à mettre le rotor en mouvement afin de s’opposer à la variation de flux : loi de Lenz. Le rotor se met donc à tourner pour tenter de suivre le champ statorique.
La machine est dite asynchrone car elle est dans l’impossibilité, sans la présence d’un entraînement extérieur, d’atteindre la même vitesse que le champ statorique. En effet, dans ce cas, vu dans le référentiel du rotor, il n’y aurait pas de variation de champ magnétique ; les courants s’annuleraient, de même que le couple qu’ils produisent, et la machine ne serait plus entraînée. La différence de vitesse entre le rotor et le champ statorique est appelée vitesse de glissement.
Couple en fonction du glissement
Couple en fonction de la vitesse de rotation
Couple en fonction de la vitesse de rotation et de la fréquence d’excitation
2. MOTEURS 11/48
Lorsqu’il est entraîné au-delà de la vitesse de synchronisme - fonctionnement hypersynchrone - la machine fonctionne en générateur alternatif. Mais son stator doit être forcément relié au réseau car lui seul peut créer le champ magnétique néces- saire pour faire apparaître les courants rotoriques.
Moteur synchrone
Les courants du stator créent un champ magnétique tournant dans le stator. Sa fréquence de rotation (sa vitesse) est proportionnelle à la fréquence de l’alimentation électrique. La vitesse de ce champ tournant est appeléevitesse de synchronisme.
Le rotor, souvent appelé roue polaire, est alimenté par une source continue ou auto induite (spire en court-circuit). Il peut aussi être constitué d’aimants permanents, le rotor n’a alors plus besoin d’alimentation.
Le champ magnétique du rotor créé cherche en permanence à s’aligner sur celui du stator.
C’est le principe de la boussole (qui voit elle par contre un champ magnétique fixe). Cette machine est dite synchrone : le champ du rotor ne peut que tourner à la même vitesse que le champ du stator.
Une machine synchrone est une machine électrique possédant deux modes de fonctionnement:
• fonctionnement générateur : Elle produit un courant électrique dont la fréquence est déterminée par la vitesse de rotation de la machine
• fonctionnement moteur : Elle absorbe un courant électrique dont la fréquence détermine la vitesse de rotation de la machine
Au-delà de quelques kilowatts, les machines synchrones sont généralement des machines triphasées. Les alternateurs sont des machines synchrones fonctionnant en génératrice.
Les machines synchrones sont également utilisées dans les systèmes de traction (tel le TGV). Ces machines sont associées à des onduleurs de courants, ce qui permet de fixer le couple moteur moyen constant avec un minimum de courant. On parle d’autopilotage (asservissement des courants statoriques par rapport à la position du rotor).
2.2.1.4 Moteur pas à pas
Un rotor interne contenant des aimants permanents est déplacé par un ensemble d’électroaimants situés dans le stator (un ensemble de bobines alimentées par des impulsions de courant continu).
Le rotor ne tourne pas de façon continue. En augmentant la fréquence des ordres de commutation, le fonctionnement est assimilable à celui d’un moteur à courant continu.
Ses caractéristiques sont principalement:
• nombre de position par tour : pas
• couple maximum
Le moteur pas à pas est utilisé pour des applications nécessitant un position- nement précis sans boucle d’asservissement.
2. MOTEURS 12/48
Pas 1 Pas 2 Pas 3 Pas 4
Pas 5 Pas 6 Pas 7 Pas 8
2.2.2 Moteurs thermiques
2.2.2.1 Fonction globale
La fonction global d’un moteur thermique est de convertir une énergie chimique (∆H chaleur de réaction et n, nombre de mole) en énergie mécanique de rotation (C.ωavec C le couple etωla vitesse).
2.2.2.2 Moteur 4 temps
Principe de fonctionnement du moteur à essence:
1. Le cycle commence au point mort haut, quand le piston est à son point le plus élevé. Pendant le premier temps le piston descend (admission) ; un mélange d’air et de carburant est aspiré dans le cylindre via la soupape d’admission.
2. La soupape d’admission se ferme, le piston remonte (compression) comprimant le mélange admis.
3. Le mélange air-carburant est alors enflammé, habituellement par une bougie d’allumage, aux environs du deuxième point mort haut (remontée complète du piston). L’expansion des gaz portés à haute température lors de la combustion force le piston à descendre pour le troisième temps (détente). Ce mouvement est le seul temps moteur (produisant de l’énergie directement utilisable).
4. Lors du quatrième et dernier temps (l’échappement) les gaz brûlés sont évacués du cylindre via la soupape d’échap- pement poussés par la remontée du piston.
Départ 1 - Admission 2 - Compression Carburant enflammé 3 - Détente 4 - Echappement
2. MOTEURS 13/48
Moteur Essence
Cycle 4 temps d’un moteur essence (d’après Dessin Editechnic - Citroën 84-161-1)
1 - Bobine 2 - Allumeur 3 - Carburateur 4 - Bougie 5 - Air 6 - Essence
ADMISSION COMPRESSION EXPLOSIONDÉTENTE ECHAPPEMENT
Aspiration d’un mélange air + essence
Compression du mélange. Température
d’environ 300◦C
Allumage du mélange par
étincelle électrique Evacuation des gaz brûlés Moteur Diesel
Cycle 4 temps d’un moteur Diesel (d’après Dessin Editechnic - Citroën 84-161-2)
1 - Air 2 - Pompe
d’injection 3 - Injecteur 4 - Gazole
ADMISSION COMPRESSION COMBUSTIONDÉTENTE ECHAPPEMENT
Aspiration d’air
Compression élevée de l’air. Température d’environ 600◦C
Injection du gazole qui s’enflamme au contact de
l’air surchauffé
Evacuation des gaz brûlés
2.2.2.3 Moteur 2 temps
Le moteur à 2 temps réalise le cycle Beau de Rochas (aspiration, compression, détente, échappement) en 2 courses de piston au lieu de 4 courses prévues dans le moteur 4 temps.
• A Admission dans le carter et compression dans le cylindre.
• B Compression dans le carter et explosion-détente dans le cylindre.
• C Transfert carter/cylindre et échappement du cylindre
• 1er temps (du PMB au PMH) Le piston étant au PMB, le mélange air-essence est introduit sous une faible pression de 1,2 à 1,4 bars. Au 1/7 environ de sa course, le piston ferme les lumières pour permettre la compression.
• 2ème temps (du PMH au PMB) La combustion commence un peu avant le PMH ; après le PMH, la descente du pis- ton réalise le "temps moteur". Au 6/7 environ de sa course, le piston découvre l’orifice d’échappement pour permettre l’évacuation des gaz brûlés. Dans les moteurs 2 temps à lumières, les opérations d’admission et d’échappement ont une durée très réduite et elles s’effectuent toutes les deux au voisinage du PMB.
2. MOTEURS 14/48
2.2.3 Pompes et moteurs pneumatiques et hydrauliques
2.2.3.1 Fonction globale
La fonction global d’un moteur hydraulique est de convertir une énergie hydraulique (∆P.Q avec∆P la pression et Q le débit) en énergie mécanique de rotation (C.ωavec C le couple etωla vitesse).
2.2.3.2 Typologie
Les moteurs pneumatiques et hydrauliques se divisent en deux grandes catégories:
• les moteurs à pistons
◦ à pistons axiaux (rapides,ω≈3000 tr/min)
◦ à pistons radiaux (plus lents,ω≈750 tr/min)
• les moteurs à palette ou à engrenages (rapides mais de durée de vie limitée et de rendement plus faible).
Ils sont caractérisés par leur cylindrée qui correspond au volume de fluide déplacé par tour:
Cylindrée= Q
ω avec Q le débit etωla vitesse de rotation 2.2.3.3 Exemples
Pompe à pistons axiaux Pompe à palettes
Moteur à pistons radiaux Pompe à engrenages
3. VÉRINS 15/48
2.3 Vérins
2.3.1 Vérins électriques
2.3.1.1 Fonction globale
La fonction global d’un vérin électrique est de convertir de l’énergie électrique (U.I avec U la tension et I l’intensité) en énergie mécanique de translation (F.V avec F la force et V la vitesse).
2.3.1.2 Exemple: vérins de la plate forme 6 axes (Deltalab)
source:Stéphane GENOUEL 2.3.2 Les vérins hydrauliques et pneumatiques
La puissance mécanique développée en technologie pneumatique est moins importante que celle développée en technologie hydraulique, mais son coût est beaucoup moins élevé. D’autre part, l’écoulement d’air est compressible, alors que le fluide utilisé en hydraulique est de l’huile qui permet d’obtenir un écoulement incompressible dans la plupart des applications.
Pour réaliser des asservissements, on préférera une technologie hydraulique à une technologie pneumatique.
2.3.2.1 Fonction globale
La fonction global d’un vérin hydraulique ou pneumatique linéaire est de convertir de l’énergie hydraulique ou pneumatique (∆P.Q avec∆P la pression et Q le débit) en énergie mécanique de translation (F.V avec F la force et V la vitesse).
3. VÉRINS 16/48
2.3.2.2 Les différents types de vérins
Vérin simple effet Vérin double effet
Les vérins simple effet
L’air comprimé (ou l’huile) ne fournit un effort que dans un seul sens, le rappel étant assuré par un ressort.
On distingue deux types de vérins simple effet :
les vérins simple effet normalement sortis les vérins simple effet normalement rentrés
3. VÉRINS 17/48
Les vérins double effet
• Les vérins double effet non amortis
L’huile ou l’air comprimé fournit l’effort à la sortie et à la rentrée de la tige du vérin.
Les vérins non amortis tels que celui représenté ci-dessous sont utilisés en général pour des déplacements de la tige à faible vitesse.
• Les vérins double effet amortis
Les masses déplacées par les vérins pneumatiques à double effet et l’importance des vitesses atteintes engendrent des efforts d’inertie élevés.
Il est nécessaire de réduire ces efforts en fin de course afin d’éviter les chocs des pistons sur les corps des vé- rins. Pour cela, on insère des dispositifs d’amortisse- ment. L’amortissement peut être réglable.
1 - Tête 8 - Tirant
2 - Corps 9 - Tige de piston
3 - Piston 10 - Vis de purge d’air
4 - Fond 11 - Capuchon de securité
5 - Chemise d’adapatation 12 - Ecrou de Tirant 6 - Chemise d’amortissement 13 - Jeu de joints 7 - Ecrou de piston
Les vérins rotatifs
Vérin rotatif à crémaillère Vérin rotatif à palettes
3. VÉRINS 18/48
2.3.2.3 Aspect cinématique (uniquement dans le cas de fluide incompréhensible, huile) La vitesse de la tige du vérin est liée au débit d’huile incom-
pressible qui entre par la relation : Q=S.v
avec Q, le débit en m3/s, S la section en contact avec le fluide (qui n’est pas la même de chaque coté) en m2 et enfin v la vitesse de sortie de la tige en m/s.
Il est très clair que pour un même débit d’entrée, la vitesse de sortie de la tige est plus faible que la vitesse d’entrée puisque S1>S2. Pour palier cet inconvénient, il est possible d’utiliser des vérins à double tige :
2.3.2.4 Aspect statique
Prenons un vérin à double effet non amorti, au bout duquel nous fixons une masse (masse M).
En appliquant le Principe Fondamental de la Statique à l’en- semble de la tige du piston et de la masse M, nous avons :
• Cas n◦1 en prenant pour simplifier p2 = 0, nous avons M.g= p1.S1
• Cas n◦2 en prenant pour simplifier p1 = 0, nous avons M.g= p2.S2
Nous avons donc p1< p2car S1 >S2. Ainsi, là aussi, nous pouvons utiliser un vérin double effet à double tige pour pallier cet inconvénient.
2.3.2.5 Notion de taux de charge
Pour pouvoir réaliser l’étanchéité et le guidage d’un vérin, il est nécessaire d’utiliser des joints et des bagues de guidage.
Ces éléments, s’ils remplissent correctement leur fonction, vont générer des frottements. Ces frottements vont nuire au bon fonctionnement du vérin. Pour en tenir compte dans la détermination des efforts exercés par un vérin, il est nécessaire de prendre en considération le taux de charge du vérin.
Les efforts F exercés sur le mobile en mouvement sont alors donnés par F=η.∆p.S oùηest appelé le taux de charge
Chapitre 3
Pré-actionneurs
Les préactionneurs font partie de la chaîne d’action d’un système automatisé. Les préactionneurs sont les interfaces entre la Partie Commande et la Partie Opérative. Ils distribuent, sur ordre de la Partie Commande, l’énergie de puissance aux actionneurs.
3.1 Préactionneurs hydrauliques et pneumatiques
3.1.1 Distributeurs hydrauliques et pneumatiques Pour la représentation des sources d’énergie:
• Pour un distributeur pneumatique, la source d’énergie est représentée par un triangle ou un cercle avec un point vide.
• Pour un distributeur hydraulique, la source d’énergie est représentée par un triangle plein ou un cercle avec un point plein à l’intérieur.
3.1.1.1 Fonction
Un distributeur est un préactionneur qui, à la réception d’un signal de commande, laisse passer le débit d’air (d’huile) d’un circuit pneuma- tique (hydraulique) vers un vérin.
1 solénoïde 6 orifices d’échange
2 piston 7 indicateur de pression
3 tiroir avec joints d’étanchéité 8 déblocage manuel 4 corps du distributeur 9 connecteur électriques 5 ressort de rappel
3.1.1.2 Désignation normalisée
Les distributeurs sont définis par deux caractéristiques fonctionnelles:
• le nombre d’orifices principaux nécessaires au fonctionnement des différents types d’actionneurs, non compris les orifices de pilotage.
• le nombre de positions, généralement 2, définissant l’une l’état repos l’autre l’état travail. il est possible d’avoir 3 positions, il y aura alors deux positions travail et une position repos.
1. PRÉACTIONNEURS HYDRAULIQUES ET PNEUMATIQUES 20/48 La désignation d’un distributeur se présente comme une fraction donnant
le nombre d’orifice puis le nombre de positions.
La représentation schématique des distributeurs est un juxtaposition de cases carrées.
• Il y a autant de cases que de positions
• Pour chaque position les flèches représentent les connexions internes reliant les orifices. La flèche donne le sens d’écoulement. On re- trouve dans chaque case un même emplacement pour chaque orifice.
Un orifice orphelin est marqué par un bouchon en forme de T.
3.1.1.3 Raccordement
A l’extérieur, dans le prolongement des orifices, on représente les conduites amenant le fluide.
• Elles sont obligatoirement raccordées à la même case associée à la position de référence, appelée position active pour le composant mais position initiale pour le système.
• La source de pression et l’échappement sont identifiables par leur symbole spécifique qui simplifie le schéma global.
• Les autres conduites sont représentées par un trait simple reliant deux composants.
• Les conduites auxiliaires sont représentées en trait interrompu (poin- tillé).
3.1.1.4 Les différents types de pilotage
La nature des commandes peut être très variée, simple ou parfois multiple:
• commande manuelle par poussoir, coup de poing, levier ou pédale
• commande électrique par solénoïde
• commande hydraulique ou pneumatique
• commande mécanique pour les capteurs
• commande par ressort (il s’agit alors de distributeur monostables) Par défaut, la case centrale correspond à une situation stable, forcée par un ou plusieurs ressorts.
3.1.1.5 Stabilité des distributeurs DÉFINITION: Distributeurs monostables
distributeur ayant un déficit entre le nombre de positions que peut prendre ce distributeur et le nombre de pilotes DÉFINITION: Distributeurs bistables
distributeur ayant deux positions stables
2. PRÉACTIONNEURS ÉLECTRIQUES 21/48
3.2 Préactionneurs électriques
REMARQUE:ne passer pas 3 heures sur cette partie ! Parmi les préactionneurs électriques les plus utilisés on trouve les relais et les contacteurs.
Ces dispositifs permettent de commander un circuit de puis- sance à partir d’un circuit de commande. Les relais sont utilisés avec des circuits intégrés et un petit circuit de com-
mutation (transistor). Ils permettent de commander un circuit de puissance (contacteurs, lampes. . . ).
Les contacteurs fonctionnent de la même façon que les re- lais. Ils permettent cependant la circulation d’un courant beaucoup plus important. Les contacteurs sont utilises pour des très fortes puissances (moteur).
3.2.1 Relais
3.2.1.1 Relais electromagnetique
Definition
Comme son nom l’indique, il sert en tout premier lieu à relayer, c’est a dire à faire une transition entre un courant faible et un courant fort.
Mais il sert également a commander plusieurs organes simultanément grâce a ses multiples contacts synchronises.
Constitution
Un relais standard est constitué d’une bobine qui lorsqu’elle est sous tension attire par un phénomène électromagnétique une armature ferromagnétique qui déplace des contacts.
Caracteristique
Un relais est caractérise par :
• la tension de sa bobine de commande, 5 V à 220 V.
• le pouvoir de coupure de ses contacts, qui est géné- ralement exprime en Ampère, 0,1 A à 50 A. C’est le courant maximal qui pourra traverser les contacts.
• le nombre de contacts souhaités.
• son emplacement, circuit imprimé, à visser, embro-
chable, à souder.
• le type de courant de sa bobine, en général du continu.
• la tension d’isolement entre la bobine et les contacts.
• la gamme de temps pour un relais temporisé.
• son ambiance, vibrations, humidité, poussières, tem- pérature.
2. PRÉACTIONNEURS ÉLECTRIQUES 22/48
Contacts
On appelle contact, les parties métalliques qui trans- mettent ou interrompent le courant en fonction de la commande de la bobine. On peut distinguer 3 types de contacts
Contact à fermeture NO
Contact à ouverture NF Contact inverseur
3.2.1.2 Relais statique Définition
Un relais statique est par définition un organe ayant la fonction d’un relais mais réalisé avec des composants électroniques, sans aucune pièce mécanique en mouvement.
Constitution Circuit d’entrée
Celui-ci assure l’isolement galvanique entre le circuit de commande et celui de puissance. Cet isolement est assuré par un photocoupleur.
Circuit d’adaptation
Il traite le signal d’entrée et assure la commutation du circuit de sortie. En particulier dans le cas de la commutation au zéro de tension, ce circuit assure que la commutation de la sortie à lieu au zéro de tension suivant.
Circuit de sortie
Il est composé de l’organe de puissance. Celui-ci peut être soit un triac soit des thyristors antiparallèles.
Dans le cas de la commutation de charges continues, l’élément de puissance est soit un transistor soit un MOSFET
3.2.2 Contacteurs
Les contacteurs électromagnétiques sont les préactionneurs associés aux actionneurs élec- triques, principalement les moteurs.
3.2.2.1 Définition
Le contacteur est un appareil mécanique de connexion, capable d’établir, de supporter et d’interrompre des courants dans les conditions normales du circuit, y compris les conditions de surcharge en service.
3.2.2.2 Constitution
Le contacteur comporte 4 ensembles fonctionnels :
• le circuit principal ou circuit de puissance
• le circuit de commande
• le circuit auxiliaire
• l’organe moteur
2. PRÉACTIONNEURS ÉLECTRIQUES 23/48
3.2.2.3 Caractéristiques des contacteurs
• Tension nominale : tension maximale d’utilisation en courant continu ou en courant alternatif de fréquence 50 ou 60 Hz.
• Intensité nominale : courant d’utilisation.
• Pouvoir de coupure : valeur du courant que le contacteur peut couper sous une tension donnée.
• Nombre de pôles : uni-, bi-, tri- et tétrapolaire selon le type d’installation et le régime de neutre.
3.2.2.4 Choix d’un contacteur
Le choix se fait en fonction du courant nominal alternatif ou continu et de la tension nominale et en tenant compte de certains éléments comme :
1. la catégorie d’emploi (chauffage, distribution, commande moteur, ascenseurs. . . ) 2. de la nature du circuit de commande : tension d’alimentation de la bobine 3. du nombre de manœuvres par heure et du nombre d’heures d’utilisation par jour 4. du pouvoir de coupure
3.2.2.5 Représentation et schéma
3.2.2.6 Principe de fonctionnement
Explications :
1. Une impulsion sur MARCHE enclenche KM1 qui s’au- toalimente (par son contact auxiliaire). Le moteur tourne.
2. Une impulsion sur ARRET provoque l’arrêt. Le moteur s’arrête
Chapitre 4
Capteurs
4.1 Nécessité de capteurs
4.1.1 Mesure - grandeurs physiques à mesurer
4.1.1.1 Définitions
La mesure est une représentation quantifiée d’une grandeur physique. On définit la terminologie suivante : DÉFINITION: Mesurande
Grandeur physique (pression, température,. . . ) soumise à un mesurage DÉFINITION: Mesurage
Toutes les opérations permettant l’obtention de la valeur numérique d’une grandeur physique (mesurande) DÉFINITION: Mesure
Valeur numérique représentant au mieux la mesurande (6 MPa, 20◦C, 2 m/s,. . . )
4.1.1.2 Unités et dimensions
Par abus de langage, on confond souvent mesurage (action) et mesure (résultat de l’action). Les techniques de mesurage font appel à des méthodes très variées et font intervenir différents types de phénomènes physiques.
Lavaleur numérique de la mesure est associée à une unité. Les grandeurs qui nous intéressent sont celles qui interviennent dans le domaine de la mécanique physique, à savoir principalement : déplacement, allongement, vitesse, débit, accélération, force, pression, contrainte, température.
Il est possible d’exprimer la dimension de la mesure à partir du produit de quelques dimensions.
EXEMPLE:système M, K, s, A pour Mètre [L], Kilogramme [M], Seconde [T ], Ampère [I]. Pour exprimer toutes les grandeurs ren- contrées en mécanique, nous utiliserons aussi le Kelvin pour la
Grandeur physique soumise à mesurage Unités Dimensions
Longueur, épaisseur m [L]
Position, niveau m [L]
Déplacement m [L]
Allongement relatif (Déformation) 1 1
Temps s [T ]
Vitesse linéaire m/s [L]
[T ]
Vitesse angulaire rad/s 1
[T ]
Vibration, Accélération m.s-2 [L]
[T ]2
Force N [M].[L]
[T ]2
Couple N.m [M].[L]2
[T ]2 [M]
1. NÉCESSITÉ DE CAPTEURS 25/48
2. DÉTECTEURS DE PRÉSENCE 26/48
4.1.1.3 Principe du mesurage
Pour mesurer une grandeur, on utilise un corps d’épreuve qui lui est sensible.
EXEMPLE:Pour la mesure de la température, on utilise dans une thermomètre traditionnel, le mercure.
La chaîne d’acquisition permet de transformer une grandeur à mesurer en un signal électrique exploitable.
Transformer Adapter le signal
Transmettre le signal
Traiter le signal Grandeur
à mesurer
Signal électrique de bas niveau
Signal de mesure
Signal de mesure transmis
Signal exploitable Capteur Conditionneur Transmetteur
La chaîne d’acquisition est intégrée dans des systèmes qui nécessitent le pilotage d’une grandeur. On obtient le schéma classique suivant:
− + Consigne
Correcteur
Ecart Commande de
puissance
Système physique
Grandeur physique
Chaîne d’acquisition
Grandeur à mesurer Signal
exploitable
4.1.2 Capteurs
La fonction d’un capteur est de délivrer un signal électrique de sortie S qui est fonction de la mesurande m.
Le capteur nous donne la relation S = f (m):
S = f (m)
m
Dans le domaine nominal d’emploi, on va définir les carac- téristiques métrologiques suivantes :
• Etendue de mesure
• Plage d’utilisation
• Domaine de linéarité
• Sensibilité statique et dynamique
• Résolution et précision
• Rapidité et temps de réponse
• Hystérésis et répétitivité
• Etalonnage,. . .
4.2 Détecteurs de présence
2. DÉTECTEURS DE PRÉSENCE 27/48
4.2.1 Capteurs de fin de course ou détecteurs de position
Ces sont des capteurs de type tout ou rien, c’est à dire qu’ils n’ont pas pour fonction de mesurer, mais uniquement de détecter des événements. C’est pour cela qu’on les trouve surtout sur les systèmes automatisés de production.
Détecter la
présence d’un objet Signal électrique Présence ou non de
l’objet au lieu désiré
capteur de présence
4.2.1.1 Contacteurs de fin de course
Il s’agit de contacteurs délivrant un signal électrique lorsque la tige du vérin est dans la position extrême : rentrée ou sortie.
• Avantages : ils sont simples à installer, très peu chers
• Inconvénients : ils ont une durée de vie relativement courte car il y a toujours contact entre la pièce dont on souhaite avoir les positons extrêmes et le contacteur.
4.2.1.2 Interrupteurs à lame souple (ILS)
On place un anneau magnétique au niveau de la tige du piston et ce champ magnétique permanent vient modifier le champ magnétique au niveau du capteur.
Un tel capteur est constitué d’un boîtier à l’intérieur duquel est placé un contact électrique métallique souple sensible aux champs magnétiques.
Lorsque le champ est dirigé vers la face sensible du capteur le contact se ferme.
4.2.2 Détecteurs de proximité inductifs ou magnétiques
Ce type de capteur est caractérisé par l’absence de liaison mécaniqueentre le dispositif de mesure et l’objet en déplacement.
L’objet est donc à proximité du capteur mais pas en contact contrairement à un détecteur de position.
• Avantages :
◦ Pas de contact physique avec l’objet détecté.
◦ Pas d’usure - possibilité de détecter des objets fragiles, fraîchement peints. . .
◦ Détecteur statique, pas de pièces en mouvement.
◦ Durée de vie indépendante du nombre de manœuvres.
◦ Produit entièrement encapsulé dans la résine.
◦ Très bonne tenue à l’environnement industriel : atmosphère polluante
• Inconvénients : ils sont assez chers mais très fiables
3. MESURE D’UNE POSITION 28/48
La technologie des ces détecteurs de proximité inductifs est basée sur la variation d’un champ magnétique à l’approche d’un objet conducteur du courant électrique.
4.2.3 Détecteurs de proximité à commande opto-électronique (ou photo électrique)
Les détecteurs photoélectriques se composent essentiellement d’unémetteur de lumièreassocié à unrécepteur photosensible.
Les détecteurs photos-électriques portent aussi le nom de barrières lumineuses, ils sont de technologie électronique et dé- livrent une information binaire chaque fois que le faisceau issu de la partie émettrice est interrompu par un obstacle quel- conque occultant la partie réceptrice.
Détecter la
présence d’un objet Signal binaire Présence ou non de
l’objet au lieu désiré
capteur de présence
Pour réaliser la détection d’objets dans les différentes applications, 3 systèmes de base sont proposés:
Barrage Reflex Proximité
• Avantages :
◦ Pas de contact physique avec l’objet détecté.
◦ Pas d’usure - possibilité de détecter des objets fragiles, fraîchement peints. . .
◦ Détecteur statique, pas de pièces en mouvement.
◦ Durée de vie indépendante du nombre de manœvres.
• Inconvénients : Sensibles à la poussière et aux perturbations.
4.3 Mesure d’une position
La mesure d’un déplacement, ou d’une position, revient toujours à mesurer des déplacements circulaires ou linéaires. Deux grands critères sont utiles pour juger de la qualité d’un capteur de position :
• la résolution : c’est la plus petite valeur mesurable
• son étendue de mesure : elle est définie par les valeurs extrêmes mesurables par le capteur.
4.3.1 Les capteurs de position analogiques
Mesurer la position d’un solide
Grandeur proportionnelle à la position (tension) Position du solide
capteur de
3. MESURE D’UNE POSITION 29/48
Bien que la place des capteurs numériques dans les systèmes asservis soit considérable maintenant, les capteurs de dépla- cement analogiques trouvent encore leur place dans bon nombre d’applications, en raison de leur qualité et de leur facilité d’intégration.
Le principe de la mesure consiste à mesurer une grandeur physique (souvent d’origine électrique), qui varie en même temps que la grandeur à mesurer appelée mesurande.
La mesure n’est donc pas directe, ce qui est souvent source d’erreurs, en particulier de linéarité ! Ce sont des capteurs généralement basés sur la variation d’impédance d’un dipôle passif. La variation de la grandeur physique à mesurer peut- être liée à :
• la variation de résistance (R enΩ) d’une résistance
• la variation de capacité (C en F) d’un condensateur
• la variation d’inductance (L en H) d’une bobine 4.3.1.1 Capteurs potentiométriques ou potentiomètres
La simplicité du potentiomètre en fait un instrument de mesure directe. La tension recueillie est en effet directement propor- tionnelle à la résistance du circuit entre le curseur et l’une des extrémités de la piste, qui est elle-même proportionnelle à la distance entre ces deux points.
On rappelle que la résistance d’un conducteur est donnée par : R=ρ. l S avec
ρ la résistivité
l la longueur du conducteur S la section du conducteur
On mesure la résistance entre une extrémité fixe L (respectivement θ) et un curseur mobile x (respectivementθ) :
Dans le cas d’un déplacement linéaire du curseur le long : R(x)= x L.R0
On a une relation analogue dans le cas d’un déplacement angulaire (circulaire ou hélicoïdal) : R(θ)= θ
Θ.R0
La résistance est constituée par une piste conductrice en résine chargée de grains conducteurs (carbone, métal. . . ) ou un fil bobiné isolé (sauf au contact avec le curseur). Les ordres de grandeurs de R0vont de 1 kΩà 1 MΩ. La résistance du curseur doit être faible et stable (mouvement, usure). La résistance de contact doit présenter les mêmes qualités (plus dur à assurer dans le cas de la piste).
• Etendue de mesure
Pour les potentiomètres linéaires, l’étendue de mesure est la longueur de la piste.
Pour les potentiomètres circulaires (comme ceux de la plate forme 6 axes, de MAXPID et du groupe de direction du chariot filoguidé), l’étendue de mesure est légèrement inférieure à 1 tour. Ces potentiomètres circulaires (ou rotatifs) sont donc monotour.
• Résolution Elle est théoriquement infinie pour les pistes en plastique constitué d’un polymère chargé en graphite, conducteur, mais elle est directement liée au diamètre du fil de bobinage pour les pistes bobinées.
• Avantages
◦ Simplicité de fonctionnement et d’exploitation du signal électrique en sortie.
◦ Précision assez forte car la résolution est bonne
3. MESURE D’UNE POSITION 30/48
◦ Peu chers
• Inconvénients
◦ Bruit dans le signal engendré par le frottement du curseur sur la piste
◦ Usure car le frottement mécanique entre le curseur et la piste détériore les éléments en contact
◦ Durée de vie limitée
4.3.1.2 Remarques sur les potentiomètres
Le capteur rotatif peut être directement relié à la grandeur à mesurer, c’est le cas pour MAXPID où le potentiomètre donne la position angulaire du bras ou pour le groupe de direction du chariot filoguidé. En effet, le potentiomètre est placé directe- ment au niveau de l’arbre de sortie du réducteur, qui est l’arbre du groupe de direction.
REMARQUE: Cette prise de mesure assure une bonne précision car elle est située directement au niveau de l’élément dont on souhaite avoir la position angulaire.
Pour la plate forme 6 axes, le potentiomètre, appelé potentiomètre de recopie, trouve sa place après un système de transfor- mation de mouvement, le système roue et vis sans fin. Ce système est nécessaire afin que le potentiomètre ne fasse pas plus d’un tour pour toute la course de la tige du vérin. Il a pourtant pour objectif de mesurer la longueur de la tige du vérin : ainsi, dans ce cas, la mesure ne s’opère pas directement au niveau de l’élément concerné. Cependant, on connaît la chaîne cinématique liant la longueur de la tige du vérin à la rotation du potentiomètre. Ainsi, à partir de la mesure du potentiomètre, on peut déduire la valeur de la longueur de la tige du vérin, aux jeux près. . . .
REMARQUE: Pour un souci de précision, il est donc plus judicieux, lorsque cela est possible, de mesurer la grandeur physique via un capteur au niveau de l’élément concerné. On s’affranchit par-là de la chaîne cinématique qui peut comporter des jeux et conduire à des erreurs dans la mesure.
4.3.1.3 Les capteurs de déplacement capacitifs La capacité d’un condensateur vaut :
C=ε0.εr.S e avec
ε0 la permitivité du vide
εr la permitivité relative de l’isolant S la surface en regard des armatures
e l’épaisseur de l’isolant
Pour faire varier la capacité du condensateur en fonction du déplacement, on fait varier soit la sur- face en regard, soit l’épaisseur e.
La mesure de la capacité requiert une tension alternative. L’impédance du condensateur est alors, à fréquence fixe, fonction uniquement de sa capacité
1 jCω
.
• Avantages
◦ Grande sensibilité
• Inconvénients
◦ Faible étendue de mesure ( < 1cm)
◦ Relativement complexes en traitement du signal a posteriori
3. MESURE D’UNE POSITION 31/48
4.3.1.4 Capteurs inductifs, Transformateurs Différentiel Variables (LVDT) Un enroulement parcouru par un courant électrique crée un
champ magnétique. On peut canaliser les lignes de champ magnétique par un noyau interne en fer doux, constituant en fait le circuit magnétique.
Les capteurs LVDT possèdent un bobinage inducteur, ap- pelé primaire, et un bobinage induit, appelé secondaire. Le bobinage induit est alors double, disposé symétriquement par rapport au primaire.
L’inducteur est alimenté par une tension alternative sinusoïdale de haute fréquence. Le champ magnétique ainsi créé induit dans chaque circuit secondaire une tension de même fréquence, dont l’amplitude est fonction de la position du noyau.
La mesure du déplacement est constituée par la différence des deux tensions induites.
• Inconvénients
◦ Faible étendue de mesure (<50cm)
◦ Relativement complexes en traitement du signal a posteriori
• Avantages
◦ Pas de pièces en contact
◦ Grande sensibilité et précision 4.3.2 Capteurs numériques de position
Mesurer la position
d’un solide Signal numérique
Position du solide
capteur de position numérique
Ces capteurs fournissent directement, sous forme codée, la mesure numérique du déplacement. On place la plupart des temps ces capteurs rotatifs au niveau des moteurs, on ne s’affranchit donc pas du problème des jeux dans la chaîne cinématique.
3. MESURE D’UNE POSITION 32/48
4.3.2.1 Capteurs incrémentaux
Fonctionnement
Un capteur ou codeur incrémental est constitué d’un disque comportant 1, 2 voies, avec ou non un index. Le disque est lié à l’arbre tournant dont on souhaite avoir la position.
D’un côté du disque se trouvent des diodes électrolumines- centes et de l’autre, des phototransistors, ces constituants étant fixes. On a un couple de diode et phototransistor par voie.
Chaque voie du disque, excepté l’index, possède des zones alternativement opaques et transparentes.
Ces capteurs incrémentaux utilisent donc l’opto électronique. Le signal émis par le phototransistor, après un traitement élec- tronique, est un signal carré de type TTL (train d’impulsions plus ou moins espacées dans le temps).
Un codeur incrémental comporte donc une piste ou voie A au moins, avec un index ou non (piste intérieure). L’index permet de compter le nombre de tours.
Fonction de transfert pour 2 voies
Le comptage (ou décomptage) de toute les transitions des signaux A et B donne pour résultat une image numérique du déplacement angulaire.
Si on note n le nombre de fentes sur le disque codeur, on peut en déduire le gain du capteur de position angulaire ainsi réalisé: Sn=µ.θavec:
θ le déplacement angulaire
Sn la sortie numérique, image du déplacement correspondant au comptage des transitions
sur les deux voies du codeur (nombre d’incréments de comptage) µ le gain du capteur de position à sortie numérique
θ Tours Degrés Radians
µ 4.n 4.n
360 4.n
2.π Sn inc/tr inc/◦ inc/rad
Résolution
Sa résolution, donc en grande partie sa précision et sa qualité, est liée au nombre de fentes.
Etendue de mesure Elle est a priori infinie
3. MESURE D’UNE POSITION 33/48
Détection du sens de rotation
Le codeur incrémental est un capteur relatif (on ne connaît pas le sens de rotation ni l’origine). La détection du sens de rotation peut néanmoins avoir lieu grâce à une deuxième voie, décalée d’un quart de période par rapport à la première voie.
L’évolution des deux signaux est alors différente dans un sens par rapport à l’autre.
Le déphasage des signaux A et B permet de déterminer le sens de rotation :
• dans un sens pendant le front montant du signal A, le signal B est à 0.
• dans l’autre sens pendant le front montant du si- gnal A, le signal B est à 1.
Prise d’origine
L’initialisation d’un capteur incrémental est une prise d’origine. Sa nécessité provient du fait que le capteur est relatif. Elle consiste en un déplacement du système vers un capteur tout ou rien, appelé capteur d’origine, qui matérialise l’origine ma- chine.
Elle est indispensable à chaque remise sous tension du système : c’est le cas pour le Robot ERICC3. Elle peut être supprimée si on utilise des codeurs absolus, plus chers.
4.3.2.2 Les codeurs absolus
Fonctionnement
Un codeur optique absolu fonctionne de la même manière qu’un codeur incrémental sauf que cette fois, le signal émis n’est pas un train d’impul- sions mais un véritable code numérique sur 4, 8, 9, 12 ou même 16 bits.
Ceci n’est pas réalisé par un ou deux couples de diodes et phototransistors mais par un couple par piste, avec un nombre de pistes égal au nombre de bit. Le disque comporte donc plusieurs pistes.
La première piste en partant du centre du disque est composée d’une moitié opaque et d’une moitié transparente, la lecture de cette piste permet de déterminer dans quel demi-tour du disque on se situe. C’est la piste MSB Most Significant Bit= bit de poids le plus fort.
La piste suivante, en allant vers l’extérieur, est divisée en quatre quarts alternativement opaques et transparents. La lecture de cette piste, combinée avec la lecture de la piste précédente, permet de déterminer dans quel quart de tour du disque on se situe.
4. MESURE D’UNE VITESSE 34/48
La piste suivante permet de déterminer dans quel huitième de tour on se situe, la suivante dans quel seizième de tour on se situe. etc . . .
La dernière piste, la plus extérieure, est la piste LSB Least Significant Bit = bit de poids le plus faible.
Afin de limiter le risque d’erreur, on préfère employer un codage en code GRAY, en ne changeant qu’un bit à la fois.
Résolution
C’est la dernière piste qui donne la précision finale du codeur appelée résolution.
Si on appelle N le nombre de pistes, cette dernière piste comportera 2N points. Le nombre de positions codées sur un tour du disque sera 2.N, on dira alors que le codeur a une résolution de 2Npoints par tour.
Détecter le sens de rotation n’est pas utile puisque le mots binaire émis est la valeur d’un angle compris entre 0 et 2.π. C’est pour cela qu’on les appelle codeurs semi-absolus. Lorsque le codeur doit mesurer des angles >2.π, on doit lui adjoindre un compteur qui compte le nombre de tours effectués. Il n’est donc pas toujours nécessaire d’initialiser le capteur.
4.4 Mesure d’une vitesse
4.4.1 Génératrice tachymétrique
Les génératrices tachymétriques sont des moteurs montés à l’envers. En effet, les moteurs transforment une tension en rota- tion d’un rotor. Les moteurs électriques peuvent également fonctionner en récepteur. On impose une vitesse de rotation au moteur qui va être transformée en tension.
Il existe trois types de moteurs (à courant continu, synchrone et asynchrone). Il existe par conséquent trois types de généra- trices tachymétriques :
• Les génératrices tachymétriques continues
• Les génératrices tachymétriques synchrones
• Les génératrices tachymétriques asynchrones
4.4.2 Mesure de vitesse à partir d’une mesure de position
4.4.2.1 Codeur incrémental
On utilise l’information de position donnée par le codeur incrémental pour donner la vitesse.
Le nombre de transitions reçues des deux signaux du codeur, pendant un temps fixé, appelé temps d’échantillonnage, est une image numérique de la vitesse de rotation.
Si on note le temps d’échantillonnage de mesure Tem, on peut en déduire le gain du capteur de vitesse:
Sn=µv.N= 4.n
60.Tem.N avec
N est la vitesse de rotation exprimée en tr/min
Sn est la sortie mesure numérique de vitesse exprimée en incréments (inc) n le nombre de fentes sur le disque codeur
5. MESURE D’UNE ACCÉLÉRATION 35/48
C’est cette méthode de mesure qui est utilisée sur le chariot filoguidé.
4.4.2.2 Capteur à variation d’inductance
La mesure de la vitesse est basée sur le signal donné par un détecteurs de proximité inductifs. L’information délivrée par le capteur étant fonction de l’entrefer et non de sa vitesse de variation, ce capteur doit être excité par une source de courant alternatif de fréquence 5 à 10 fois plus élevée que la limite supérieure de la bande passante. Un amplificateur à porteuse conditionne le signal. Cette solution, rarement utilisée en tachymétrie car coûteuse, doit être mentionnée car elle est intéres- sante dans le cas d’un environnement sévère sur le plan bruit.
4.5 Mesure d’une accélération
4.5.1 Accéléromètres
4.5.1.1 Classification
Classification suivant la nature du phénomène de détection
Les accéléromètres non asservis, classés suivant le phénomène de détection, sont les suivants :
• à jauges de contrainte
• à détection piézorésistive
• à détection piézoélectrique
• à détection optique par occultation
• à fibres optiques
• à détection capacitive
• à réluctance variable (détection inductive) Accéléromètres à déplacements asservis
Il s’agit des accéléromètres :
• à rappel électromagnétique à aimants permanents
• à rappel au moyen de forces d’origine électrostatique.
La boucle d’asservissement, dans les deux cas, peut être de type analogique ou numérique.
Accéléromètres à poutres vibrantes
Bien que de type en boucle ouverte, les accéléromètres à poutres vibrantes (dénommés aussi à ondes de volume) rivalisent de précision avec les appareils asservis. Leur sensibilité est très élevée, malgré les déplacements extrêmement faibles de la masse d’épreuve.
4.5.1.2 Accéléromètres à jauges de contrainte
Ce type d’accéléromètre est placé sur le support suspension de moto BMW.
Principe
Une masse sismique M subit une force d’origine inertielle sous l’action d’une accélération appliquée au capteur suivant l’axe Y.
6. MESURE D’UNE DÉFORMATION 36/48
Cette force induit des contraintes, de traction sur une face, de compression sur l’autre face, sur une poutre montée en porte- à-faux. Ces contraintes sont mesurées au moyen de jauges métalliques résistives collées sur cette poutre, généralement au nombre de quatre, et réparties deux par deux sur chaque face de la poutre, câblées suivant un schéma de type pont de Wheats- tone.
Les variations de contrainte dans la poutre entraînent des variations de résistance des jauges (diminution sur une face, augmentation sur l’autre), donc l’apparition d’une tension de déséquilibre du pont de mesure, fonction de l’accélération d’entrée.
• Avantages de ce type d’accéléromètre :
◦ résolution continue
◦ utilisation sous alimentation alternative ou continue (quelques volts, souvent±15 V en courant continu)
◦ faible encombrement (masse de 0,5 à 50 g)
◦ domaine de mesure : de 50 m.s−2à 50 000 m.s−2
◦ sensibilité : typiquement 0,1 % de la pleine échelle.
• Inconvénients :
◦ performances globales moyennes (précision d’environ 0,5 %)
◦ faible niveau de sortie (sauf avec amplificateur incorporé)
4.5.2 A partir d’une mesure de position angulaire d’un codeur incrémental
La variation du nombre de transitions reçues des deux signaux du codeur, pendant un temps fixé, est une image numérique de l’accélération. Si on note le temps d’échantillonnage de mesure Temon peut en déduire le gain du capteur d’accélération:
Sn=µa.a=4.n.Tem2 .a avec
a est la vitesse de rotation exprimée en tr/s2
Sn est la sortie mesure numérique de vitesse exprimée en incréments (inc) n le nombre de fentes sur le disque codeur
µa est le gain du capteur exprimé en inc/tr/s2.
REMARQUE: Un seul capteur physiquement présent, de type incrémental, permet de réaliser par calcul numérique, trois capteurs virtuels et permettra ainsi de contrôler trois grandeurs physiques, position, vitesse et accélération.
4.6 Mesure d’une déformation
4.6.1 A partir d’un capteur de déplacement Une déformationεest un allongement relatif:ε= ∆l
