Carte de Pilotage des Bras

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1 Carte de Pilotage des Bras But : Cette carte est destinée à piloter (rentrer / sortir) les deux bras du robot : Le bras latéral permettant de faire tomber les quilles ; Le bras permettant de ramasser les quilles (via des électroaimants : cf carte de pilotage des électroaimants). A partir de deux bits provenant du port parallèle, nous devons piloter ces deux bras. Nous avons donc un bit pour chaque bras. Lorsque ce bit est à l état bas, alors nous devons rentrer le bras, par contre si celui-ci est à l état haut, il faut sortir le bras. Afin que le moteur ne force pas une fois que le bras est rentré ou sorti, nous avons mis en place des capteurs de fin de course qui coupe l alimentation des moteurs. Entre la partie électronique faible puissance (commande, capteurs, ) et la partie électronique de puissance (ponts en H, moteurs, ), nous placerons des optocoupleurs afin d avoir une isolation optique. Cette isolation, nous permet de protéger la partie électronique faible puissance et lui permet d être moins sensible aux bruits générés par la partie de puissance. Pour que ce système soit entièrement efficace, il faut aussi prévoir deux alimentations indépendantes (une pour chaque partie). Schéma bloc :

2 Figure 1 : schéma bloc de la carte. Fonctionnement : Remarque : étant donné que les deux bras sont pilotés de la même manière, nous n étudierons que la commande d un seul bras. La partie électronique de «puissance» : Etant donné que nous devons faire rentrer et sortir les bras, il faut pouvoir piloter les moteurs dans un sens puis dans l autre. En effet lorsque nous alimentons un moteur à courant continu avec une tension positive, il tourne dans un sens. Puis lorsque nous l alimentons avec une tension négative, il tourne dans l autre sens. Il existe un circuit permettant de gérer ces inversions de polarités, c est le pont en H. Son schéma de principe est le suivant : Figure 2 : schéma de principe d un pont en H. En regardant les schémas, nous devinons le sens de rotation du moteur : sur le schéma «a» le moteur est à l'arrêt (on devrait même dire qu'il est freiné : en effet court-circuiter les deux pôles d'un moteur revient à le freiner). Sur le schéma «b» il tourne dans le sens inverse du schéma «c» et enfin sur le schéma «d» il est freiné. Et bien voici la base du pont en H, toute l'idée réside dans ce schéma. Bien sûr, pour l'implémenter, il va nous falloir remplacer les interrupteurs par des transistors.

3 Figure 3 : modélisation d un pont en H. Le schéma ci-dessus représente le schéma idéal du pont en H. Quand l'entrée In 1 (ou In 2) est active, le transistor Q1 (ou Q2) est passant et le transistor Q3 (ou Q4) est bloqué. Quand In 1 est actif, le pôle 1 du moteur est au potentiel Vcc, et lorsque In 1 est à l'état bas, le pôle 1 du moteur est à la masse. Nous pouvons en déduire la table suivante : in2 in1 Tension aux bornes du moteur Etat du moteur volt Arrêt volts Rotation dans un sens (pour sortir le bras) volts Rotation dans l'autre sens (pour rentrer le bras) volt Arrêt Lorsque nous regardons de près ces bits nous comprenons rapidement qu avec ce pont la carte est pratiquement terminée. Nous considèrerons «in1» comme l entrée de la carte, il suffit de mettre un inverseur entre «in1» et «in2» (cf figure 1) : Pour rentrer le bras, nous avons in1=0 puis nous l inversons pour avoir in2=1, dans ce cas le moteur tourne dans un sens. Il suffit juste d annuler le bit in2 avec le capteur fin de course (in2=0) lorsque le bras est rentré pour arrêter le moteur. Pour sortir le bras c est la même chose avec in1=1 en entrée, donc in2=0, le moteur tourne dans l autre sens. Le capteur de fin de course passera le bit in1 à 0 et le moteur s arrêtera. Nous utiliserons le L298N, ce circuit intègre deux ponts en H indépendants (chaque moteur utilisera un pont). Nous aurons donc deux fois deux bits de commande. La tension d alimentation des moteurs étant de 12 volts, nous alimenterons le pont en H avec cette même tension. Nous prévoirons un régulateur de tension 5 volts afin d alimenter les circuits logiques présents dans ce circuit. Remarque : Vu la légèreté du bras permettant de faire tomber les quilles il faut diminuer la tension

4 d alimentation du moteur car si nous l alimentons à pleine puissance, le bras s ouvre et rebondit plusieurs fois (oscillations). Le L298N (double pont en H) dispose d une entrée «enable» par pont. L entrée enable (du pont en H permettant le pilotage du bras faisant tomber les quilles) verra un signal carré. Avec ce système le pont en H ne sera activé qu une partie du temps et donc le moteur ne sera pas constamment alimenté réduisant ainsi sa vitesse. Le signal carré sera généré par un NE555 monté en astable, nous permettant de choisir le rapport cyclique adéquate. Ce signal carré aura une fréquence suffisamment élevée (de l ordre de la centaine d hertz) afin que la vitesse de rotation du moteur reste constante. La vitesse du moteur dépend directement du rapport cyclique du signal créé. La seule méthode efficace nous permettant de trouver les valeurs des composants a été de faire des tests avec une résistance et un condensateur fixe et, un potentiomètre. Le schéma de l astable est le suivant : Figure 4 : montage du NE555 en astable. A l issue des tests, nous trouvons : R18 = 1K Ω ; R19 = 6,8K Ω ; C3 = 1uF. Calcul : Soit «th», la durée du niveau haut et «tb» la durée du niveau bas. Nous avons th = (R18+R19).C3.ln( 2 ) = 5,4ms et tb = R19.C3.ln(2) = 4,7ms. La période d oscillation : T = th + tb = 10,1ms soit une fréquence de 99Hz. Le rapport cyclique : α = tb / T = 53,4%. La partie électronique de «commande» : Remarque : La figure ci-dessous ne représente que la moitié de la partie «commande», la totalité de cette partie reprendra deux fois ce schéma.

5 Figure 5 : partie électronique de «commande». Remarque : dans cette partie nous traiterons les inverseurs, l isolation optique et la gestion des capteurs de fin de course. L inverseur : (L inverseur est composé de R2, R3 et Q5) Lorsqu en entrée nous avons un signal à l état bas (0 volt), le transistor Q5 est bloqué donc nous avons en sortie un signal à l état haut (~5 volts). Lorsqu en entrée, nous avons un signal à l état haut (5 volts), le transistor est saturé donc nous avons en sortie la tension VCEsat (~0,2 volt) soit un état bas. Afin d avoir un fonctionnement bloqué / saturé du transistor, il faut calculer la valeur des résistances R2 et R3 (respectivement résistances de collecteur et de base) en fonction du gain en courant (béta) du transistor. Le transistor choisi est le 2N2222 (modèle très courant, très facile à se procurer), son gain en courant est compris entre 100 et 300. Pour nos calculs, nous choisirons le gain le plus défavorable c'est-à-dire 100 (car si le transistor est saturé pour un gain de 100, il le sera d autant plus pour un gain de 300). Calcul : Vcommande = 5v, nous considérons que le transistor est saturé (donc passant) dans ce cas Vbe = 0,7v (polarisation directe de la jonction base-émetteur) et Vce=VCEsat=0,2v VR3 = 4,3v donc Ib = 4,3 / R3. (1) VR2 = 5-0,2 = 4,8v d où Ic = 4,8 / R2. (2)

6 Nous savons que le gain du transistor est de 100, donc Ic = 100 x Ib. (3) A partir des équations (1), (2) et (3) nous pouvons écrire : R2 = R3 (4,8 / 430), nous voulons une résistance de base assez grande pour ne pas consommer beaucoup de courant sur l entrée de commande. Nous posons donc R3 = 22K Ω. Alors R2 = (4,8 / 430) = 245,6 Ω, nous choisissons dans la série E12 une résistance de valeur supérieur afin de sur-saturer le transistor : R2 = 330 Ω. Remarque : Coefficient de sur-saturartion : 1 - (330 / 245,6) = 34%. Isolation optique : (Cette fonction est composée de R1, R4, U1 et U2) Afin de réaliser l isolation entre la partie faible puissance (celle que nous traitons actuellement) et la partie dite de puissance, nous avons placé des opto-coupleurs (U1 et U2). Nous avons choisi le modèle 4N25 (boîtier DIP-6), son fonctionnement est simple : lorsqu un courant traverse la diode celle-ci émet de la lumière qui vient rendre passant le transistor. Calcul : Lorsque le courant de diode est égal (ou supérieur) à 5mA, le flux lumineux ainsi généré est assez puissant pour saturer le transistor. Dans ce cas la tension aux bornes de la diode est de 1,1 volt. Soit Id le courant de diode, Id = (5 1,1) / R4. De plus Id doit être supérieur ou égal à 5mV, donc R4 doit être inférieur ou égal à 780 Ω. Nous choisissons la valeur dans la série E12 : R4 = 680 Ω. Par contre il faut que R1+R2 soit inférieur ou égal à 780 Ω, avec R2=330 Ω. Nous choisirons R1 dans la série E12 : R1 = 360 Ω. Gestion des capteurs de fin de course : Pour chaque bras nous utiliserons deux capteurs de fin de course : fin de course intérieur et fin de course extérieur. Les capteurs seront du type N.O. (Normaly Open), lorsque le bras est rentré la butée intérieure est appuyée (les bornes du capteur sont court-circuités). Lorsque le bras est sorti, c est la butée extérieure qui est appuyée donc c est ce capteur qui est court-circuité. Par construction (mécanique), les deux contacteurs ne peuvent jamais être appuyés en même temps! Par contre, lorsque le bras est en déplacement, soit il rentre ou soit il sort, alors les deux butées sont relâchées. Chaque capteur est relié directement en parallèle sur la diode de l opto-coupleur, lorsque le capteur est relâché la diode émet de la lumière le moteur est alimenté (le bras rentre ou sort), dès que le bras est rentré ou sorti, la butée court-circuite la diode qui émettait de la lumière (celle-ci n en émet plus) et le moteur s arrête.

7 Témoins lumineux : Afin de vérifier la présence des tensions d alimentation, nous avons placé une DEL rouge sur l alimentation faible puissance (+5v) et une autre sur l alimentation de puissance (12V). De plus, nous plaçons deux diodes (une jaune et une verte) par moteur (montées têtes bêches) pour visualiser si le moteur est alimenté et son sens de rotation. Fonctionnement général : Au repos, le bit de commande est à l état bas, le bras rentre jusqu'à ce qu il rencontre le capteur de fin de course intérieur. Dès qu il le pousse, nous considérons que le bras est rentré. Dans ce cas le capteur se met en court-circuit (capteur NO), étant donné qu il est relié directement en parallèle sur la diode de l optocoupleur, celle-ci n émet plus de lumière (car court-circuitée) donc le pont en H n alimente plus le moteur et le bras reste à l intérieur. Lorsque nous voulons faire sortir le bras, nous positionnons un état haut sur l entrée de commande, le bras sort jusqu'à ce qu il rencontre le capteur de fin de course extérieur. Dès qu il le pousse, nous considérons que le bras est sorti. Dans ce cas le capteur se met en court-circuit (capteur NO), étant donné qu il est relié directement en parallèle sur la diode de l optocoupleur, celle-ci n émet plus de lumière donc le pont en H n alimente plus le moteur et le bras reste à l extérieur. Remarque : si le bras est sorti (bit de commande à l état haut) et si nous poussons mécaniquement le bras vers l intérieur, dès que le capteur de fin de course détectera que le bras n est plus sorti, le moteur sera alimenté pour re-sortir le bras (jusqu'à ce qu il rencontre la butée). Même chose si le bras est rentré (bit de commande à l état bas), et que nous le tirons mécaniquement vers l extérieur, le moteur sera alimenté pour faire rentrer le bras. Nomenclature Nom Valeur Divers R2, R7 330Ω 1/4W R1, R4, R6, R9 360Ω 1/4W R5, R14, R17 470Ω 1/4W R15, R16, R18 1KΩ 1/4W R10, R11, R12, R13 4.7KΩ 1/4W R19 6.8KΩ 1/4W

8 R3, R8 22KΩ 1/4W C4 10nF Tentale C2 100nF Tentale C3 1uF Chimique polarisé C1 10uF Chimique polarisé D1, D2 DEL Rouge D3, D5 DEL Verte D4, D6 DEL Jaune Q1, Q2 2N2222 TO-18 U1, U2, U3, U4 4N25 Dip 6 U5 L298N Multiwatt 15 U6 NE555 Dip 6

9 Schéma électrique : Figure 6 : schéma de la carte complète.

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