IMA5 2019/2020 P05

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

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	0.414 €	TPS22919DCKR	[30]
Total		112	75.33 €

Liste des tâches à effectuer

Calendrier prévisionnel de type Gant (Planning prévu en rouge et réalisé en vert)

Réalisation du Projet

Introduction

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) 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 :

Schéma bloc du L293B

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 :

Schéma de fonctionnement

Semaine 8

Maintenant que le matériel a pu être confirmé, 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. 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 :

Différence de montage en fonction de l'horloge

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 :

Schématique du montage

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.

Top side du montage

Bottom side du montage

Documentation

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