I Etude préliminaire.

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Ségolène Breton
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1 1- L effet PELTIER I Etude préliminaire. Définition : L effet Peltier (découvert par Jean Charles Athanase Peltier) est un phénomène thermoélectrique découvert par un horloger français en 1834, consistant en un transfert de chaleur entre une jonction d un circuit, constitué de deux conducteurs différents. Selon le sens du courant (et donc son signe), la jonction à laquelle on enlève de la chaleur est la source froide et celle qui en reçoit est la source chaude ; l intensité de l échange thermique dépendant également de l intensité de I. L Effet PELTIER correspond alors au fonctionnement d une pompe à chaleur thermoélectrique et peut être décrit comme une méthode de transfert d énergie à travers un dispositif semi-conducteur. Ce phénomène subira un essor sans précédent avec l utilisation des matériaux semiconducteurs. 2- Principe général : Une source de courant électrique continu, pompe les électrons d un semi conducteur vers un autre. Ce déplacement d électrons, crée une énergie qui entraîne la modification thermique correspondante aux semi-conducteurs. Surface froide L a j o nction froide devient f r o i d e p a r c e q u i l y a absorption d énergie par les électrons lorsqu ils passent d un semi conducteur vers un autre I sortant I entrant Surface chaude Page 1/9

2 3- Démonstration simple de l effet Peltier: En réalisant un circuit avec deux fils, (métaux différents) et en chauffant l une des extrémités, un courant continu circule dans le circuit : Si le circuit est ouvert, la tension apparaissant alors est proportionnelle à la température et fonction de la nature des 2 métaux. A l'inverse, si l'on soumet une tension à ce circuit, on observe un transfert de chaleur entre les 2 fils : c'est l'effet Peltier! Composition interne d un module à effet Peltier. Aspect général d un module de Peltier Pour conclure et organiser de façon un peu plus claire nos idées, il apparaît clairement que l effet Peltier constitue, un principe thermodynamique fort intéressant et fort pratique. Les échanges de chaleur, obtenus et utilisant l effet Peltier, sont intéressants à étudier, ce qui nous amène à notre sujet d asservissement en température d un module à effet Peltier. Page 2/9

3 II Sujet du µ Projet. Notre objectif, est de réaliser par ce T.P., un asservissement en température et de le programmer sur la plaquette par l intermédiaire d un PIC 16 F 877 commercialisé par MICROCHIP. Matériel fourni : Module de Peltier. (actionneur) Capteur de température. Plaquette équipée du µcontrôleur. Schéma de principe du T.P. : Actionneur : Module de Peltier Capteur de température CNA CAN Partie Programmation Ce Projet consiste donc, à réaliser un asservissement en température, grâce à un module de Peltier ; et de le programmer par l intermédiaire d un microcontrôleur. Page 3/9

4 Température consigne Boucle d asservissement : Température mesurée Erreur e Correcteur Circuit électronique SYSTEME A ETUDIE Module de Peltier Capteur de température Voici, l asservissement que l on a réalisé pour gérer la température du module à effet Peltier. Tout l intérêt de ce dispositif, réside en fait dans le type de correction réalisé ainsi que dans le choix de la période d échantillonnage (gérant les temps d interruptions du système). Détermination de la période d échantillonnage. Te très court Te très long Il est évident que le choix de Te (période d échantillonnage) est très important, car selon la valeur choisie le comportement s en voit particulièrement modifié. Si on choisit Te très long : Mauvaise représentation du signal. Mauvais contrôle du système, mauvaise régulation. Mauvaise gestion de l asservissement. Si on choisit Te très court : Bonne représentation du signal. Page 4/9

5 Mauvaise utilisation du calculateur. Gestion correcte mais pas optimale de l asservissement. Selon le théorème de Shanon : Il est nécessaire de choisir une fréquence d échantillonnage (1/Te) > 2 fois la plus haute fréquence du signal. D après le théorème précédent, et les considérations réalisées précédemment il semble important de choisir une période d échantillonnage de durée suffisante mais pas trop excessive, afin de bien utiliser et maîtriser le système considéré. Gestion de la correction la plus adaptée. Dans le cadre d étude et de réalisation d asservissements, trois critères principaux sont à prendre en compte pour son optimisation : PRECISION VITESSE STABILLITE CORRECTION VITESSE PRECISION STABILITE Proportionnelle Rapidité du système améliorée Améliorée (Erreur statique ~0) Détériorée / Inexistante Intégrale Rapidité du système globalement améliorée Fortement améliorée (Erreur statique =0) Mauvais amortissement du système Dérivée Influence faiblement ressentis Précision globalement améliorée Stabilité du système fortement améliorée Page 5/9

6 Aux vues des différentes réponses, des systèmes asservis aux différentes corrections apportées, il semble évident que la meilleure correction regroupant ces trois actions est: Un correcteur Proportionnel Intégrale Dérivée. Pour déterminer les coefficients de ce correcteur deux méthodes sont particulièrement utilisées : Méthode des «coefficients PID» Méthode des «coefficients de Ziegler et Nichols» III- Notre système - Mise en œuvre de la consigne Pour maîtriser la température de consigne, nous avons mis en place, les réglages nécessaires pour que celle-ci soit directement pilotée par le potentiomètre «RA0», et visualisée sur l écran LCD. Conversion Visualisation de la consigne sur l écran LCD Potentiomètre RA0 Page 6/9

7 - Gestion du système bouclé Mise en place des perturbations «U0» Ce bloc, rajouté à notre système, affirme la réalité due aux perturbations probables, qui pourraient nuire, ou du moins diminuer les capacités de notre asservissement. Correcteur U Commande U0 Perturbations Système Mise en place du bouclage Le bouclage consistant à réaliser l asservissement par la comparaison des résultats obtenus a été réalisé, en bouclant la mesure (obtenue grâce au capteur de température à la sortie du module Peltier) avec la consigne. Ainsi, on a écrit la valeur mesurée dans le registre CCPR2L, qui gère la largeur des impulsions à créer pour corriger le résultat : CCPR2L = mesure ; /* bouclage mesure-consigne*/ Mise en place du correcteur La mise en place des corrections s est faite progressivement : Utilisation d une correction proportionnelle : P Vérification du fonctionnement correcte de l asservissement. Erreur = Consigne- Mesure ; Uk = Kp x Erreur ; /* Kp coeff du correcteur proportionnel */ If (Uk <= 0) U=0 ; Else if (Uk > 255) U=255 ; Else U = Uk ; Page 7/9

8 Utilisation d une correction proportionnelle intégrale : PI Amélioration du correcteur Erreur = Consigne - Mesure ; Uk = Kp x Erreur + Ki x Ercumulée ; /* Kp coeff du correcteur proportionnel */ /* Ki coeff du correcteur intégral */ Ercumulée = Ercumulée + Erreur ; If (Uk <= 0) U=0 ; Else if (Uk > 255) U=255 ; Else U = Uk ; Utilisation d une correction proportionnelle intégrale dérivée : PID Utilisation optimale de correction. Utilisation du sous-programme correcteur fourni dans «outils.c» Programme réalisé Après avoir fait toutes les initialisations (à savoir l écran LCD, le PWM, le Timer2, le capteur de température, les ports entées / sorties) la régulation de la température s effectue au moyen d interruptions ; en effet notons que le microcontrôleur peut effectuer d autres actions. Pour parer ce problème, nous générons une interruption à chaque «top» du Timer2 (Chaque période d échantillonnage). C est dans cette interruption que se trouvent les trois phases de la régulation : acquisition de la consigne mesure de la température correction de l erreur Page 8/9

9 Conclusion : Après compilation et refroidissement du module, on peut lancer le fonctionnement de l asservissement de température géré par microcontrôleur. Notons, l affichage sur 3x2 digits sur l écran LCD des trois données essentielles à notre problème : CONSIGNE, MESURE, ERREUR On observe, donc pour une consigne choisie (au potentiomètre) l évolution de la mesure, qui ne cesse de se rapprocher de la valeur de consigne (à noter qu il ne faut pas oublier d actionner l interrupteur du module à effet peltier). Dans le cas d une évolution de la consigne, le système réagit également de façon appropriée. Avec le correcteur PI : Dépassement puis retour à l équilibre (Problème de stabilité). Rapidité assez moyenne. Avec le correcteur PID : Faible dépassement puis retour à l équilibre. Rapidité légèrement améliorée. Donc quel que soit le correcteur utilisé, on observe bien le résultat attendu ; et selon le type de correcteur choisi on peut alors affiner les réglages et optimiser le fonctionnement de cet asservissement de température. Page 9/9

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