TP 20

Mesures sur la tondeuse RL500

Avant de commencer le TP notez dans votre agenda le travail à faire pour la prochaine séance :

1 - Réviser et éventuellement terminer ce TP

2 - Préparer le prochain TP en apportant et en ayant en tête tous les pré-requis

Mise en situation et objectifs du TP

Objectifs à atteindre

Ce TP a pour but d'étudier la chaîne d'énergie de la tondeuse RL500 :

prise de mesure sur les moteurs à courant continu de la tondeuse

principe du pont en H pour inverser le sens de rotation du moteur

principe du MLI pour faire varier la vitesse d'avancement de la tondeuse

A l'issue de ce TP vous devez être capable de :

prendre des mesures sur le système réel de la tondeuse

mettre en place un dispositif de simulation pour observer le principe du MLI dans Proteus

générer un signal MLI en utilisant un PIC

Documentation, matériel et logiciel disponible

Pour effectuer ce TP vous disposez :

de la fiche pratique "Utilisation de l'oscilloscope sous ISIS Proteus 7"

du système réel Tondeuse RL500

d'une alimentation de 24V avec des cordons souples

du multimètre gris MX22

du dossier technique de la tondeuse disponible sur le serveur Nessi

du logiciel Proteus (dont l'utilisation est parfaitement connue aujourd'hui)

de votre cahier marque tout avec les solutions de tous les TP passés

de votre expérience personnelle acquise dans toutes les activités de Génie Electrique passées

Travail demandé

Rappels :

Vous devez arriver en TP en ayant en tête tous les pré-requis et en ayant fait à la maison tout le travail préparatoire de révision.

Toutes les réponses (mesures, schémas, courbes, algorigrammes, explications, grafcet, logigrammes, chronogrammes, tableaux, solutions, etc.) ne rentrant pas sur les photocopies du sujet sont à rédiger sur votre cahier marque-tout à la page de ce TP. A la fin du TP vous ne repartirez qu'avec ce que vous avez rédigé. A la veille de l'épreuve pratique du bac vous n'aurez que votre cahier marque-tout pour réviser tous les TP et leurs solutions.

PARTIE 1 : prise de mesure réelle sur la tondeuse

Lors de la tonte en Zig-Zag, la tondeuse doit avancer, reculer, avancer, reculer, etc. Son moteur électrique doit donc être alimenté dans les 2 sens de rotation.

1 - En connectant une alimentation de 24V jaune sur un des deux moteurs de la tondeuse (et non sur la carte mère !) relevez dans votre cahier marque-tout les mesures suivantes sous forme de tableau :

Type de terrain

Vitesse

Tension aux bornes du moteur

Courant consomé par 1 moteur

Courant consomé par les 2 moteurs

terrain plat

petite

12 V

grande

24 V

montée

petite

12 V

grande

24 V

Remarque : pour simuler une montée vous freinerez les rouleaux sur le support de la tondeuse.

2 - La batterie de la tondeuse RL500, qui délivre une tension de 24 V, est composée en réalité de 2 accumulateurs identiques. En observant le bloc batterie réel de la tondeuse, relevez :

la tension délivrée par chacun des accumulateurs

la capacité de chacun des accumulateurs

Les deux accumulateurs composant la batterie sont-ils branchés en série ou en dérivation ?

Quelle est la capacité totale de la batterie réelle de la tondeuse ?

En déduire l'autonomie de la tondeuse en grande vitesse :

sur terrain plat

à la montée

3 - En consultant le dossier technique de la tondeuse, relevez :

quelle est la constante de couple du moteur utilisée dans la tondeuse ?

quel est le rendement du moteur utilisé sur la tondeuse ?

quel est le rapport de réduction des engrenages placés entre le moteur et la roue ?

4 - Déduire de vos mesures, remarques et observations les valeurs de la vitesse et du couple, délivrées par un moteur en un premier temps, puis fournies au niveau d'une roue :

Type de terrain

Vitesse

Tension aux bornes du moteur

Au niveau d'un moteur

Au niveau d'une roue

Vitesse de rotation (en tr.s-1)

Couple (en N.m)

Vitesse de rotation (en tr.s-1)

Couple (en N.m)

terrain plat

petite

12 V

grande

24 V

montée

petite

12 V

grande

24 V

Comparez le tableau précédent aux valeurs trouvées en simulation lors des TP de Génie Mécanique.

PARTIE 2 : simulation du pont en H sous Proteus

Le moteur utilisé dans la tondeuse est un moteur à courant continu : sa vitesse de rotation est donc proportionnelle à la valeur moyenne de sa tension d'alimentation.

Qu'est-ce que le MLI ?

Pour faire varier la tension moyenne appliquée au moteur on utilise le mode MLI (Modulation de largeur d’impulsion) ou, en anglais, PWM (Pulse Width Modulation). Le MLI consiste à alimenter le moteur avec une tension rectangulaire à rapport cyclique variable. Comme pour un signal rectangulaire la valeur moyenne est proportionnelle au rapport cyclique, une variation du rapport cyclique entraînera une variation de vitesse du moteur.

Consultez le dossier technique de la tondeuse à la recherche de renseignements concernant la chaîne d'énergie côté électrique, et notamment sur le pont en H et l'alimentation du moteur par MLI (ou par PWM).

Qu'est-ce qu'un "hacheur" ?

Un hacheur est un montage électronique réalisant la fonction 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 H (généralement un transistor) fermé pendant un intervalle de temps t1 = αT, et ouvert pendant le reste de la période T. Une diode de roue libre DRL permet la circulation du courant si la charge est inductive (ce qui est le cas d'un moteur).

Le principe de base pour obtenir un signal rectangulaire à rapport cyclique variable (signal MLI) consiste à comparer un signal triangulaire avec un signal continu. Dans la pratique sous Proteus :

le signal rectangulaire sera généré par le générateur de signaux

le signal continu sera réaliser par un pont diviseur à l'aide d'un potentiomètre

le comparateur de tension sera un ALI idéal OPAMP (alimenté entre 0V et 12V)

rappel : dans la dernière version de Proteus le potentiomètre interatif ne s'appelle plus POT-LIN mais POT-HG

En branchant un oscilloscope sur le signal continu (voie A), sur le signal rectangulaire (voie B) et sur le signal de sortie (voie C), expérimentez ce montage générateur de signal à rapport cyclique variable :

Le GBF doit délivrer un signal triangulaire unidirectionnel de fréquence 5kHz et d'amplitude 12 V :

L'oscilloscope doit être réglé ainsi :

Déclenchement (Trigger)

Mode : DC                Front : Montant

Niveau (Level) : 20                Auto : OUI

Source : B                 One-Shot : NON

Voie A (Channel A)

Mode : DC            Invert : NON

Position : 40            A+B : NON

Sensibilité : 2

Voie C (Channel C)

Mode : DC             Invert :

Position : 160              C+D :

Sensibilité : 2

Base de temps (Horizontal)

Source : toujours en position gauche

Position : 0

Sensibilité : 50u

Voie B (Channel B)

Mode : DC            Invert : NON

Position : 40

Sensibilité : 2

Voie D (Channel D)

Mode : OFF             Invert :

Position :

Sensibilité :

Si la tension continue est faible (signal jaune sur la voie A) le rapport cyclique du signal de sortie est faible :

Si la tension continue (en jaune) est environ au milieu du signal triangulaire (en bleu) alors le rapport cyclique du signal de sortie (en rose) est d'environ 50% :

Plus le signal continu se rapproche de 12V, plus le rapport cyclique se rapproche de 1 :

Le signal de sortie a une valeur moyenne variable (en fonction du rapport cyclique) mais n'est pas un signal continu. Il ne peut donc pas être mesuré directement avec un voltmètre. Pour mesurer la valeur moyenne d'un signal rectangulaire à l'aide d'un voltmètre il faut placer un filtre passe bas entre le signal et le voltmètre. Le filtre passe bas est constitué d'une résistance R1 de valeur 10k (10 kilo ohms) et d'un condensateur C1 de valeur 10u (10 micro farads) :

Remarque : les valeurs de R1 et C1 dépendent de la fréquence de hachage, c'est-à-dire de la fréquence du signal triangulaire (ici 5kHz).

Expérimentez la mesure de la valeur moyenne en sortie de l'ALI avec et sans le filtre.

En équilibrant les schémas et les commentaires textuels, récapituler dans votre cahier marque tout :

le principe de la génération d'un signal MLI

le principe de la mesure de la valeur moyenne d'un signal rectangulaire avec un voltmètre

le schéma du hacheur en pont en H de la tondeuse

Quadrants de fonctionnement

Comme toutes les machines tournantes, le moteur à courant continu est réversible : il peut fonctionner en moteur ou en génératrice. Le moteur à courant continu possède deux sens de rotation possibles. Il peut donc fonctionner dans les quatre quadrants de fonctionnement suivant son sens de rotation et son mode de transfert de l’énergie (moteur ou génératrice). On obtient ainsi dans le plan vitesse-couple :

Dans les quadrants Q1 et Q3, la puissance est positive (U.I >0) : C'est le fonctionnement normal en moteur : la machine fournie un "couple moteur". (Le sens de rotation du moteur change entre Q1 et Q3).

Dans les quadrants Q2 et Q4, la puissance est négative : fonctionnement en génératrice. La machine fournie un couple de freinage : la machine fournie de l'énergie au réseau ou au récepteur. Il est donc possible de récupérer l'énergie mécanique lors du freinage si le système d'alimentation est réversible.

Le graphique suivant représente les 4 quadrants de fonctionnement dans lesquels :

E est la tension aux bornes du moteur

i est le courant traversant le moteur

Omega est la vitesse de rotation du moteur

Tem est le couple en sortie du moteur

Plan Tension/Courant

La chaîne d'énergie de la tondeuse RL500 fonctionne dans quel(s) quadrant(s) ? Vous répondrez dans votre cahier marque-tout en argumentant sur la constitution technique de la chaîne d'énergie (côté électrique comme côté mécanique) et vous dessinerez le plan Tension/Courant en hachurant le(s) quadrant(s) de fonctionnement de la tondeuse.

La chaîne d'énergie côté mécanique est-elle réversible sur la tondeuse ?

La chaîne d'énergie côté électrique est-elle réversible sur la tondeuse ?

Génération d'un signal MLI en utilisant un PIC

Il est parfaitement possible de générer un signal MLI en programmant un microcontrôleur PIC. Il faut pour cela utiliser le composant PWM dans Flowcode et ses macros associées. Le canal MLI du PIC s'appelle CCP1, il s'agit de la borne n°6 (bit B0 habituellement) :

L'exemple suivant récupère une tension (entre 0V et 5V) sur l'entrée analogique ADC0, la convertit en valeur numérique n, et configure le rapport cyclique du signal MLI en fonction de la variable n. Ainsi, le rapport cyclique du MLI dépend directement de la tension mesurée :

Pour connecter le composant PWM sur le canal CCP1 il faut renseigner les Labels dans les propriétés du composant PWM (et non dans connexions) :

La macro Enable du composant PWM permet d'activer un canal MLI (mettre 1 dans la macro Enable pour activer le canal CCP1) :

La macro SetDutyCycle du composant PWM permet de configurer le rapport cyclique. Elle attend 2 paramètres :

le numéro du canal MLI (1 pour CCP1)

un entier compris entre 0 et 250 pour régler le rapport cyclique (0 pour 0% et 250 pour 100%)

Enfin le montage suivant visualise sur l'oscilloscope de Proteus le signal MLI généré par le PIC. Si on change la position du curseur sur le potentiomètre, le rapport cyclique du signal MLI généré sur CCP1 varie :

Testez l'exemple ci-dessus puis retenez la génération d'un signal MLI par un PIC en prenant des notes dans votre cahier marque tout.

Expérimentation du hacheur en pont en H de la tondeuse

Afin de fonctionner dans les deux sens de rotation, le moteur de la tondeuse est alimenté par un pont en H constitué de 2 transistors MOS à canal P et de 2 transistors MOS à canal N.

Afin de moduler la vitesse du moteur, le pont en H est alimenté par MLI.

En utilisant les nouvelles notions vues précédemments (montage hacheur de tension en pont en H et principe du MLI) ainsi que votre maîtrise du logiciel Proteus, expérimentez dans Proteus le hacheur de la tondeuse en pont en H.

Remarques :

pour démontrer que la vitesse de rotation du moteur MOTOR varie bien en fonction de la position du potentiomètre de consigne vous pouvez brancher un voltmètre mesurant la valeur moyenne alimantant le moteur (l'animation du moteur à l'écran ne donne en rien la vitesse du moteur)

pour le choix des transistors MOS utilisez en priorité les transistors MOS déjà connus et que vous savez simulables dans Proteus

vous pouvez aussi consulter la fiche mémo de Proteus pour obtenir la référence exacte des composants simulables

si lors de la simulation du hacheur Proteus "plante", ajoutez une résistance de 10k en série sur la grille du transistor MOS

Retrouvez d'autres TP sur le site ressource

www.gecif.net