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Version du 18 décembre 2019 à 13:48

Présentation générale

• Nom du projet : Étude d'un système mécatronique piloté par Arduino
• Membre du projet : Hugo Delbroucq
• Superviseurs du projet : Mr Florian Chevalier
• Résumé :À partir d'un assortiment robotique comprenant un motoréducteur et différentes roues et engrenages, le but de ce projet est de proposer un moyen de contrôler le fonctionnement d'un système mécatronique comme un véhicule électrique. Le travail consiste à piloter le moteur électrique à partir d'un Arduino en régulant par exemple la vitesse, à partir d'une consigne et des données des différents capteurs du système. Le développement d'un banc de test contrôlé de manière indépendante, avec mesure de vitesse et contrôle du couple appliqué sur les roues du véhicule permettra d'en évaluer complètement les performances.

Description

L'objectif de ce projet est de réaliser le banc de caractérisation d'un système électromécanique, par exemple un véhicule électrique. La caractérisation effectuée sur le système doit ensuite être utilisée pour établir différents modes de consommation (priorité sur la vitesse, priorité sur l'optimisation du rapport vitesse/consommation,...). Une fois ces différents modes ainsi que leurs points de fonctionnement établis, il faut ensuite tester ces modes sur un système réel afin de confirmer ou non le fonctionnement de cette méthode. En plus de cela, deux types d'alimentations pourront être présents sur le système étudié. Il faudra donc ajouter à ces modes de fonctionnement un paramètre de sélection du type d'alimentation ( dans notre cas une batterie de type pile de 9V et une cellule photovoltaïque de 5V.). Une fois la méthode de caractérisation et la stratégie réalisée sur le véhicule, il serait conseillé de tester cette méthode sur un autre système afin de confirmer la véracité de celle ci. L'idéal serait donc de se rapprocher du fabricarium de Polytech Lille à la fin du projet afin de réaliser des tests sur un de leurs systèmes.

Objectifs

Le but de ce projet est de proposer une méthode à travers un banc de caractérisation afin d'identifier les différentes propriétés électriques et mécaniques d'un système mécatronique. Ce projet va se dérouler en effectuant les étapes suivantes :

• Concevoir le système mécatronique avec le matériel fournit par l'encadrant
• Concevoir le banc de caractérisation
• Analyser les différentes valeurs obtenues du système
• Proposer différents modes de contrôle de ce véhicule et les implémenter à l'aide d'une carte arduino

Les objectifs suivants sont pour le moment secondaires et à effectuer une fois la liste des tâches si dessus réalisées :

• Faire une carte de type PCB afin de contrôler le véhicule au lieu d'utiliser une carte arduino
• Ajouter une alimentation de type panneau solaire et définir un mode d'utilisation énergétique, puis ajouter ce mode dans la carte de commande.

Préparation du projet

Cahier des charges

Choix techniques : matériel et logiciel

Matériel à disposition :
Description	Fournisseur	Nombre	Lien	Photo
Assortiment robotique 917D14	GoTronic	1	assortiment robotic
Carte de puissance	GoTronic	1
Board Arduino	GoTronic	1
BreadBoard		1
Câbles Dupont		30
Cellule Solaire	GoTronic	1	[1]

Matériel nécessaire au projet
Description	Fournisseur	Nombre	Prix(unité)	Numéro Fabricant	Lien externe
L293B	Mouser	8	3.36 €	511-L293B	[2]
ATMEGA328P-AU	Mouser	1	1.86 €	556-ATMEGA328P-AU	[3]
Quartz 16MHz	Magazin Polytech	1		NCT050C	[4]
header 1*5	Mouser	1	0.648 €	CES-105-01-TS	[5]
pin header 2x3 icsp	Mouser	1	0.414 €	M20-9970345	[6]
pin header 1x2 alim	Mouser	1	0,189 €	3-644456-2	[7]
Amplificateur opérationnel	Mouser	8	0.45 €	TL082CDT	[8]
Régulateur tension panneau solaire	Mouser	1	2.84 €	SPV1040TTR	[9]
Régulateur alimentation moteur	Mouser	1	0.558 €	TLV75530PDBVR	[10]
Régulateur tension arduino	Mouser	1	4.89 €	REG104GA-5-2K5	[11]
diode	Mouser	4	0.342 €	78-VS-1ENH01-M3/84A	[12]
led	Mouser	2	0.477 €	599-0091-007F	[13]
Pile 9V	Mouser	2	2.33€	658-6LF22XWA/C	[14]
Connecteur Pile	Mouser	1	0.57€	534-84-4	[15]
C0603 1nF	Mouser	5	0.324 €	C0603X102K5RAC3316	[16]
C0603 4.7uF	Mouser	5	0.261 €	C1608X5R1A475K080AE	[17]
C0603 10pF	Mouser	5	0.216 €	C0603C100K4GACTU	[18]
C0603 10nF	Mouser	5	0.378 €	C0603X103K1RAC3316	[19]
C0603 22nF	Mouser	5	0.522 €	C0603S223J5RACAUTO	[20]
C0603 22pF	Mouser	5	0.207 €	C0603C220J5GAC7411	[21]
C0603 100pF	Mouser	5	0.207 €	80-C0603C101G1HACTU	[22]
C0603 100nF	Mouser	5	0.243 €	C0603C104K5RAC3121	[23]
R0603 3k3	Mouser	5	0.09 €	CRCW06033K30FKEAC	[24]
R0603 10k	Mouser	10	0.135€	660-RN73R1JTD1002B50	[25]
R0603 2k	Mouser	5	0.09 €	71-CRCW06032K00FKEAC	[26]
R0603 100k	Mouser	5	0.657 €	754-RGT1608P104BT5	[27]
R0603 20k	Mouser	10	0.423 €	660-RN73R1JTD2002B25	[28]
R0603 25m	Mouser	2	0.531 €	588-LVM06FTR025E-TR	[29]
Switch alim	Mouser	2	1.26 €	TPS2051BDBVR	[30]
Total		112	75.33 €

Liste des tâches à effectuer

Calendrier prévisionnel

Réalisation du Projet

Introduction

Après un premier rendez vous avec Mr. Florian Chevalier, nous avons pu fixer les différentes limites et possibilités de ce sujet et notamment ajouter la difficulté d'avoir deux sources d'alimentation différentes. J'ai aussi pu obtenir un kit de départ qui sera la base de ce projet, à savoir un kit mécatronique composé d'un moteur à courant continue, plusieurs sets de roues et d'engrenages et une cellule photovoltaïque afin de créer un premier prototype de véhicule électrique.

Cahier des charges

Semaine 1

Identification du moteur présent dans le kit

D'après la datasheet le moteur que nous allons utiliser est un moteur à courant continu avec un mode opérationnel allant de 1.5V à 3V (0.2A à 0.8A) Le moteur est un RE140 à 3 poles (https://www.mfacomodrills.com/pdfs/RE140and140-1.pdf). Le moteur est relativement petit dans notre cas, ce qui nous permet d'identifier le k*phi à une constante que l'on peut retrouver à l'aide de la table fournie avec la datasheet. La table de réduction suivante est donnée en fonction de différents rapports de réduction :

Table de réduction (tour par min) :
Rapport de réduction	1,5V	3V
4 : 1	1850	3700
16 : 1	462	925
64 : 1	115	231
256 : 1	29	57
1024 : 1	7	14
4096 : 1	2	4

Néanmoins, on peut lire sur le site GoTronic les caractéristiques suivantes :11700 tour/min pour un rapport de 1 : 1 (contrairement à ce que laisse supposer la table de réduction fournie avec le kit) (lien du moteur) Il faudra donc vérifier ses caractéristiques. Afin de vérifier cette table, nous allons maintenant coupler (avec un rapport de réduction 1 : 1 une roue à ce moteur. Cette méthode pourra être ensuite réutilisé pour la création du banc de caractérisation. 3 méthodes sont possibles dans l’immédiat :

• 1. Calculer le rayon de la roue puis calculer la distance parcourue par celle ci en une minute afin de retrouver par calcul le nombre de tour en une minute(nécessite de l'espace)
• 2. Utiliser un marqueur sur la roue et compter manuellement le nombre de tours par minutes (Plus simple mais moins précis)
• 3. Utiliser un stroboscope, lorsque la roue paraîtra immobile, la fréquence du stroboscope et la fréquence de rotation de la roue seront alors en correspondance, ce qui permettra de calculer le nombre de tours par min de la roue (solution optimale)

Détermination des paramètres du système à étudier

Nous allons maintenant retourner sur l'étape principale de notre sujet, établir la méthode de caractérisation. Afin de réaliser le banc de caractérisation, il est nécessaire de définir les différentes caractéristiques à caractériser. Pour cela, le mieux est de représenter notre système à l'aide d'une représentation énergétique macroscopique(R.E.M). Cette représentation sert à simuler le fonctionnement de notre système et observer les différents échanges énergétiques entre ses différentes parties en exprimant ces interactions sous forme mathématique. Les inconnues et les différentes variables de ce système nous permettront donc de lister les différents paramètres requis pour le banc de caractérisation. Une fois cela fait et validé, il faudra alors mener des tests pratiques sur le sujet.

Semaine 2

Cette semaine a pour objectifs de réaliser le plan de travail pour les prochains mois ainsi que la commande de matériel. La séparation des tâches sera présente en début du wiki.

Carte de commande

Pour rappel, le système à piloter et à tester est un véhicule électrique à 4 roues. Le moteur est un moteur à courant continu (MCC). Afin de pouvoir faire la commande des composants, j'ai réalisé un schéma rapide de la potentielle carte qui aura surement plusieurs modifications au fil des prochaines semaines. Fichier:IMA5P4A1920 V1.pdf Tout d'abord nous allons exploiter un driver de moteur L293B afin d'avoir un courant suffisant pour alimenter le moteur. Ce driver a pour particularité de pouvoir délivrer un courant maximal de 1A au lieu de 0.6 pour son cousin le L293D. Néanmoins sa tension de sortie minimale est de 5V. Afin d'atteindre les 3V max du moteur à courant continu il va nous falloir instaurer une limite au niveau de la pin de contrôle du L293B. La valeur moyenne envoyée devra en effet être de (3*256)/Ualim. On peut voir ci dessous le schéma logique associé au L293D est le suivant :

Sur ce driver on peut installer entre deux et 4 moteurs comme le décrit le schéma plus haut, la moitié gauche du montage consiste en une commande bidirectionnelle du moteur permettant d'installer jusqu'à deux moteurs et la partie droite à un montage monodirectionnelle permettant d'installer deux fois plus de moteurs soit 4. Dans notre cas de figure, le montage s'effectue comme sur la moitié gauche du schéma car nous possédons un seul moteur que l'on souhaite contrôler de manière bidirectionnelle. Les diodes sur le schéma peuvent être ajoutées mais sont supposées optionnelles d'après la datasheet.

Il restera notamment à prendre en compte les composants actifs dans la liste de matériel pour la possible recharge de la batterie à l'aide d'une cellule photovoltaïque.

Semaine 3

Cellule photovoltaique

Pour ce qui est de la cellule photovoltaique, c'est une cellule 3 Watts délivrant une tension de 5,5 Vcc sous 540 mA. La tension peut néanmoins atteindre jusque 10V en pointe, il faudra donc prendre en compte cela dans la réalisation du système. L'idéal serait de placer deux cellules en parallèle afin de doubler le courant pour être certain d'avoir suffisamment de courant pour alimenter le moteur avec seulement la cellule. L'autre solution est de recharger une seconde batterie à l'aide du panneau solaire puis d'utiliser cette seconde batterie lorsque suffisamment rechargée. Dans le cas de l'utilisation unique de cellules photovoltaïques,

• on peut soit faire un système simple qui consisterait à placer deux diodes à chacune des alimentations (pile et cellule) pour empêcher un retour et la tension la plus élevée devrait prendre le pas sur l'autre pour ainsi fournir la tension la plus élevée.
• Dans un second cas on peut réaliser un commutateur entre nos deux sources d'alimentation. En vérifiant constamment l'état du panneau solaire en récupérant ses valeurs de courant/tension avec le microprocesseur il est alors possible de réaliser une stratégie de gestion énergétique du véhicule que le microprocesseur pourrait renvoyer au commutateur en temps réel. Les premiers schémas de ce système sont notés ci dessous :

Semaine 4

Lors de cette semaine, je me suis intéressé au montage du véhicule électrique. A l'aide des différentes pièces présentes dans le kit, j'ai tout d'abord utilisé le moteur couplé à un rapport de "256:1" répartis sur 2 grandes tiges métalliques faisant office d'arbre d'inertie. Au bout de la plus longue tige, une vis infinie permet l'entrainement d'un engrenage placé sur l'essieux avant du véhicule. Après avoir alimenté le moteur à l'aide de la pile de 1.5V fournie avec le kit, j'ai constaté que le moteur ne parvenait pas à entraîner l'essieux. Après avoir vérifier la tension aux bornes de la pile, j'ai pu relevé 1.2V. On peut toujours considérer la pile comme fiable même si sa valeur est relativement faible (permet le fonctionnement sans force s'appliquant sur l'arbre). La raison vient du fait que le couple fourni par le moteur n'est pas suffisant pour entraîner l'essieux. Le premier prototype reliait les essieux et le châssis à l'aide d'une chaîne, cela avait pour effet de presser l'engrenage essieux contre la vis infini ajoutant une force sur la tige en métal servant d'arbre pour la rotation et renforçant ainsi les forces de contrainte ( demandant donc un couple plus grand pour démarrer le moteur.). De plus, la tige représentant l'arbre était relativement longue, je l'ai donc remplacé par une tige plus courte permettant d'éviter un effet bras de levier trop important sur celle ci. J'ai ensuite remplacé la chaîne par des équerres permettant de fixer le tout au châssis sans appliquer trop de pression sur la vis infinie. Bien que l'on puisse observer des améliorations, le résultats est toujours non satisfaisant. Après en avoir discuté avec Monsieur Chevalier, ses propositions d'amélioration possibles seraient de me renseigner sur l'orientation que l'engrenage sur l'essieux doit avoir par rapport à la vis infinie afin de faciliter l'entraînement de celui ci. De plus, ci cela ne donne toujours rien, il faudrait attendre le driver moteur afin de voir si un changement d’alimentation peut résoudre le problème. Le prototype actuel est donc de la forme suivante :

Semaine 5 et 6

Lors de cette semaine, j'ai pu poursuivre le développement des différentes parties du circuit. Notamment, j'ai pu travailler sur la simulation de mes capteurs de courant et de tension qui auront pour but d'observer les valeurs de sortie de ma cellule photovoltaïque. Pour cela, j'utilise un pont diviseur de tension pour récupérer la tension du système (la tension peut monter jusque 10V en pic, il vaut mieux la réduire à l'aide de ce pont diviseur pour plus de sécurité) et un montage de type "high side current sensing". La partie capteur de tension est donc réalisée simplement en lisant la tension aux bornes du système comme on peut le voir ci dessous à l'aide de LTSPICE :

Pour la partie lecture de courant, j'ai tout d'abord voulu réaliser un montage de type low side current sensing qui consiste à placer la résistance de mesure entre la source de courant et la masse. Cette méthode semble comporter plusieurs issues et j'ai par la suite appris à l'aide de Mr Chevalier qu'il était possible de réaliser le montage d'une autre manière. Un montage en high side current sense est donc plus conseillé, si on s'appuie sur la documentation faite par microchip sur le sujet, on peut voir différents montages. La figure présentée ci dessous est celle qui nous intéresse le plus :

le courant maximal supposé est de 0.8A pour le moteur. On simule le moteur par une source de courant de 0.8A et on reprend ensuite le montage conseillé par microchip.

On a bien la valeur désirée en sortie de 0.8A*0.025ohm = 0.02V, on peut donc lire de cette façon notre valeur de courant passant dans notre cellule photovoltaïque et allant au moteur. Suite à cela, j'ai pu terminer la liste du matériel nécessaire ainsi que la réalisation du schématique de la carte.

Semaine 7 et 8

Nous allons lors de ces deux semaines nous intéresser à :

• la représentation énergétique macroscopique (R.E.M). Tout d'abord, la REM permet de définir la notion d'action-réaction au niveau énergétique d'un système. Le produit de ces actions est toujours une valeur de puissance. De cette R.E.M nous allons pouvoir tirer 2 avantages principaux :
  • 1. Définir les valeurs à caractériser
  • 2. A l'aide de la commande par inversion, pouvoir déterminer et exprimer sous formule mathématique notre stratégie de commande du système.
• Mais surtout à la finalisation de la carte de puissance  :

J'ai pu confirmer avec mon tuteur le matériel à commander. Tout a pu être validé mis à part l'horloge qui m'a été refusé car une autre version était apparemment disponible à Polytech. J'ai pu opérer aux dernières modifications du schématique de la carte de puissance du véhicule. Le seul gros changement a été le remplacement du quartz "classique" que l'on branche à chaque borne "XTAL1 et XTAL2" du microprocesseur par un oscillateur à quartz envoyant un signal "True TTL" et alimenté en 5V. Je n'avais jamais vu ce type de quartz auparavant mais celui ci semble être plus robuste qu'un quartz classique ce qui pourrait donc améliorer le signal. Après un temps de recherche, j'ai finalement pu voir que la différence de branchement était mineur comme on peut le voir sur la figure ci dessous :

Comme on peut le voir, le montage qui nous intéresse est celui de gauche. Il faut donc placer XTAL1 à la masse et XTAL2 sur la broche de sortie de l'oscillateur. L'avantage de cet oscillateur est qu'il incorpore directement les capacités qui servent à actionner le quartz, son autre utilité semble être d'être utilisé pour certaines prises de mesures. La première finalisation de la carte de contrôle est donc la suivante :

Choix lors de la conception de la carte

Le câblage reprend le placement proposé sur le schématique, sur la gauche se trouvent les différentes sources d'alimentation, sur la droite se trouve les modes de communication et enfin sur la partie inférieur se trouve les pins de sortie pour le moteur. Un plan de masse est présent de chaque côté de la carte afin de faciliter le lien entre toutes les masses. Pour ce qui est des tailles de piste,elles varient entre 0.3mm et 1mm, les plus grosses étant pour les pistes transportant la puissance.

Semaine 9

Lors de cette semaine j'ai pu apporter des modifications au schématique, notamment l'ajout du MPPT en sortie de la cellule photovoltaïque que j'avais oublié de placer. L'avantage de ce régulateur MPPT est qu'il permet une augmentation du rendement de la cellule photovoltaïque. Le MPPT utilise un algorithme dichotomique afin de trouver la valeur de puissance maximale en fonction de la tension utilisée. Une fois les corrections apportées au schéma de la carte j'ai alors pu réaliser son impression. J'ai aussi pu préparer un premier schéma de représentation énergétique macroscopique. Le schéma est de la forme suivante :

Les équations utilisaient pour cette première représentation sont les équations suivantes : Fichier:IMA5P4A1920 REM file.pdf

Une fois cette représentation faite ainsi que les équations préparées je me suis rapproché de Mme Semail afin de confirmer ou affirmer cette représentation pour ensuite travailler à la corriger.

Semaine 10 et 11

Mis à part un problème de plan de masse ( oublie d'ajouter de l'espacement entre la découpe carte et le plan de masse) qui au niveau macroscopique formait une antenne et pouvait perturber la carte ainsi que quelques via mal découpés, la carte est sortie en bon état. La plupart de mes composants sont arrivés le 14 novembre mais il me reste quelques derniers composants sensés arriver lors de cette semaine. J'ai aussi pu voir Mme Semail avec qui j'ai pu discuter de l'actuelle représentation et beaucoup de choses étaient à revoir.

• 1. La principale erreur concerne la cellule photovoltaïque. Au lieu d'être une source tension, la cellule est en fait une source de courant ce qui modifie la causalité du schéma. J'ai donc du modifier la représentation sans oublier cette fois ci le régulateur mppt qui permet comme on pourra le voir sur la nouvelle représentation une inversion de la causalité afin d'obtenir deux tensions en entrée du sélecteur.
• 2. Sur la première modélisation j'avais des doutes sur comment représenter les pertes liées à l'axe de rotation ainsi que le système vis écrou du système. Après discussion, la meilleure solution est de rajouter un rendement sur le couple de retour afin d'avoir effectivement une perte. On pourra simuler cette perte à l'aide du système réel .
• 3. A la fin de ma première représentation, j'ai oublié d'appliquer le principe fondamental de la dynamique qui permet de faire entrer en jeu la masse M du système. Le soucis est qu'en ajoutant ce bloc dans la représentation, un problème de causalité apparaît, on souhaite une force en entrée de notre bloc représentant le PFD afin d'avoir notre vitesse en sortie mais à la place nous avons une vitesse. La solution est de concaténer puis déplacer nos blocs afin de résoudre ce problème de causalité. Le but est donc d'exprimer les équations internes au système en fonction des entrées/sorties du nouveau bloc voulu afin de pouvoir compenser ce changement dans la chaîne de puissance.

Semaine 12

Lors de cette semaine je me suis occupé de souder la carte avec les composants que j'ai pu recevoir. J'ai remarqué en retard que j'avais placé des via sous certains composants smd en oubliant que les cartes imprimées à Polytech nécessitent de souder les via à l'aide de fil de cuivre. Cela m'a donc incité à tout souder à la main à m'aide de flux et d'étain au plomb au lieu d'utiliser le four. Cette partie m'a pris 3 jours à réaliser le temps de régler les courts circuits en vérifiant continuellement la continuité des pistes à chaque étape à l'aide d'un multimètre. C'est notamment à ce moment que j'ai pu me rendre compte que certaines pistes étaient mal découpées, cela du au fait que la carte est assez petite, la précision software et hardware étant différentes, j'ai du moi même retirer le cuivre liant la masse et une piste par exemple à l'aide d'un cutter. Le reste s'est déroulé sans trop de problème. Il reste maintenant à placer la carte sur le module et tester la stratégie d'alimentation du véhicule.

Objectifs restants du projet

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• Réaliser la REM
• Imprimer et souder la carte de puissance
• Réaliser les mesures des différents paramètres du système
• Implémenter la stratégie de commande
• Vérifier la théorie par la pratique
• Tester sur un autre système

Documentation

• Carte de contrôle avec arduino
• Carte de contrôle avec réversibilité de tension
• capteur de courant

Archives

• Fichier:RapportIMA5P5A1920.pdf
• Fichier:Diaposoutenance.pdf
• Fichier:Matlab REM.zip
• Fichier:EagleIMA5P5A1920.zip