Lycée P.Corneille 02/09/16

Constituant des chaînes fonctionnelles complété_2016.docx- PAGE 1

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Constituants des chaînes fonctionnelles

1 GENERALITES SUR LES CHAINES FONCTIONNELLES ...................................................................... 2

2 LA CHAINE D’ENERGIE ................................................................................................................................ 4 2.1 L’énergie pneumatique .................................................................................................................................. 5

2.1.1 Production d’énergie pneumatique ........................................................................................................... 5 2.1.2 Exemples d’actionneurs: .......................................................................................................................... 6

2.2 L’énergie hydraulique ................................................................................................................................... 8 2.2.1 Production de l’énergie hydraulique ........................................................................................................ 8 2.2.2 L’actionneur linéaire ................................................................................................................................ 9 2.2.3 Principe de fonctionnement d’un moteur hydraulique: ............................................................................ 9 2.2.4 Exemple de réalisation ........................................................................................................................... 10 2.2.5 Représentation normalisée ..................................................................................................................... 11 2.2.6 Grandeurs caractéristiques ..................................................................................................................... 11 2.2.7 Les pré-actionneurs pneumatiques et hydrauliques : .............................................................................. 13 2.2.8 Autres accessoires constitutifs d’un circuit : .......................................................................................... 15 2.2.9 Exemples de circuits............................................................................................................................... 16

2.3 L’énergie électrique ..................................................................................................................................... 17 2.3.1 Distribution de l’énergie électrique: ....................................................................................................... 17 2.3.2 Principe général du moteur électrique : .................................................................................................. 17 2.3.3 Moteur à courant continu. ...................................................................................................................... 17 2.3.4 Moteur asynchrone triphasé. .................................................................................................................. 18 2.3.5 Moteur synchrone triphasé. .................................................................................................................... 19 2.3.6 Moteur synchrone autopiloté (ou brushless). ......................................................................................... 19 2.3.7 Moteur pas à pas. .................................................................................................................................... 20 2.3.8 Les pré-actionneurs électriques .............................................................................................................. 20

3 LA CHAINE D’INFORMATION .................................................................................................................. 23 3.1 Structure d’une chaîne d’acquisition de données. ..................................................................................... 23 3.2 Métrologie des capteurs ............................................................................................................................... 24

3.2.1 Etendue de mesure ................................................................................................................................. 24 3.2.2 Sensibilité ............................................................................................................................................... 24 3.2.3 Précision ................................................................................................................................................. 24 3.2.4 Rapidité .................................................................................................................................................. 25 3.2.5 Stabilité (ou invariance) ......................................................................................................................... 25 3.2.6 Répétabilité ............................................................................................................................................ 25 3.2.7 Bruit de fond .......................................................................................................................................... 25 3.2.8 Erreur de mesure .................................................................................................................................... 25

3.3 Typologie des capteurs suivant la nature du signal de sortie : ................................................................. 26 3.3.1 Capteurs analogiques.............................................................................................................................. 26 3.3.2 Capteurs numériques (ou codeurs). ........................................................................................................ 29 3.3.3 Le détecteur ............................................................................................................................................ 30

4 LA PARTIE COMMANDE ............................................................................................................................ 32 4.1 Technologie programmée : l’Automate Programmable Industriel ......................................................... 32 4.2 Conversion Analogique Numérique CAN .................................................................................................. 32 4.3 Conversion Numérique Analogique CNA .................................................................................................. 34 4.4 Cycle de traitement des données ................................................................................................................. 35

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1 GENERALITES SUR LES CHAINES FONCTIONNELLES

Une chaîne fonctionnelle réalise une fonction opérative élémentaire

Exemples : - Gérer l’ouverture d’un vantail

- Asservir en position le vérin 4 de la plate forme 6 axes

- Convoyer un produit

Figure 1 : Structure générale d’une chaîne fonctionnelle.

Remarque 1 : La chaîne d’action peut éventuellement comprendre un ou plusieurs transmetteurs

(réducteur, vis - écrou, joint de transmission, ...). Ceux ci transmettent l’énergie, très souvent

mécanique, à l’effecteur sous une forme exploitable.

Remarque 2 : La chaîne de mesure est nécessaire pour les systèmes asservis. Par contre dans

l’exemple du portail automatique, l’ouverture et la fermeture de la porte ne font pas l’objet d’un

compte rendu à la partie opérative pas de détecteur de fin de course! C’est une temporisation

(variable interne à la P.C.) qui règle le temps d’ouverture et de fermeture.

UNITE

CENTRALE

Traiter les

informations

MODULE

DE SORTIE

Transmettre

les ordres

PREACTIONNEUR

Moduler l’énergie

MODULES

DE

DIALOGUE

Communiquer

avec :

Opérateurs

Autres PC..

ACTIONNEUR

Transformer

l’énergie

EFFECTEUR

Opérer sur la

matière d’œuvre

MODULE

D’ENTREE

Adapter les

informations

DETECTEURS

CAPTEUR

Acquérir et transmettre

l’information

PROCESSUS

d’élaboration de la

valeur ajoutée

partie opérative partie commande ordre

Energie primaire

modulée

Energie secondaire

adaptée à l’action

Grandeur physique

à mesurer

Image de la

grandeur à

mesurer

Chaîne d’information

Chaîne d’énergie

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Figure 2 : Structure générale d’une chaîne fonctionnelle.

Chaîne d’énergie

Chaîne d’information

Acquérir

Traiter

Communiquer

Alimenter et

Protéger

Distribuer

Convertir

Transmettre

Processus d’élaboration de la valeur ajoutée

Energie d’entrée

Ordres grandeurs

physiques

à acquerir

Informations en entrée

Informations en sortie

MATIERE

D’ŒUVRE

ENTRANTE

MATIERE

D’ŒUVRE

SORTANTE

Frontière du système

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Remarque 3 : les capteurs et les pré-actionneurs sont considérés comme ne faisant pas partie de la

P.O. . Il sont à l’interface entre la P.C. et la P.O. . De ce fait, ils sont en présence de deux

niveaux d’énergie distincts (voir Figure 2):

- Un niveau de basse énergie qui véhicule les

ordres émanant de la P.C.

- Un niveau d’énergie élevé, provenant d’une

source d’énergie extérieure, servant à alimenter

l’actionneur en aval.

De plus ces énergies peuvent être de nature

différente comme pour la chaîne fonctionnelle

électropneumatique ci-contre

Figure 3 : Cohabitation d’énergies

différentes à des niveaux différents

2 LA CHAINE D’ENERGIE

Typologie des énergies d’entrée et de sortie

ENERGIE D’ENTREE ENERGIE DE SORTIE ACTIONNEURS

électrique mécanique moteurs électriques

électro-aimants

pneumatique mécanique vérin pneumatique linéaire

vérin pneumatique rotatif

venturi + ventouse

hydraulique mécanique moteur hydraulique

vérin hydraulique

thermique mécanique moteur thermique

turbines

électrique thermique résistance chauffante

électrique lumineuse laser

L’énergie électrique est la plus simple à mettre en œuvre! C’est de plus l’énergie privilégiée de la

P.C.

Chaîne d’action

Signal de commande Moduler et

Transformer

l’énergie

Energie de sortie

modulée

Energie d’entrée

disponible

NRJ

électrique

NRJ pneumatique

So

r

t i

e

s

P

C

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2.1 L’énergie pneumatique 2.1.1 Production d’énergie pneumatique

L’énergie pneumatique est fournie par un compresseur d’air (figure 3). L’énergie est stockée dans

un accumulateur dont la pression est régulée à une dizaine de bars. Un groupe de conditionnement

filtre l’air et régule la pression d’utilisation à 6 bars grâce à un détendeur. L’air est

éventuellement lubrifié pour certains actionneurs (figure 4 et 5).

Figure 4 : Compresseur à membrane

Figure 5 : conditionnement de l’air comprimée

Figure 6 : représentation schématique

Symbolisation simpliste d’une source d’air comprimée :

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Domaines d’utilisation de l’énergie pneumatique

Les avantages de l’énergie pneumatique :

- énergie non polluante

- vitesses importantes, temps de réponse faibles.

- simplicité de mise en œuvre et de maintenance (faible qualification)

Les désavantages :

- efforts développés faibles (pression limitée par la liquéfaction)

- maintient en position peu précis (compressibilité de l’air)

A cause de la compressibilité de l’air, le pneumatique

est très peu utilisé en asservissement et d’une manière

générale en commande proportionnelle (boucle ouverte

ou fermée).

Il est utilisé pour l’obtention de

mouvements simples et rapides de butée

à butée dans le cas d’un vérin.

Applications types : transfert de pièces,

petit outillage, milieu explosif...

2.1.2 Exemples d’actionneurs:

Vérin simple effet à un seul orifice

Vérin double effet à deux orifices

Vérin rotatif

Moteur pneumatique

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Vérin rotolinéaire

Vérin à soufflet Muscle pneumatique

Remarque 4 : force de poussée et force de rappel

sont différentes du fait des sections efficaces

différentes.

Vérin asymétrique pour la direction assistée DIRAVI

Vérin symétrique utilisé dans le pilote automatique

hydraulique Navico

La ventouse et le venturi

Ensemble distributeur +

venturi

schéma du dispositif

Figure 7 : Système de préhension par venturi et ventouse

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2.2 L’énergie hydraulique

2.2.1 Production de l’énergie hydraulique

L’énergie hydraulique est fournie par une centrale hydraulique qui utilise une énergie primaire

(électrique ou thermique).

Les éléments essentiels d’une centrale hydraulique sont:

l’organe de sécurité | la pompe | le moteur d’entraînement

Figure 8 : Schéma simplifié d’un groupe motopompe

Le fluide utilisé est de l’huile de synthèse

La pression peut être ici très élevée, jusqu’à 500 bars.

De plus en jouant sur les sections efficaces il est très aisé

de multiplier un effort (la vitesse sera plus faible, il ne

faut pas rêver).

P1= P2 F2=(S2/S1).F1

Les avantages de l’énergie hydraulique:

- puissance massique (Puissance/masse) très importante jusqu’à 5kW/kg

- forces et couples très élevés.

- maîtrise de la commande en boucle fermée (fluide incompressible)

- entraînement direct (sans réducteur) à très faible vitesse

Les désavantages:

- nécessité d’une centrale de production d’énergie hydraulique

- fluide polluant

- vitesse limitée par les pertes de charge.

Domaines d’utilisation de l’hydraulique: travaux publics, aéronautique, engins sous-

marins, matériel agricole, presse...

arbre de

transmission

M

admission

refoulement

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2.2.2 L’actionneur linéaire

Figure 9 : Vérin hydraulique rotulé aux deux extrémités

2.2.3 Principe de fonctionnement d’un moteur hydraulique:

Phase motrice admission du débit de fluide de la pompe

Phase résistante refoulement du fluide

Les éléments de base d’un moteur ou d’une pompe sont :

les générateurs élémentaires formés d’un piston et d’une chambre qui transforment l’énergie

hydraulique en énergie mécanique (ou inversement).

le distributeur qui assure la commutation de la chambre du piston tantôt avec l’admission, tantôt

avec le refoulement.

Le système de transformation de mouvement qui permet de transformer le mouvement de

translation alternative des pistons en rotation de l’arbre de sortie (ou inversement).

Flèche pleine pour

l’hydraulique. Pour

le pneumatique

F

F

distributeur

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La pression dans le circuit est fixée par la charge càd le couple résistant sur l’arbre du moteur.

On dit que le moteur hydraulique est un générateur de pression.

Le débit dans le circuit est fixé par la vitesse de rotation de la pompe.

On dit que la pompe hydraulique est un générateur de débit

Remarque 5 :

Un moteur peut fonctionner en récepteur pour freiner une charge .

Un moteur peut généralement fonctionner dans les deux sens, il suffit de permuter grâce à

un distributeur l’admission et le refoulement.

2.2.4 Exemple de réalisation

Figure 10 : Moteur à pistons

oscillants et distributeur plan

tournant avec l’arbre de

sortie.

Remarque 6 : Les moteurs à pistons axiaux sont rapides (jusqu’à 3000tour/mn), alors que ceux à

pistons radiaux sont en générale plus lent (>1000tour/mn)

Orifices des

pistons fixes

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2.2.5 Représentation normalisée

Pompe à un

sens de flux

Pompe à deux

sens de flux

Moteur à un

sens de flux

Moteur à 2

sens de flux

Pompe

Moteur

réversible

Moteur à

cylindrée

variable

Schéma simplifié d’une Transmission hydraulique

en circuit fermé

en circuit ouvert

Pas de freinage de la charge et pas de changement de sens possible.

2.2.6 Grandeurs caractéristiques

Définition de la cylindrée moyenne

On définit la cylindrée par le volume de fluide refoulé (ou aspiré) pour un tour de l’arbre.

Formule générale : Cyl = n . S . m . C

Avec n le nombre de pistons, S la section des pistons, m le nombre de course par tour et C la

course

Débit moyen

Le débit moyen est donné par Qmoy = Cyl . N

Avec N la fréquence de rotation

M R POMPE MOTEUR

Vi

Piston i i

M R POMPE MOTEUR

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Débit instantané

En première approximation, le déplacement d’un piston par rapport à sa chemise est sinusoïdal.

Par exemple pour une pompe à 3 pistons

X (t) = C/2.cos( t) ; V (t)= - C/2. sin( t)

et le débit instantané d’un piston vaut : Q(t)=S.V(t) = -(C/2).S. sin( t)

Débit maxi Qmax= (C/2).S.

Débit mini Qmin= (C/2).S..sin(/3)

Débit moyen Qmoy= 3.C.S./2

Le débit refoulé est la somme des débits refoulé par chaque piston. Le débit n’est pas constant au

cours du temps et l’on définit le coefficient d’irrégularité cyclique :

Figure 11 : Coefficient K%

Figure 12 : Allure du débit refoulé pour une pompe à 5 pistons

V1 vitesse piston 1

Refoulement

Admission

Qmax

Qmin

Piston 2

Piston 1

Piston 3

1

Q(t)

K%=100.(Qmax-Qmin)/Qmoy

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Le coefficient d’irrégularité montre :

qu’il vaut mieux un nombre impaire de pistons

que l’irrégularité diminue avec le nombre de pistons

Puissance hydraulique

Pour un vérin

Généralisation pour un moteur ou une pompe où Q1=Q2=Q (le débit est le même à l’admission et au

refoulement)

P(fluidepistons/bâti) = Q.P

2.2.7 Les pré-actionneurs pneumatiques et hydrauliques :

D’une manière générale les distributeurs pneumatiques ou hydrauliques assurent la distribution du

fluide aux orifices de l’actionneur concerné.

Ils peuvent êtres TOUT OU RIEN ou PROPORTIONNELS.

P(fluide piston/bâti) =(P1.S1 - P2.S2).V = Q1.P1 - Q2.P2

Puissance hydraulique Entrante Sortante

P1 P2

V

Q1 Q2

DISTRIBUER

L’ENERGIE Actionneurs

Energies

Ordres de la Partie

Commande

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Regardons tout d’abord les pré actionneurs Tout Ou Rien

Figure 13 : Schématisation d’un distributeur à commande manuel

Les commandes sont variées :

Symbole général

Levier

Galet

Ressort

Accrochage

Pneumatique

Electro pneumatique

Commandes mécaniques Pneumatiques Électriques

Désignation d’un distributeur :

On notera « DISTRIBUTEUR 5/3 », un distributeur à 5 orifices et 3 positions.

Ceux ci peuvent êtres MONOSTABLES. Dans ce cas, si le signal de

commande disparaît, le tiroir du distributeur revient à sa position stable

(rappel par ressort).

Ils peuvent êtres également BISTABLES. Dans ce cas, si le signal de

commande disparaît, le tiroir reste dans sa position effet mémoire au

niveau du préactionneur.

Commande 1

5 Orifices

Tiroir à 3

positions

Commande 2

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Distributeurs proportionnels

Les figures ci-dessous présentent des distributeurs PROPORTIONNELS. Une grandeur (pression

ou débit) est alors proportionnelle au signal de commande.

Ils sont utilisés pour des commandes en boucle ouverte ou en boucle fermée.

Figure 14 : Utilisation de distributeurs proportionnels en BO ou BF

2.2.8 Autres accessoires constitutifs d’un circuit :

-Clapet anti-retour simple ou piloté à l’ouverture. L’équivalent électrique est la

diode.

L’entrée de pilotage force l’ouverture du clapet

-Limiteur de débit. Il permet par exemple de réduire la vitesse

de sortie de la tige d’un vérin. Associé à un clapet anti-retour

en parallèle, il devient unidirectionnel. Son action ne se fait que

pour un sens du débit.

-Limiteur de pression. Il permet de

limiter dans tous les cas la pression dans

le circuit et protège ainsi les différents

constituants d’une surpression normale

(démarrage de la charge) ou accidentelle

(blocage).

p

p

a

a b

b

Prise de pression en amont

C’est un organe normalement fermé

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-Réducteur de pression ou détendeur. Le détendeur permet

d’adapter les niveaux d’énergie d’actionneurs très différents à

une source de pression unique.

C’est un organe normalement ouvert

-Les accumulateurs. Voici une manière simple d’emmagasiner de l’énergie hydraulique

Figure 15 : le principe du stockage de l’énergie hydraulique grâce à un accumulateur.

Le débit de fluide comprime un volume d’azote isolé par une membrane. L’azote en ce détendant

restituera l’énergie ainsi accumulée.

Ce système est utilisé lorsque:

la pompe qui alimente le circuit ne peut à elle seule fournir un débit suffisant à

l’actionneur (direction assistée lors d’un coup de volant brusque).

on souhaite récupérer de l’énergie lors du freinage de la charge. L’actionneur

devient alors une pompe entraînée par la charge à freiner et le récepteur est

l’accumulateur.

la pression (le débit) varie très brutalement dans le circuit auquel cas il sert

d’amortisseur (d’anti coups de bélier comme pour doshydro).

2.2.9 Exemples de circuits

Prise de pression en aval

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2.3 L’énergie électrique

2.3.1 Distribution de l’énergie électrique:

Réseau EDF

Figure 16 : Tensions alternatives entre phase i et neutre: ei = 220sin(t+2i/3)

L’énergie électrique est très souple d’emploi, elle peut être : - redressée

- mise à niveau (transfo)

- stockée (accumulateur)

2.3.2 Principe général du moteur électrique :

Un moteur électrique fonctionne du fait de l’existence de 2 champs

magnétiques :

- le champ statorique sB

, lié à la partie fixe

- le champ rotorique rB

, lié à la partie mobile

Si ces 2 champs sont décalés d’un angle il apparaît un couple C qui

tend à les aligner. Ce couple varie avec le sinus de l’angle , il est

donc maximal lorsque les deux champs sont perpendiculaires.

Pour que, lors du mouvement, la valeur moyenne du couple soit non nulle, il faut que les 2 champs

tournent à la même vitesse.

2.3.3 Moteur à courant continu.

Ici le champ statorique est fixe. Il est créé par un aimant permanent ou par un ensemble de

bobinage (excitation séparée).

Bs

Br

C

TERRE (jaune - vert)

NEUTRE (gris)

PHASE 1 (vert)

PHASE 2 (jaune)

PHASE 3 (brun)

DISTRIBUTION

monophasée 220V~

DISTRIBUTION

Triphasée 220V~

DISTRIBUTION

Triphasée 380V~

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Le champ rotorique est créé par un bobinage alimenté

par des collecteurs ou balais.

Sur la figure le couple créé va faire tourner le rotor

dans le sens indiqué. Après une fraction de tour, c’est

un autre bobinage du rotor qui sera alimenté. Pour ce

moteur les 2 champs sont fixes par rapport au stator et

le couple est maximal car les champs sont

perpendiculaires.

Ces moteurs sont réversibles et permettent donc la

récupération d’énergie.

Il nécessite cependant une alimentation en courant

continu.

Ils ont des performances médiocres et ont une durée de vie limitée du fait de l’usure des

collecteurs.

Les 4 équations du MCC sont à connaître.

Equation électrique u=L di/dt + Ri + e

Equation mécanique I d/dt=Cm - Cr -A

Couple proportionnel à

l’intensité

Cm=K.i

Tension induite proportionelle

à la vitesse e = K

2.3.4 Moteur asynchrone triphasé.

Le champ statorique sB

est créé par 3 bobinages alimentés en courant triphasé. Ce champ tourne

par rapport au stator à une fréquence donnée.

Le rotor est constitué d’une armature assimilable à une spire en court circuit. Le champ sB

induit

un courant dans l’armature si celle ci est en mouvement relatif par rapport à sB

.

Il y a création d’un champ rotorique rB

tournant à la même vitesse que sB

.

Attention ! Le rotor tourne moins vite que les champs rB

et sB

d’où l’appellation asynchrone.

Figure 17 : Principe du moteur asynchrone à cage écureil

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La figure ci-contre montre les deux

montages possibles TRIANGLE ou

ETOILE des bobinages.

Figure 18 : Montage étoile au démarrage pour éviter un appel de courant trop important

2.3.5 Moteur synchrone triphasé.

Le champ statorique est construit de la même façon que pour

le moteur asynchrone.

Le champ rotorique est créé par un aimant permanent ou un

bobinage alimenté en courant continu.

Le couple moyen est non nul si et seulement si le rotor tourne

à la même vitesse que le champ statorique.

Utilisation à vitesse constante (machine à tisser ,

magnétophone)

Démarrage en charge impossible et risque de décrochage

du rotor en cas de surcharge.

Figure 19 : Principe du moteur synchrone

2.3.6 Moteur synchrone autopiloté (ou brushless).

La commutation des phases des inducteurs est commandé à partir de l’information de position du

rotor délivrée par un capteur. Il est alors possible de faire varier la vitesse de rotation et de

démarrer en charge.

Sur la figure ci-dessous la tension d’alimentation des inducteurs est une tension continue obtenue

après redressement du courant triphasé.

Figure 20 : Pilotage des inducteurs par mesure de la position du rotor

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2.3.7 Moteur pas à pas.

C’est un moteur de positionnement angulaire précis. Son rotor tourne d’un angle constant appelé

pas à chaque impulsion de commande. Résolution de 4 à 400 pas par tour.

Figure 21 : Les deux types de moteur pas à pas

MPP à aimant permanent nombre de pas réduit.

MPP à aimant réluctance variable nombre de pas important.

Pour ce dernier, le rotor se place de façon à ce que le flux magnétique soit maximal.

Le moteur pas à pas est très utilisé en péri-informatique (traceur, imprimante). Il permet la

réalisation de chaînes fonctionnelles de positionnement précises en boucle ouverte.

Cependant il y a toujours le risque de décrochage (perte de plusieurs pas) si le rotor est soumis à

un couple résistant trop important. Il est également nécessaire de prendre une origine matérielle au

démarrage. Cette référence est généralement donnée par l’accostage d’un détecteur lors du

mouvement de prise d’origine.

2.3.8 Les pré-actionneurs électriques

2.3.8.a Tout Ou Rien

L’équivalent

électrique d’un

distributeur

hydraulique Tout

Ou Rien est un

CONTACTEUR qui ouvre ou ferme

le circuit de

puissance.

Figure 22 : Ci-contre un contacteur

monostable (rappel par ressort) commandé

en basse tension.

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Pour créer un contacteur bistable, il suffit d’utiliser l’effet mémoire.

Figure 23 : Commande de marche / arrêt câblée utilisant une mémoire à auto maintien

2.3.8.b Généralités sur les convertisseurs.

Les convertisseurs (variateurs de vitesse des moteurs par exemple) reposent tous sur une structure réalisée à base d'interrupteurs électroniques. Ici est représentée une structure à 4 interrupteurs électroniques qui réalise 3 fonctions différentes (hacheur, onduleur et redresseur) :

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Le convertisseur possède un rendement proche de 100% puisqu'il n'est composé que

d'interrupteurs parfaits. Le convertisseur ne s'échauffe donc pas et transmet ainsi 100% de

l'énergie qu'il pompe de la source vers la charge. On remarquera, en comparant par exemple la

structure du hacheur 4Q ci-dessus et de l'onduleur de tension, que les structures sont en tout point

identiques : c'est la stratégie de commande des interrupteurs qui imposera le fonctionnement du

convertisseur en tant que hacheur ou onduleur, si la charge l'autorise. Cette remarque est valable

pour n'importe quelle structure de convertisseur.

On notera que la tension vcharge est toujours composée de morceaux de tension d'entrée : si la

source est sinusoïdale (voir le cas du redresseur ci-dessus) alors vcharge sera composée de morceaux

de sinusoïdes et non pas de morceaux de droites, comme c'est le cas pour l'onduleur ou le hacheur

(alimentés par une source de tension constante).

2.3.8.c Le hacheur

Un hacheur est un convertisseur continu/continu, il permet d'obtenir à partir d'une tension continue

fixe, une tension continue réglable.

Il est composé d'un interrupteur électronique unidirectionnel (transistor ou thyristor) fermé

pendant un intervalle de temps αT, et ouvert pendant le reste de la période T. Une diode de roue

libre permet la circulation du courant si la charge est inductive.

Hacheur série (rotation dans un unique sens)

Figure 24 : Hacheurs pour l’alimentation d’un moteur à courant continu

Hacheur 4 quadrants. Permet, lorsqu'on alimente un moteur à courant

continu, de le faire tourner dans les deux sens et

également de le faire fonctionner en génératrice et,

par exemple, de récupérer de l'énergie électrique

pendant les phases de freinage.

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3 LA CHAINE D’INFORMATION

3.1 Structure d’une chaîne d’acquisition de données. Fonction : le capteur transforme une grandeur physique (force, vitesse, position, débit, tension,

etc.) en signal porteur d’une information exploitable par la partie commande.

Figure 25 : Voici la structure fonctionnelle typique.

Remarque 7 : dans de nombreux cas plusieurs de ces blocs sont confondus ou inutiles!

Remarque 8 : les capteurs intègrent de plus en plus l’ensemble de la chaîne d’acquisition en un

seul constituant.

La fonction « détecter la grandeur physique » est assurée par le corps d’épreuve. Cet organe

est soumis directement à l’action de la grandeur physique étudié et en donne une première

traduction en une autre grandeur physique (mécanique, électrique, pneumatique,...).

Exemples : pression d’un fluide sur une membrane déformation

température sur une barre métallique allongement

La fonction « transformer la nature de la grandeur », lorsqu’elle est nécessaire, est assurée

par le transducteur qui produit un signal image de la grandeur physique, porté par une énergie

compatible avec la partie commande. Cette énergie est très souvent électrique !

Exemples : un capteur piézo-électrique transforme une force en

déformation. Cette déformation induit une tension différentielle v.

La fonction « adapter le signal » est assurée par un circuit de mise

en forme qui amplifie et filtre les signaux afin d’en éliminer les

parasites ou en change la forme en fonction de l’usage qui en est fait

en aval.

+++++++

- - - - - - -

v

Capteur

Grandeur physique

à mesurer donner une image

de la grandeur à

mesurer

Signal image

énergie Grandeurs

d’influence

Détecter la

grandeur

physique

CORPS

D’EPREUVE

Grandeur

physique

Effet

physique

mesurable transformer la

nature de la

grandeur

TRANSDUCTE

UR

Adapter le signal

CIRCUIT DE MISE EN

FORME

Signal

image

Image

informationnelle

utilisable

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3.2 Métrologie des capteurs Les liens entre un capteur et la grandeur qu’il mesure sont définis par ses caractéristiques d’emploi.

3.2.1 Etendue de mesure

Domaine de mesure pour lequel les indications du capteur ne doivent pas être entachées d’une erreur supérieure à

l’erreur maximale tolérée. On appelle les valeurs limites du domaine, « portée minimale » et « portée maximale ».

3.2.2 Sensibilité

C’est le rapport de la variation du signal de sortie à la variation

correspondante de la grandeur à mesurer.

C'est à dire à la pente de la courbe de réponse du capteur pour

une valeur donnée :

S=ds/de ds : variation de sortie

de : variation de l'entrée

3.2.3 Précision

Précision C’est l’aptitude du capteur à donner des indications proches de la valeur vraie de la grandeur mesurée.

Fidélité et justesse La justesse est la qualité d’un capteur à fournir des indications statistiquement centrées sur la valeur vraie.

La fidélité est la qualité d'un capteur à fournir des indications présentant une faible dispersion.

a : capteur ni fidèle, ni juste ( erreurs et incertitudes de mesure importantes )

b : capteur fidèle mais non juste

c : capteur juste mais non fidèle

d : capteur juste et fidèle, donc précis ( erreurs et incertitudes de mesure réduites )

Valeurs mesurées

S=tan e

s

Répartition des mesures Répartition des mesures

Valeurs mesurées Valeurs mesurées Valeur vraie valeur

moyenne

Valeur vraie valeur

moyenne

c) d)

Répartition des mesures

Valeur vraie valeur

moyenne

b)

Répartition des mesures

Valeurs mesurées Valeur vraie valeur

moyenne

a)

Page 25

3.2.4 Rapidité

C’est l’aptitude du capteur à suivre dans le temps les variations de la grandeur à mesurer . Il faut donc tenir compte du

temps de réponse, de la bande passante et la fréquence de coupure du capteur .

3.2.5 Stabilité (ou invariance)

La stabilité qualifie la capacité d'un capteur à conserver ses performances pendant une longue durée (problème de dérive

du zéro par exemple).

3.2.6 Répétabilité

La répétabilité est l'étroitesse de l'accord entre les résultats de mesures successifs d'une même grandeur effectuée avec

la même méthode, par le même observateur, avec les mêmes instruments de mesure et à des intervalles de temps assez

courts.

3.2.7 Bruit de fond

C'est une variation parasite, souvent aléatoire, du signal de sortie, dont la valeur moyenne est nulle et qui vient se

superposer à la valeur à mesurer.

3.2.8 Erreur de mesure

L'erreur de zéro (offset)

L'erreur d'échelle (gain)

C'est une erreur qui dépend de façon linéaire de la grandeur

mesurée.

L'erreur de linéarité

La caractéristique n'est pas une droite.

L'erreur due au phénomène d'hystérésis

Il y a phénomène d'hystérésis lorsque le résultat de la mesure

dépend de la précédente mesure.

caractéristique

idéale caractéristique

réelle

Grandeur

Mesure caractéristique

idéale caractéristique

réelle

Grandeur

Mesure

caractéristique

idéale

caractéristique

réelle

Grandeur

Mesure

caractéristique

idéale

caractéristique

réelle

Grandeur

Mesure

Page 26

3.3 Typologie des capteurs suivant la nature du signal de sortie :

3.3.1 Capteurs analogiques

Ils délivrent un signal analogique, image de la grandeur physique à mesurer. Les signaux de sortie

sont très souvent électriques (tension ou intensité). De tels signaux nécessitent une conversion

numérique pour être utilisable par une partie commande numérique de type automate

programmable ou ordinateur.

Exemples de capteurs analogiques insérés dans une chaîne fonctionnelle:

capteurs inductifs de positionnement du chariot filoguidé / au fil.

capteur potentiométrique de position angulaire sur la roue directrice du chariot ou sur le bras de

MAXPID ou encore pour mesurer la rotation des vantaux.

génératrice tachymètrique sur le moteur de Maxpid pour mesurer la vitesse du bras.

Capteur à effet Hall pour obtenir la position du balancier du gyromètre mécanique.

Un capteur analogique très économique et simple : le capteur potentiomètrique (3 fils !). Son

principal inconvénient provient de l’usure liée au contact

curseur piste.

Principe électrique :

Capteur de position linéaire

Extrait des performances Courses Electriques Utile de 25 mm Linéarité +/-1%; Valeur ohmique (RT) de 400 à 2000 Ohm/cm Répétabilité inf. ou égale à 0,01% Force de déplacement 0,35 N Sorties par 3 fils Durée de vie (typique) 100 millions de manœuvres Gamme de température -55°C à +125°C

Vitesse de déplacement 10 m/s maxi Capteur de position angulaire

V x U=V.L/x

L

Page 27

Effet Hall très utilisé en mesure

Si l'on introduit un élément conducteur de courant dans un champ électromagnétique, il apparaît

alors une force électromotrice proportionnelle au champ magnétique appliqué et au courant qui

traverse le conducteur. C'est l'effet Hall.

Vh=K.B.Io

Un capteur à effet hall donne donc un signal

lorsqu'il détecte un champs magnétique. La

tension de Hall est faible et doit être amplifiée.

Un autre capteur analogique : le capteur de

courant Utilisé par exemple dans le contrôle du courant moteur d’une chaîne d’énergie (asservissement en

cascade avec asservissement du couple en boucle interne).

Principe de fonctionnement : Le schéma présenté est un capteur

de courant de type “boucle

fermée”. Il utilise un capteur à effet

Hall inséré dans un tore

magnétique. Lorsqu'un courant Ip

traverse l'enroulement primaire, il

va induire un champ magnétique B.

L'amplitude de ce champ dépend

du produit Np.Ip, où Np est le

nombre de spires primaires.

Comme Ip est susceptible d'être

élevé, Np est faible.

Au niveau du secondaire, on peut

observer une boucle de régulation.

La consigne (entrée +) est nulle. La

boucle de régulation va donc agir

de manière à ce que le capteur

(sonde qui délivre un signal image de B) donne une valeur nulle. Ceci est possible grâce à l’amplificateur qui

attaque l’enroulement secondaire. Il va envoyer un courant Is tel que Ns.Is = Np.Ip. Ainsi, le secondaire va

contrer exactement le champ induit par le primaire.

Conclusion : Le champ B dans le tore est nul, le courant Is est l’image de Ip. Un simple circuit (voir

documentation constructeur) de type conversion courant/tension, permet de récupérer une tension à l’image

du courant primaire.

Page 28

Le capteur actif:

C’est un capteur qui n’a pas besoin d’alimentation en énergie. En effet, cette catégorie de capteurs

assure la conversion en énergie électrique de la forme d’énergie propre à la grandeur physique à

mesurer.

Mesurande Effet utilisé Grandeur de sortie

Température

Thermoélectricité Tension

Flux de rayonnement

optique

Pyroélectricité

Photoémission

Effet photovoltaïque

Effet photo-électromagnétique

Charge

Courant

Tension

Tension

Force

Pression

Accélération Piézoélectricité Charge

Vitesse

GENERATRICE

TACHYMETRIQUE (=

MOTEUR A CC QUI FONCTIONNE EN

GENERATRICE)

Induction électromagnétique

(vitesses croix de Malte

capsuleuse)

Tension

Position

Effet Hall (gyromètre de la plate

forme) Tension

Le capteur passif:

Il s’agit d’une impédance dont la caractéristique est sensible à la grandeur à mesurer. L’impédance

d’un capteur passif et ses variations ne sont mesurables qu’en intégrant le capteur dans un circuit

électrique, par ailleurs alimenté.

Exemple des jauges de déformation : élément dont la résistance est sensible à la déformation

longitudinale du support R=L/S.

Les déformations étant proportionnelles aux efforts qui s’appliquent sur le support, ce type de

capteur permet la mesure indirect de forces, couples, pressions, accélérations.

Figure 26 : jauges de déformation collées sur le corps d’épreuve

La variation de résistance de la jauge, image de la déformation locale, est donnée par le déséquilibre

d’un pont de Wheatstone. Voir illustration ci-dessous.

Direction de

mesure

Page 29

Figure 27 : Exemples de montage des jauges dans le pont de Wheatstone

Ce type de montage est notamment utilisé sur :

la direction asservie Diravi pour accéder à la mesure du couple au volant.

la direction assistée électrique DAE pour accéder à la mesure du couple sur la

crémaillère.

la capsuleuse de bocaux pour la mesure des couples sur le maneton et l’étoile de

transfert.

le couple moteur et de freinage de l’ouvre portail

Figure 28 : capteur de force en S munis de 4jauges

3.3.2 Capteurs numériques (ou codeurs).

Ces capteurs délivrent soit :

directement un signal numérique

des impulsions, dont le nombre ou la fréquence permettent de déterminer une

position ou une vitesse après traitement numérique.

On distingue donc 2 types :

le codeur absolu qui fourni à tout instant le code de la position absolue d’un mobile. Il se

présente sous la forme de règle ou de disque

divisé en N secteurs égaux à l’intérieur

desquelles se trouve matérialisé ,sous forme de

pistes translucides ou opaques, le mot binaire

associé à la position à coder. Pour éviter les

erreurs de lecture, le codage de la position se

fait généralement en binaire réfléchi ou code

Gray (un seul bit change entre deux positions

voisines).

Figure 29 : Deux types de codage différents

Remarque 9 : Il est à noter que le codeur absolu n’est absolu que sur 1 tour! Il faut un moyen de

compter les tours si l’arbre doit faire plus d’un tour.

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Le codeur relatif dispose en générale de 2 pistes qui fournissent des trains d’impulsions

déphasés d’1/4 de période. Chaque impulsion correspond à un déplacement élémentaire.

Le sens du déplacement est déterminé par le retard ou l’avance du signal d’une piste sur

l’autre. Un circuit logique séquentiel permet de générer des trains d’impulsions qui servent

à incrémenter ou décrémenter un compteur suivant le sens de rotation.

Remarque 10 : Il est possible d’utiliser un codeur en résolution

1x - on compte seulement les fronts montants de la piste A

2x - on compte les fronts montants et descendants de la piste A

4x - on compte les fronts montants et descendants des deux pistes

Important : pour connaître la position absolue avec ce type de capteur, il faut que le système

puisse prendre une origine pour les déplacement (une butée de fin de course par exemple). C’est le

cas pour Ericc3 lors de la prise d’origine sur le front montant d’un capteur inductif.

3.3.3 Le détecteur

C’est en fait un capteur qui fourni en sortie un signal logique

TOR. Le signal est à son niveau haut si la grandeur physique

étudiée dépasse un certain seuil. Ces détecteurs disposent le plus

souvent d’un signal de sortie électrique. Il en existe une grande

variété (mécanique, optique, inductif, avec ou sens contact...).

Détecteurs mécaniques à contact

Top Zéro

Piste A

Piste B

Tête de lecture

Sens Direct Sens Indirect

monostable

Page 31

Détecteurs sans contact

La détection d’objets métalliques Les détecteurs inductifs Ils détectent uniquement les objets métalliques. Le détecteur se compose d’un oscillateur, dont les bobinages constituent la face sensible, avec émission d’un champ magnétique. Lorsqu’un objet métallique passe dans le champ magnétique, des courants induits constituent une charge additionnelle qui provoque l’arrêt des oscillations. Après mise en forme, un signal de sortie est délivré.

Utilisé pour les prises d’origine des axes du Tribar et d’Ericc3

La détection de tous objets Les détecteurs capacitifs Ils détectent les objets de toutes natures, conducteurs ou non (métal, minerais, bois, plastique, carton, cuir, fluides, etc.). Le détecteur se compose d’un oscillateur dont le condensateur est formé par 2 électrodes placées à l’avant. Lorsqu’un objet passe devant la face sensible, il provoque une variation du couplage capacitif, provoquant le démarrage de l’oscillateur. Après mise en forme, un signal de sortie est délivré.

Les détecteurs à ultrasons Ils détectent les objets de toutes natures, conducteurs ou non, en s’affranchissant totalement de la nature du matériau détecté, de sa couleur et de son opacité (pulvérulants, verres, liquides, etc.). Le détecteur se compose d’un émetteur-récepteur d’ultrasons. Lorsqu’un objet passe devant le détecteur, l’écho revient vers le récepteur, un microprocesseur compare l’intervalle de temps entre le signal émis et l’écho et délivre un signal de sortie. Voir à l’avant du chariot

Barrage Réflexion

Réflexion directe

Les détecteurs photoélectriques Il se compose essentiellement de : un émetteur de lumière : c'est un composant électronique semi-conducteur, appelé diode électroluminescente, qui émet de la lumière lorsqu’il est traversé par un courant électrique. Cette lumière peut être visible ou invisible selon la longueur d’onde d’émission un récepteur sensible à la quantité de lumière reçue (phototransistor). Il y a détection quand la cible pénètre dans le faisceau lumineux émis par le détecteur et modifie suffisamment la quantité de lumière reçue par le récepteur pour provoquer un changement d’état de la sortie. Voir FESTO et Vantaux

Page 32

4 LA PARTIE COMMANDE

4.1 Technologie programmée : l’Automate Programmable Industriel

L’Automate Programmable Industriel ou API est un outil de calcul et de dialogue. Sa puissance de

calcul ne cesse de s’accroître d’année en année. Il peut être autonome ou fonctionner en réseau

avec d’autres systèmes (API, ordinateur de supervision...).

Exemple d’automate industriel : le TSX micro de télémécanique

Automatisation aussi bien de machines simples à quelques dizaines d’entrées/sorties que de machines plus complexes, jusqu’à 450 ES. Pour simplifier le câblage des machines, le TSX Micro supporte la connexion du bus AS-i. Le TSX Micro se programme à l’aide d’un logiciel spécifique sous Windows. Capacité

Jusqu’à 248 E/S TOR "in rack". Fonctions de comptage rapide (500 kHz), analogique et régulation, sécurité

machine. Communication Uni-Telway, ASCII, Modbus, Fipway, FIPIO agent, Modbus Plus, modem RTC. Modularité et adaptabilité Une configuration de base TSX Micro regroupe sous une seule référence :

un rack (2 ou 3 emplacements) une alimentation un processeur.

Modules d’entrées/sorties échelonnés en modularité Des modules d’entrées/sorties Tout ou Rien existent pour des raccordements par borniers à vis ou par connecteurs en différentes tensions, formats et modularité. Ils sont mixables au sein d’une même configuration jusqu’à 248 entrées/sorties. Une gamme étagée de fonctions métiers Le TSX Micro propose de nombreuses solutions telles que le comptage rapide jusqu’à 500 kHz, de la mesure et de la régulation haut et bas niveau, entrées à sondes, thermocouples.

Les variables de sortie ou d’entrée peuvent êtres binaires, numériques, et même analogiques.

Il faut dans ce dernier cas convertir l’information:

Du numérique à l’analogique CNA dans le cas d’une sortie.

De l’analogique au numérique CAN dans le cas d’une entrée.

4.2 Conversion Analogique Numérique CAN

Figure 30 : Module d’entrée Convertisseur Analogique-Numérique (CAN).

CAN a0 a1

aN-1

V

Mot binaire sur N bits Tension

Page 33

Figure 31 : Caractéristique du convertisseur.

Figure 32 : Principe du convertisseur.

Comparateur

Compteur

numérique

Horloge

a0 a1

aN-1

V

tension de

référence U

impulsions

Erreur de

quantification V

Sortie

numérique

000

001

010

temps t

tension V

Rampe U

temps de conversion

Page 34

4.3 Conversion Numérique Analogique CNA

Figure 33 : : Module de sortie Convertisseur Numérique-Analogique (CNA).

Mot binaire a2 a1 a0 Tension de sortie du CAN

000 0

001 Vmax/7

010 2Vmax/7

011 3Vmax/7

100 4Vmax/7

101 5Vmax/7

110 6Vmax/7

111 Vmax

Figure 34 : Valeurs des tensions de sortie pour la conversion d’un mot de 3 bits.

V= -E/8.(a3.23+a2.22+a1.21+a0.20)

Figure 35 : Réalisation pratique pour un mot de 4 bits.

CNA a0 a1

aN-1

V

Mot binaire sur N bits Tension image

R R R 2R

2R 2R 2R 2R

2R

D C B A

E

V

0 0 0 0 1 1 1 1 a3 a2 a1 a0

i3 i2 i1 i0

-

+

Page 35

4.4 Cycle de traitement des données

Si l’acquisition et la conversion des données d’entrées ne sont pas instantanées, le calcul des

nouvelles valeurs des sorties nécessite encore plus de temps. On distingue 3 types de traitement

des entrées sorties.

Dans tous les cas, un cycle est constitué de l’acquisition des entrées

le calcul des sorties

l’affectation des sorties

Figure 36 : Traitement numérique sur interruption (le plus rapide)

Figure 37 : Traitement numérique cyclique asynchrone

Figure 38 : Traitement numérique cyclique synchrone (le plus lent)

Remarque 11 : Avec ces modes de traitement des E/S par l’automate, la prise en compte d’un

événement n’est jamais instantanée.

Remarque 12 : Pendant toute la durée T du cycle, l’automate est « aveugle », càd qu’un événement d’une durée

inférieure à T risque de ne pas être pris en compte.

Le retard du au traitement de l’information, dans le cas d’une commande asservie, diminue la marge de stabilité du

système. Dans le cas de processus très rapides cela peut même conduire à l’instabilité.

FIN

E Exécution du

traitement S

Attente d’un

nouvel événement E

Exécution du

traitement

Changement

d’une ou

plusieurs entrées

simultanément

Affectation des

sorties

S

Aquisition de

toutes les entrées

E Exécution du

traitement S E

Exécution du traitement

Affectation des

sorties

S E S

Durée cycle N Durée cycle N+1

E Exécution du

traitement S E

Exécution du traitement

temps d’attente

d’un nouveau

cycle

E S

Durée cycle : Tc Durée cycle : Tc

S