Pilotage d un Servomoteur via une Liaison Infrarouge

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1 Bureau d Étude d électronique Tronc Commun 1A :PET/PMP Pilotage d un Servomoteur via une Liaison Infrarouge Responsables : Fanny Poinsotte Nicolas Ruty Lien Chamilo : http ://chamilo2.grenet.fr/inp/ courses/phelmaa13pmcpel9 Bureau d Étude d Électronique 1er Semestre

2 Table des matières 1 Introduction Organisation du travail Travail de préparation Travail en séance Test des différents blocs Émetteur Infrarouge Réglage de PWM de commande du servomoteur Génération d un signal adapté à la transmission Polarisation de la LED Infrarouge Récepteur IR et traitement du signal Polarisation du Phototransistor, liaison avec la suite du montage Droite de charge du phototransistor Fixer un point de polarisation adapté Isolation d étage Amplification de gain variable Reconstitution du signal de commande du servomoteur Détecteur de crête Comparateur à seuil réglable Connecteur de sortie, jumper, alimentation régulée Conclusion 10 A Schéma Électronique et PCB Circuit Émetteur 11 B Schéma Électronique et PCB Circuit Récepteur 13 1

3 1 Introduction Dans le cadre de ce bureau d étude, nous vous proposons de travailler sur le pilotage à distance d un servomoteur, en utilisant une transmission infrarouge. Le schéma synoptique du système complet est donné sur les figures 1 pour l émetteur et 2 pour le récepteur. Cela comprend donc la génération du signal de commande du servomoteur, sa mise en forme pour la transmission, puis sa réception et son traitement pour l envoyer vers le servomoteur. Figure 1 Schéma Global de l Emetteur IR Figure 2 Schéma Global du Récepteur 1.1 Organisation du travail Travail de préparation Le schéma électronique et le schéma d implantation des composants sont donnés en annexe. L objectif du travail de préparation est que vous arriviez lors de la première séance avec, pour chaque montage : le dimensionnement théorique des composants et leurs valeurs possibles dans la série E12, une description claire du fonctionnement théorique(forme d onde, fonction de transfert, diagramme de Bode,...), une évaluation des paramètres d incertitudes qui vont créer les différences entre mesures et prédictions théoriques. Les questions posées dans la partie préparation ont donc pour but de vous permettre d effectuer au mieux ce travail de préparation. Séance de préparation (2H) + Réponse aux questions (1H) Ce travail de préparation vous prendra un MINIMUM de 2h! Une séance de travail en salle est prévue dans votre emploi du temps. Elle est suivie, quelques jours plus tard, d une séance d 1H, en amphi, de réponses aux questions soulevées par les difficultés que vous aurez rencontrées. Cette méthode de travail est la même que 2

4 celle que vous expérimentez en cours d électronique. Pour vous permettre d être efficace durant votre préparation et pour nous permettre de répondre au mieux à vos attentes lors de la séance suivante, nous vous demandons de nous envoyer vos questions par mail, 48h après la séance de préparation. Et afin de limiter et formaliser aux mieux vos questions, nous vous demandons de travailler en groupe d APP d électronique et de n envoyer qu une liste de questions par groupe. Remarque : dans la présentation, vous trouverez à plusieurs endroits des références précises de composants. Il vous est demandé de lire les datasheets. Ces documents explicitant le fonctionnement des composants se trouvent sur internet (par exemple alldatasheet.com). Il ne s agit pas lire l intégralité des lignes des nombreuses pages mais bien de comprendre le fonctionnement du composant et toutes les subtilités d insertion dans un montage et de cablage Travail en séance Lors de la première séance, il vous sera distribué les cartes électroniques que vous devrez percer, puis sur lesquelles vous souderez des composants dont vous aurez choisi les valeurs de façon à respecter le cahier des charges. Tous les blocs du montage seront alors testés. Toutes les fonctions dont vous avez besoin sont prévues sur la carte. Du matériel sera mis à votre disposition, et notamment une plaque à trou, qui vous permettra de tester chacun des montages avant de souder les composants sur la plaque Test des différents blocs Important : Valider le fonctionnement d un bloc ne signifie pas seulement dire "ça marche". Il s agit de faire une ou des mesures quantitatives (gain, fréquence de coupure, rapport cyclique...), les analyser en terme d ordre de grandeur, les comparer aux prédictions théoriques, expliquer les écarts, et corriger si besoin. Toute cette démarche sera à expliciter dans le rapport final. 3

5 2 Émetteur Infrarouge L objectif de ce premier montage (schéma complet en annexe A) est la création et la transmission d un signal IR contenant l information de pilotage du servomoteur. 2.1 Réglage de PWM de commande du servomoteur La figure 3 donne le schéma électrique de l oscillateur générant la MLI (PWM en anglais) de rapport cyclique variable en fonction de la position du potentiomètre RV1. Lire la datasheet du servomoteur. Lire la datasheet du NE555. Déterminer les valeurs des composants C2, R1, RV1, R2 pour générer un signal permettant de faire varier l angle du servo moteur sur toute sa gamme angulaire. Figure 3 Schéma électronique du premier oscillateur 2.2 Génération d un signal adapté à la transmission Le signal ainsi généré doit maintenant être mis en forme. C est le rôle du montage de la figure 4 Figure 4 Schéma électronique du deuxième oscillateur Justifier le choix de décaler le signal vers les hautes fréquences (ici on a choisi 5kHz) pour l envoi du signal via la LED infrarouge. La sortie de U1 (patte 3) est injectée dans un montage à transistor qui a pour effet d inverser le signal. 4

6 A quoi sert la patte 4 du NE555? Déterminer les valeurs de R3, R7 et C4, pour obtenir la fréquence souhaitée et un rapport cyclique d environ 50 Donner la forme d onde de sortie de U2, sur une figure précise. 2.3 Polarisation de la LED Infrarouge Le signal mis en forme peut maintenant être transmis, via le circuit de la figure 5. Figure 5 Schéma électronique du deuxième oscillateur Lire la datasheet de la diode TSUS4400. Déterminer une valeur de R6 permettant une puissance d émission maximale. Tracer la caractéristique I=f(V) de la diode TSUS4400 ainsi que la droite de charge pour la valeur de résistance choisie. 3 Récepteur IR et traitement du signal Le signal lumineux doit maintenant être conditionné en vue de son exploitation pour le pilotage du servomoteur. 3.1 Polarisation du Phototransistor, liaison avec la suite du montage Si on étudie le schéma de la figure 6, il peut être séparé en deux parties Droite de charge du phototransistor Vous ne connaissez pas du tout le fonctionnement de ce composant et vous n en aurez pas besoin dans les détails. Il vous suffit de savoir qu il vous permettra de transformer la puissance lumineuse reçue en un courant électrique. Toutes les informations utiles concernant son utilisation et son cablage sont dans la datasheet. Si vous regardez le montage autour du phototransistor TEFT4300, La résistance R1 permet entre autre de régler la sensibilité du montage. En utilisant la figure 5 de la datasheet du 5

7 Figure 6 Schéma électronique de polarisation du phototransistor, puis re-polarisation après la capacité de liaison TEFT4300 et en supposant une puissance incidente de quelques mw/m 2, dimensionner la résistance R Fixer un point de polarisation adapté La puissance lumineuse reçu par le TEFT4300 va varier selon la distance entre les deux circuits Émetteur et Récepteur, mais également en fonction de la luminosité ambiante. Cette dernière fera notamment varier la valeur moyenne du signal au niveau de la patte 2 du TEF4300 (Collecteur). Le signal global est la somme entre cette valeur moyenne et les variations autour de celle-ci. Le condensateur C1 et les résistances R3/R4 permettent de fixer une nouvelle valeur moyenne du signal mieux adaptée à la suite du montage. Déterminer des valeurs de C1, R3 et R4 de façon à obtenir une tension de polarisation adaptée à la suite du montage. 3.2 Isolation d étage Expliquer la nécessité d un étage d isolation d étage. Préciser en quoi le MCP6002 est particulièrement adaptée pour réaliser cette tache. Donner une particularité (à part son prix) de cet amplificateur opérationnel qui a déterminé son choix. 3.3 Amplification de gain variable De manière évidente, l amplitude du signal reçu peut être assez faible. L amplifier permettra une meilleure reconstitution du signal de commande du servomoteur. Un amplificateur de gain variable est utilisé, cf figure 8. Déterminer une valeur de gain raisonnable pour notre application. Donner la fonction de transfert du montage, incluant la modélisation du potentiomètre. Déterminer des valeurs pour R5/R7, R6 et RV2. Préciser les formes d ondes en entrée et sortie du bloc amplificateur. 6

8 Figure 7 Schéma électronique du montage suiveur Figure 8 Schéma électronique de l amplificateur de gain variable 3.4 Reconstitution du signal de commande du servomoteur Le signal amplifié par l étage précédent peut être maintenant être "démodulé" et seuillé pour obtenir le signal de commande initial Détecteur de crête La démodulation s effectue via le détecteur de crête de la figure 9. Décrire le fonctionnement du montage, la forme du signal en entrée et en sortie. Déterminer des valeurs pour R2 et C2. Justifier l utilisation d une diode Schotkey BAR28. 7

9 Figure 9 Schéma électronique de l amplificateur de gain variable Donner un protocole expérimental pour valider le fonctionnement et le dimensionnement du montage Comparateur à seuil réglable On place à la suite du détecteur de crête un AOP monté en comparateur simple, figure 10. Figure 10 Schéma électronique de l amplificateur de gain variable Décrire le fonctionnement du montage.. Justifier l utilité du montage. Dimensionner RV Connecteur de sortie, jumper, alimentation régulée Si vous regardez en détail le montage donné figure vous verrez qu il reste des composants dont on n a pas parlé. Ainsi, vous aurez noté la présence de "jumper" entre chaque bloc fonctionnel dans le 8

10 montage. Préciser leur rôle. Comment sont-ils matérialisés sur la carte PCB. De même, sur chaque carte, est présent un LM7805. Lire la datasheet de ce composante et préciser son rôle. Enfin, vous noterez la présence de JP4 entre VCC et le connecteur de sortie. Préciser son rôle. Vu le fonctionnement d un servomoteur, préciser l utilité de la possibilité d une alimentation externe pour celui-ci. 9

11 4 Conclusion Le dimensionnement des montages émetteur et récepteur est maintenant terminé. Il vous reste donc à passer à la pratique. Il est relativement impératif de garder en tête que les blocs d un "gros" montage doivent être testé séparément pour maximiser vos chances d avoir un montage complet fonctionnel. 10

12 A Schéma Électronique et PCB Circuit Émetteur Schéma Électronique Figure 11 Schéma électronique de la carte émettrice 11

13 Schéma d implantation et routage sur plaque PCB Figure 12 Schéma d implantation et routage de la carte émettrice 12

14 B Schéma Électronique et PCB Circuit Récepteur Schéma Électronique Figure 13 Schéma électronique de la carte réceptrice 13

15 Schéma d implantation et routage sur plaque PCB Figure 14 Schéma d implantation et routage de la carte réceptrice 14