COMMANDE MOTEUR PAS A PAS ASSERVI EN POSITION PAR FAISCEAU INFRAROUGE (*)

(et programmation d’un PAL 22V10)

 

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(*) : page référencée par l'Electronique Pratique n°321 novembre 2007 !!!

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I) BUT DE LA MANIPULATION

 

            Le but de la manipulation est l'étude de la commande d'un moteur pas à pas asservi en position par faisceau infrarouge. Un circuit programmable PAL sera programmé au cours de la séance pour modifier la logique de commande du moteur.

 Le synoptique du montage est donné en figure 1.

 

Figure 1

 

            L'émetteur infrarouge pouvant se déplacer sur un arc de cercle, le moteur pas à pas doit "suivre" son déplacement. En cas d'absence de cible infrarouge, le moteur se place en phase de recherche en effectuant un balayage unique sur le demi cercle complet puis se met en veille. Une relance manuelle du cycle de recherche est toujours possible. Deux interrupteurs fin de course limitent le mouvement du moteur à un demi cercle. Nous étudierons le système de capteur infrarouge, la logique de commande et la commande en puissance du moteur.

 

II) SYSTEME INFRAROUGE

 

            II.1) Principe de fonctionnement

            Le principe d'asservissement mis en oeuvre ici est utilisé, sous d'autre formes plus élaborées évidemment, pour l'aide à l'atterrissage des avions (ILS), le pointage d'antennes, le suivi de missiles etc. Il comporte un émetteur infrarouge et deux récepteurs localisés sur un bras solidaire de l'axe du moteur (figure 2).

Quand au moteur pas à pas, on le trouve fréquemment dans des systèmes de positionnement XY imprimantes etc. Il est présenté ici à titre de démonstration.

Figure 2

La somme des énergie reçues sur les récepteurs permet de savoir si la cible est présente. La différence d'énergie reçue sur chacun d'eux permet de savoir si le moteur "pointe" ou non sur la cible. On peut ainsi agir sur la commande du moteur pour corriger sa position et le ramener dans l'axe de l'émetteur.

 

            II.2) Caractéristiques  électrique et optique des  émetteurs/récepteurs

 

Figure 3                                            Figure 4

 

Le schéma de l'émetteur est donné figure 3. La longueur d'onde utilisée est de 930nm. L'émission est modulée en tout ou rien à 10 kHz par un oscillateur NE555. L’amplificateur opérationnel monté en suiveur avec le transistor 2N2219, permet de fixer le courant (et non la tension !) traversant la diode émettrice SFH415.

Compte tenu de la distance émetteur / récepteur égale à 8cm et l’écartement des récepteurs (5cm) l’angle  d’ouverture des diodes choisi est de 35°.

Le schéma du récepteur est donné en  figure 5. Le phototransistor BPV11F se comporte comme un générateur de courant de valeur proportionnelle à l’éclairement reçu sur la base. Sa fréquence de travail est très limitée (beaucoup plus faible que celle d’une photo diode) à cause de l’effet miller. Il est, par ailleurs, muni d'un filtre optique rejetant la lumière ambiante.

 

Figure 5 : réception, partie analogique

 

III) RAPPEL SUR LA STRUCTURE D UN MOTEUR PAS A PAS

 

            III.1) Constitution

 

            La figure 6 montre un exemple de  constitution interne d’un moteur pas à pas à trois phases a, b, c et à  un circuit magnétique.


Figure 6

 

L’excitation est généralement réalisée par 2, 3 ou 4 enroulements. Le rotor comporte un nombre important de « dents » réalisant autant de pôles magnétiques. Ce nombre détermine le « pas » du moteur. Celui-ci peut être piloté par pas ou par demi pas en fonction de la séquence de commande appliquée aux enroulements de l’excitation.

Dans le cas d’un moteur à 4 enroulements, la commande par pas peut être obtenue de deux façons :

* alimentation  « tournante » d’un seul enroulement parmi les quatre (excitation pleine onde ou monophasée). On obtient alors les pas pairs.


Figure 7a

* alimentation « tournante » de deux enroulements contigus parmi les quatre (excitation normale ou biphasée). Dans ce cas, on obtient les pas impairs. Cette deuxième solution est deux fois plus consommatrice de courant mais permet d’obtenir un couple supérieur. 

 


Figure 7b

 

En combinant les séquences a) et b), on peut réaliser une commande par demi pas pour un positionnement plus précis. Le sens de rotation dépend uniquement de l'ordre dans lequel on applique la séquence de commande.

 

            III.2) Caractéristiques électriques

 

            Le moteur utilisé comporte 2 enroulements avec point milieu, soit 4 phases. Ce qui permet de réaliser 200 pas sur 360°. Alimenté sous 5V, chaque enroulement appelle un courant de 800mA. L'impédance équivalente  d'un enroulement est donnée par :  Rs »  5 ohms  Ls »  5mH ( mesurée de 100 Hz à 1 kHz)

 

            III.3) Caractéristiques mécaniques

 

Les moteurs pas à pas ne sont pas prévus pour tourner vite. Si la fréquence de la commande augmente, le moteur peut ne pas suivre ou "rater" des pas. Les fréquences d’utilisation classiques sont de quelques centaines de Hz au plus, soit une vitesse de rotation de 30tr/min environ.

IV) LOGIQUE DE COMMANDE

 

            Le schéma de principe est donné figure 6a.

 

Figure 6a

La logique de fonctionnement est la suivante :

 

            1) Si Vsom > e2 alors A=1 : la cible est  allumée et localisée :

Si  -e1<Vdif <e1, arrêt moteur (cible centrée).

                                               Si Vdif>e1, le moteur tourne à gauche (S3=0, G=1).

                                               Si Vdif <-e1, le moteur tourne à droite (S3=1, D=1).

 

            2) Si Vsom < e2 alors la cible est éteinte ou masquée (A=0) :

Phase de recherche =>un A/R et arrêt sur le "fin de course" gauche.

                       Nouvelle recherche  relançable manuellement par bouton poussoir.

                       Si la cible est localisée alors  retour á la phase 1).

                      

3)  Si sur intensité (SI=1) dans les enroulements alors extinction de toutes les phases :

Relance possible après coupure de l'alimentation générale.

 

L’ensemble de la logique est intégré dans un composant logique programmable PAL 22V10 du constructeur LATTICE permettant une utilisation combinatoire et/ou séquentielle. Un premier bloc combinatoire génère des variables internes (notamment : S, V, W, N). Celles-ci sont ensuite utilisées par le second pour un décodage et le pilotage des transistors.

 

Le brochage complet de la PAL ainsi que les équations logiques sont données figure 6b.

 

CLK : horloge moteur

N : inihibition  commande moteur (sur intensité ou action volontaire sur l'interrupteur)

S :  sens de rotation (variable interne)

I : blocage compteur (variable interne)

SI : entrée "sur intensité"

A : entrée "valeur moyenne" 

B : entrée "tourne à gauche"    

C : entrée "tourne à droite"      

D : fin de course gauche         

E : poussoir relance cycle de recherche

F : fin de course droit

G : variable interne rebouclée sur S1

S1 : variable interne rebouclée sur G

S2 : variable interne rebouclée sur I

S3 :  variable interne rebouclée sur S (sens)

T1,T2,T3,T4 : sorties transistors

W : MSB compteur interne 4 états

V :  LSB compteur interne  4 états

STOP : variable interne rebouclée sur N et issue de SI

affectation des broches : E = entrée, S= sortie

Figure 6b

Les équations logiques des variables internes sont les suivantes :

 

 (:= signifie commutation synchronisée sur front montant d'horloge)

 

 

Un séquenceur à 4 états permet de commander les transistors à partir de ces variables internes et d'une table de décodage. Celle-ci est prévue pour une commande par pas entier et "excitation pleine onde" (un seul enroulement alimenté à la fois). Mais elle devra être modifiée pour un pilotage en excitation normale. Pour une commande par demi pas, un séquenceur 8 états est nécessaire.

 

                          Compteur 4 états                               sorties décodées

N

Sens (S)

W (MSB)

V

T1 Vert

T2 Rouge

T3 Noir

T4 Bleu

0

0

0

0

0

1

1

1

0

0

0

1

1

1

1

0

0

0

1

0

1

1

0

1

0

0

1

1

1

0

1

1

0

1

0

0

0

1

1

1

0

1

0

1

1

0

1

1

0

1

1

0

1

1

0

1

0

1

1

1

1

1

1

0

1

x

x

x

1

1

1

1

Table 1

 

Les équations obtenues sont les suivantes :

 

 

Le schéma logique complet correspondant est donné en annexe.

 

REMARQUES IMPORTANTES :

1)  Tn=1Þ transistors PNP bloquésÞmoteur libre (mode test non asservi). La variable N passe à 1 en cas de sur intensité  (par la variable interne STOP) ou en cas de manoeuvre de l'interrupteur pour libérer le moteur.

 

 

2) La séquence de rotation est  T4, T3,T2, T1 ou T1, T2, T3, T4. Une permutation circulaire des sorties n'altère pas la logique de fonctionnement choisie.

 

3) Pour l'établissement des équations logiques, les variables internes sorties "physiquement" puis ré-entrées sont complémentées (par convention PAL )  S->/S, V->/V, W->/W .

 

 

 

V) COMMANDE MOTEUR

 

Le schéma de principe est donné ci dessous en figure 9. Hormis les transistors et diodes roues libres, on retrouve un capteur de courant à effet Hall (marque LEM, cf data sheet en annexe) placé entre le point commun des enroulements et la masse. Il permet de mesurer le courant passant dans ceux-ci et d'actionner une sécurité en cas de sur intensité.

Figure 9

 

VI) EXPERIMENTATION

 

            VI.1) Analyse de la partie analogique

 

            1) Inhiber la commande moteur pour "ouvrir" l'asservissement. (interrupteur K1)

            2) Mesurer au point Id (J27) le courant pulsé dans l'émetteur. Quel est l'intérêt de la modulation tout ou rien à 10kHz par rapport une émission continue?

            3) Tracer la courbe Vdiff (J5) en fonction de l'angle entre l'indicateur et l'émetteur IR, le moteur étant immobile. En déduire la "plage d'accrochage" de l'asservissement. Quel est l'intérêt d'une telle structure différentielle ? Vérifier la commutation des signaux D (en J29) et G (en J30) en fonction de l'angle.

4) Tracer la courbe Vsom (J6) en fonction de l'angle entre l'indicateur et l'émetteur IR, le moteur étant immobile.Vérifier la commutation du signal S (en J31)

 

            5) Quelle est l'influence de l'appariement imparfait des deux récepteurs ? Comment est il compensé ?

           

           

 

            VI.2) Analyse de la logique commande  moteur

 

            1) Analyser sur le schéma logique en annexe le traitement de l'information analogique issue des récepteurs en phase de recherche de cible puis en fonctionnement asservi.

            2) Comment est effectué l'initialisation du système ?

            3) Comment le sens de rotation est-il identifié ?

            4) Rôle des interrupteurs fin de course et action sur la logique de commande ?

            5) Quelle est la précision angulaire maximale de l'asservissement ? Comment pourrait t on l'améliorer ? (une réponse pour les récepteurs analogiques et une réponse pour le moteur). Comment évite-t-on une oscillation du moteur autour de sa position d'équilibre ?

 

            VI.3) Analyse de la commande  moteur

 

            1) Expliquer le rôle des diodes en parallèle sur les enroulements.

            2) Visualiser les tensions sur la base et le collecteur des transistors de commande(PNP). Vérifier la valeur de Vce "on"  et le courant moyen (Imot en J22).

            3) Mettre le montage hors tension. Mesurer la résistance Rs d'un enroulement entre le fil vert et le blanc par exemple.

4) Remettre le montage sous tension. Visualiser à l'aide de la sonde en courant Metrix AM210, le courant circulant dans un enroulement (fil rouge par exemple). Evaluer la constante de temps à la coupure et retrouver la valeur de l'inductance Ls de l'enroulement. Conclure sur la vitesse maximale de rotation.

            5) Evaluer les pertes statiques et dynamiques dans les transistors.

 

            VI.4) Re programmation d'un PAL 22V10

 

            1) Ecrire les équations pour réaliser une excitation normale au lieu de pleine onde.

2) Après avoir écrit les nouvelles équations, programmer un nouveau PAL sur le système  ROM 5000.

 

ATTENTION : Seule les équations de T1, T2, T3, T4 doivent être modifiées et la variable N maintenue impérativement dans les équations. Respecter l'affectation physique des broches donnée précédemment. Utiliser un PAL Lattice uniquement.

3) Tenter, si le temps le permet, une programmation totale (y compris un séquenceur 8 états) pour une excitation en demi pas.

4) Incidence sur la consommation et sur le système de protection sur intensité.

 

 

 

 

ANNEXES

 

ANNEXE 1 Schéma général

 


 

ANNEXE 2. Chronogrammes théoriques

 

            L'angle mentionné est celui formé entre l'axe optique de l'émetteur et l'axe de la flèche.

 

ANNEXE 3.  Rappel sur le transistor en commutation

 

 

 

Figure 7

Ce type de "hacheur statique" utilise un transistor de puissance bipolaire comme élément de commutation sur charge inductive (R, L, Ec). Durant les temps de commutation très courts (=ms) on peut considérer que le courant dans la charge R,L est constant. On a donc :

Ic+Id=Cste=Ich

On appelle Ich1 le courant dans la charge au moment de l'amorçage et Ich2 le courant au moment de la coupure.

 

Phase d'amorçage :

            Le transistor est initialement bloqué par une tension négative appliquée sur sa base. Le courant Ich1 imposé par la charge circule à travers la diode D en direct.

 

            Lorqu'on applique la tension de commande positive, on observe tout d'abord un temps de retard pendant lequel Ic et Vce  ne changent pas : ce temps correspond à la charge des capacités de transition Cbe et Cbc par le courant de base direct. La tension de base monte. Lorsqu'elle atteint le seuil de conduction (voisin de 0,5V), le courant commence à circuler dans le collecteur. Tant que Ic n'a pas atteint la valeur Ich1, la diode D reste conductrice et par conséquent Vce reste égale à E (augmentée du seuil de la diode en direct Vd).

            Lorsque Ic=Ich1, D cesse de conduire; la tension Vce décroit jusqu'à Vcesat ≈ 0.5V.

 

            Il faut remarquer que pendant toute la montée de Ic, la tension Vce est maximale et que pendant la chute de Vce le courant collecteur est égal à la totalité du courant de la charge. Les pertes à l'amorçage seront donc élevées.

 

 

Phase de coupure :

            Lorsqu'on applique la tension de blocage , le transistor reste saturé pendant le temps de "déstockage" Ts, nécessaire pour évacuer les charges emmagasinées pendant la saturation. On peut considérer Ts comme un simple temps d'allongement de la conduction.

            Lorsque les charges stockées ont été évacuées par le courant inverse de base, une partie du courant Ich2 va charger la capacité de transition Cbc : Vce monte de Vce sat à E; durant cette montée, le courant "externe" du collecteur reste égal au courant de charge puisque D ne peut pas conduire : elle reste bloquée tant que Vce n'a pas atteint E. Lorsque Vce atteint cette valeur, la diode entre en conduction et le courant de collecteur peut alors décroître.

 

            Là encore les pertes seront importantes, la montée de Vce se faisant à courant collecteur maximal (Ic=Ich2) et la coupure de courant se faisant à tension maximale (E+Vd).

 

Influence du courant de recouvrement inverse de D à l'amorçage :

            A l'amorçage, le circuit dans lequel se trouve la diode voit sa tension s'inverser de Vd à -E

brusquement. Pendant ce court instant dit de "recouvrement", le courant traversant la diode s'inverse de façon à évacuer les charges stockées en direct et provoque une surintensité ponctuelle dans le transistor. On utilisera donc de préférence des diodes à recouvrement rapide.

 

            Puissance moyenne dissipée dans le transistor :

 

            L'énergie perdue sur une période T se décompose de la façon suivante:

Pertes Statiques :

            a) Ws : énergie perdue pendant la saturation Tsat

            Ws = Vcesat . Icmoyen . Tsat

            b) Wb : énergie perdue pendant le blocage Tb     (avec Tsat+Tb=T)

            Wb = E.Icex.Tb                 où Icex = courant de fuite du transistor bloqué (» 0)

            Pour un rapport cyclique donné, ces pertes sont constantes.

Pertes dynamiques :

            Wt : énergie perdue pendant les commutations (amorçage et coupure)

            Pour un rapport cyclique donné, ces pertes augmentent avec la fréquence car les temps de commutations sont, eux, constants.

 

            La puissance totale moyenne dissipée par le transistor lorsqu'il fonctionne à une fréquence f=1/T s'exprime alors par la somme des différentes contributions :

Pmoy= P(S+B)+Wt.1/T

Le premier terme ne dépend que du rapport cyclique de la commande et le deuxième augmente proportionnellement à la fréquence de découpage. La puissance moyenne doit bien évidemment rester inférieure à la puissance continue maximale que peut dissiper le transistor.

Chronogramme d'amorçage et de coupure du transistor sur charge inductive

ANNEXE 4. extrait Data sheet Module LEM http://lem.com

 

Capteurs de Courant à Boucle Fermée (B/F)

 LA-25 NP

Principe de fonctionnement

Particularités :

      • Large gamme de fréquence >100kHz
      • Bonne précision globale
      • Temps de réponse court
      • Faible dérive en température
      • Excellente linéarité
      • Pas de pertes d’insertion

 Le flux magnétique créé par le courant primaire IP est compensé à l’aide d’une bobine secondaire, par l’intermédiaire d’une cellule à effet Hall associée à un circuit électronique. Le courant secondaire de compensation est l’exacte représentation du courant primaire.