LYCEE BEAUMONT REDON LYCEE JEAN GUEHENNO FOUGERES LYCEE JEANNE D ARC VITRE ACADÉMIE DE RENNES THEME 2006 BAC S.T.I. Génie électronique OUVRE-PORTAIL SEQUENCE Non évaluée PROBLÉMATIQUE DU THÈME PROBLÉMATIQUE - GERER LE DEPLACEMENT DU PORTAIL EN FONCTION DES CONSIGNES FIXEES PAR L UTILISATEUR. - SECURISER LA MANŒUVRE DU PORTAIL. - REALISER LES FONCTIONS ELECTRONIQUES UTILISEES PAR LE SYSTEME OBJECTIFS Permettre à l élève de : - comprendre le fonctionnement du système étudié pour gérer le déplacement du portail. - découvrir le régime de fonctionnement discontinu d un hacheur série alimentant un moteur à courant continu. - étudier le fonctionnement d un transistor MOSFET à niveau logique de puissance en commutation. Ouvre-portail Problématique Page 1/ 8
I Introduction L ouvre-portail est un produit " grand public" destiné à manœuvrer à distance des vantaux de poids et dimension variés en développant un couple de force pouvant atteindre quelques dizaines de dan.m. Son principe de fonctionnement s articule autour d un moteur à courant continu à aimant permanent commandé par un convertisseur statique d énergie. La mise en service de l ouvre-portail passe par une première phase d auto-apprentissage où il est possible de choisir entre deux modes de fonctionnement, semi-automatique ou automatique. Phase d auto-apprentissage. Elle permet entre autre au système de commande de mémoriser tous les paramètres de l installation Mode semi-automatique : Une impulsion sur une touche de télécommande donne l ouverture, une nouvelle impulsion donne la fermeture. Pendant l ouverture ou la fermeture une impulsion sur une touche de télécommande arrête le portail. Une nouvelle impulsion valide le sens opposé. Mode automatique : Une impulsion sur une touche de télécommande donne l ouverture, la fermeture est automatique ( la durée de temporisation avant fermeture est réglable). Pendant l ouverture une impulsion sur une touche de télécommande n a aucun effet. Pendant la fermeture une impulsion sur une touche de télécommande provoque la réouverture. Ces modes de fonctionnement exigent en général l installation de dispositifs de sécurité : un feu clignotant, un éclairage de zone, un détecteur d obstacle, un système anti-coincement, ( norme NFP 25-362). II Fonctionnement du moteur alimenté par un hacheur à commande MLI. Le dispositif d alimentation du moteur à courant continu, couplé à un réducteur de vitesse, utilise un hacheur série à commande MLI (modulation à largeur d impulsion). Ceci pour permettre d entraîner le vantail à vitesse variable (à partir de l arrêt). En outre, cette commande comporte une rétroaction pour bloquer le hacheur lors d une surcharge qui survient lorsque le vantail rencontre un obstacle. Pour tenter d expliquer physiquement les différentes étapes de mise en mouvement du vantail, on propose de le traiter par la suite sous forme d exercice. Ouvre-portail Problématique Page 2/ 8
II-1. Exercice. L induit d un moteur à courant continu à aimant permanent est alimenté par une source de tension de 24V via un hacheur fonctionnant à la fréquence 100 Hz (figure 1). Au moyen de la commande MLI, le rapport cyclique de la tension appliquée aux bornes de l induit est réglé au démarrage à une valeur fixe. Ce moteur, associé à un réducteur de rapport de vitesse 600, entraîne un vantail qui lui impose un couple résistant constant de 135 N.m. Le bobinage de l induit est assimilé à une bobine parfaite d inductance L = 6 mh et de résistance supposée négligeable. La constante du moteur est estimée à K = 0,06 V rad -1 s ou N m A -1. On néglige les pertes du hacheur et du moteur. i(t) V cc = 24 V Hacheur à commande MLI u(t) Moteur Réducteur Ω Vantail Ω red Figure 1 V cc = 24 u(t) Où α est le rapport cyclique 0 i(t) αt T t I max 0 αt T t Figure 2 1. Représenter le modèle électrique de l induit du moteur. 2. Rappeler l expression de la f. é.m E de l induit en fonction de la vitesse de rotation Ω. 3. En déduire la f. é.m E lorsque le moteur est à l arrêt. 4. Exprimer, en détaillant les calculs, la valeur moyenne Umoy de u(t) en fonction de α et V cc. 5. Pour α=0 et α=2/8, calculer la valeur moyenne Umoy de u(t). 6. Donner la relation entre la tension u(t) et la f.é.m E et la tension aux bornes de la bobine L(di/dt). Ouvre-portail Problématique Page 3/ 8
7. Sachant que la valeur moyenne < L(di/dt) > = 0, donner la relation entre la valeur moyenne de u(t) et la f.é.m E. 8. Pour une vitesse de 100 rad/s, calculer la valeur de la f.é.m E du moteur. En déduire la valeur du rapport cyclique α, puis la durée de fermeture du hacheur. 9. Exprimer le couple Γ développé par le moteur en fonction du couple Γ red à la sortie du réducteur, Ω et Ω red. 10. Calculer la valeur moyenne du courant absorbé par l induit pour entraîner le vantail. 11. En observant l allure de i(t) donnée ci-dessus, s agit-il d un régime de conduction ininterrompue? Sinon, comment appelle-t-on cet autre régime? 12. Pour 0 t αt, justifier l allure de l évolution du courant i(t) dans l induit donnée ci-dessus (Figure 2) et déterminer sa valeur maximale Imax. On précise que initialement i(0) = 0 A. 13. Pour αt t T, justifier l allure de l évolution du courant i(t) dans l induit et l instant t 1 = T où le courant d induit s annule (Figure 2). 14. On se place dans le cas où l instant t 1 < T, représenter en concordance de temps l allure du courant d induit i(t) et la tension u(t) aux bornes du moteur (Figure 3). V cc = 24 V u(t) 0 αt t 1 T T+αT 2T t(ms) i(t) I max 0 t(ms) αt t 1 T T+αT 2T Figure 3 Ouvre-portail Problématique Page 4/ 8
II-2. Hacheur à commande MLI ( schéma carte A). Le hacheur à commande MLI pour moduler l énergie électrique fournie au moteur est représenté à la figure 4 : Vcc= 24 V D 1 K 1 M u(t) K 2 Commande MLI R 2 Dz 1 G S D Q1 V ds R 3 R 4 C 3 V drain Q1 :transistor IRLZ44N ou D 1 : BYW98 R 2 = 1 kω ; R 3 = 100 kω ;R 4 = 20 kω C 3 = 100 nf M : moteur à courant continu D Z1 : diode zener 10 V Figure 4 1- Choix du transistor MOSFET. a- Documentation constructeur. Le transistor Q1 est un transistor IRLZ44N de Type MOSFET à " faible seuil " conçu pour la commande à niveau logique (Logic-Level Gate Drive). En vous aidant du document constructeur, compléter le tableau suivant : Intensité maximale I D (A) R DS on (Ω ) pour Id= 25 A et V GS = 5 V V GS( th) (v) Tension de seuil g transconductance pour Id= 25 A et V DS =25V V GS (V ) Tension admissible Déterminer la valeur minimale de la tension V GS à appliquer pour que le transistor soit saturé avec I D =25 A. Justifier l utilité de la diode zener D Z1. Indiquer le signe de la tension u(t) aux bornes du moteur et le sens du courant pour chaque position des contacts K1 et K2 qui basculent simultanément. Conclure quant au mouvement des vantaux. Quel est le rôle de la diode D 1?, Comment se nomme-t-elle? Ouvre-portail Problématique Page 5/ 8
b- Etude statique du transistor MOSFET à canal N. K Rd G Id D Q1 V ds Vdd V GS S Q1 : transistor IRLZ44N (ou équivalent) R d : rhéostat de quelques ohms v dd = 15 V Figure 5 Réaliser le montage ci-dessus (Figure 5). Faire varier la tension V GS et relever l intensité I D. Pour éviter l échauffement du transistor, penser à ouvrir l interrupteur K à la fin de chaque mesure. Tracer la caractéristique I D = f (V GS ) et commenter son allure. Déterminer la valeur de V GS( th) dite " tension de seuil " à partir de laquelle le transistor est passant. Comparer cette valeur à celle donnée par le constructeur. 2. Détection de blocage (schéma carte A ). La détection de la butée de fin de course des vantaux ou d un obstacle se fait en surveillant constamment le potentiel du drain. En effet, la présence d obstacle entraîne le blocage du moteur (f.é.m nulle ) et donc une variation brutale de la tension Vds. Cette dernière est filtrée puis appliquée à l entrée RA0 du microcontrôleur PIC qui après traitement ( conversion analogique-numérique et comparaison avec une tension de référence adéquate ) donne l ordre d inhiber la commande du hacheur. La tension V_drain appliquée à l entrée RA0 du microcontrôleur PIC est la réponse du quadripôle constitué par les éléments R3,R4 et C3 à la tension Vds du transistors Q1 (figure 6). On donne : R 3 = 100 kω ; R 4 = 20 kω ; C 3 = 100 nf. 1. Etudier le comportement physique de ce filtre et en déduire sa nature. 2. Déterminer en régime harmonique établi la transmittance complexe T = V DRAIN /Vds. Ouvre-portail Problématique Page 6/ 8
3. Définir la fréquence de coupure et donner son expression en fonction des éléments du montage.calculer sa valeur. R 3 Vds C 3 R 4 V-DRAIN Figure 6 Tension de référence Détection de blocage Schéma du hacheur série de la carte A Unité de traitement constituée par le pic 16F876 Ouvre-portail Problématique Page 7/ 8
PT9 R13 47K R12 10K D5 D6 R11 120K C10 C1 C2 C11 Decouplage U1 U3 U4 J1 HE10-20PTS U4 ICM7555 PT2 PT10 R10 12K D4 D3 R9 15K 10nF C9 PT1 R1 1K P1 5K 1nF C8 U1 74HC164 U3 ICM7555 Selection MLI J7 J6 C5 47uF R8 820 PT11 D2 LD 271 R7 1K Q2 BC337 PT12 10nF C7 100K PT7 R5 C4 2.2uF R6 20K BYV96E D1 PT3 PT4 R2 220 IRLZ44N Q1 PT5 DZ1 10V C3 Alimentation 5V PT6 R3 100K R4 20K +24V +24V U2 J5 REL3 PT8 RELAIS-TYPE 40 MC1413D OU ULN2003 C6 +24V J2 100uF +24V J4 C12 100uF REL1 J3 REL2 16 OCT 2004 Carte_A.SCH Eclairage Zone Alimentation 24V Alimentation 24V Moteur vantail H.L 1 1 Ouvre-portail Problématique Page 8/ 8