ARCHITECTURE MATERIELLE DES SYSTEMES … · Les bus industriels : Chapitre 6 : Le bus VME Chapitre...

Lycée Gaston CRAMPE - 40800 AIRE sur l’ADOUR

Section de Techniciens Supérieurs enInformatique et Réseaux pour l’Industrie et les

Services Techniques

STS IRIS

ARCHITECTURE MATERIELLE DES SYSTEMES INFORMATIQUES

Partie 2

Chapitre 1 : Introduction aux systèmes automatisésChapitre 2 : Les capteursChapitre 3 : Les actionneursChapitre 4 : Les Automates Programmables Industriels (API)Chapitre 5 : Les lois de commande – La RégulationLes bus industriels :

Chapitre 6 : Le bus VMEChapitre 7 : Le bus d'instrumentation GPIB (IEEE 488)Chapitre 8 : Le bus USB

J-Cl. CABIANCA

Architecture matérielle des systèmes informatiques Jean-Claude CABIANCA

Chapitre 1Introduction aux systèmes automatisés

1 . Introduction

L'automatisme consiste en l'étude de la commande des systèmes industriels.

La première amélioration des conditions de travail a été de remplacer l'énergie humaine fournie par l'ouvrier par une machine ou partie opérative (PO).L'opérateur commande la machine, et regarde le résultat obtenu. Il adapte ses commandes en fonction du déroulement du processus.

L'automatisme débute lorsque l'on intercale entre l'opérateur et la PO une partie commande (PC) qui prend certaines décisions (gestion automatique des cas les plus simples et les plus courants).

La PC lit les informations sur la PO par l'intermédiaire de capteurs, et commande les actionneurs de la PO.

Chapitre 1 : Introduction aux systèmes automatisés page 1 / 3


Nous nous identifierons toujours à la partie commande.– Nous appellerons donc entrées les commandes de l'opérateur ainsi que les informations

reçues des capteurs.– Nous appellerons sorties les commandes envoyées à la PO ainsi que les informations

transmises à l'opérateur.

2 . Les différents types de grandeurs d'entrées et sorties

- La première distinction qui a été faite a été de séparer le T out O u R ien (allumé ou non, appuyé ou non, ouvert ou fermé... représenté par 0 ou 1) de l'analogique (grandeurs représentées par une valeur réelle, comme l'électronique par exemple).

- Désormais, le numérique (gestion de l'analogique par une combinaison de composants TOR, donc regroupement de zéros et de uns pour former des valeurs), tend à englober tous les cas, en premier lieu par son coût plus faible, en second lieu par les possibilités de programmation donc d'évolution.

- Une autre distinction peut se faire entre le combinatoire (les sorties dépendent uniquement de l'état actuel des entrées) et le séquentiel (les sorties dépendent des entrées et de l'historique, c'est à dire de ce qui s'est passé auparavant).


Information TOR Information analogique

Circuit Combinatoire

Système Combinatoire

E S

Circuit Séquentiel

Système Combinatoire

E S


3 . La Partie Commande : PC

La partie commande (PC) d’un système informatique est réalisée à l’aide d’une unité centrale comportant au minimum un organe de calcul ainsi que de la mémoire pour sauvegarder le programme et les données. La communication vers l’extérieur se fait au travers de coupleurs d’entrées-sorties.

PROCESSEURMEMOIRE

CENTRALECoupleur d'entrées

Coupleur de

sorties

Capteurs Actionneurs

UNITE CENTRALE

Il existe plusieurs types d’unités centrales (UC) :

3.1 – Micro-Contrôleur

• prix très attractif• adapté aux applications de série (pas pour la production)• temps donc coût de développement importants• programmation (re-programmation) plus complexe

3.2 – Automate Programmable Industriel (API)

• plus coûteux • programmation relativement simple• très vaste gamme d’interfaces (API/capteurs, API /actionneurs, API /opérateur)• Très robuste : adapté au milieu industriel, gestion de bâtiments, voies de communications, ...

3.3 – Micro-Ordinateur (PC)

• Stockage et traitement rapide de beaucoup d’informations (registres, mémoire, disque)• Hardware peu robuste• Software peu fiable• Il existe actuellement des PC industriels comportant un châssis et des cartes indust

4 . La Partie Opérative : PO

La partie opérative (PO) est constituée de constituants mécaniques, de capteurs et d’actionneurs.

La PC lit les informations sur la PO par l'intermédiaire des capteurs, et commande les actionneurs de la PO.



Chapitre 2Les capteurs

1 . Introduction

Un capteur est un organe de prélèvement d'information qui élabore à partir d'une grandeur physique, une autre grandeur physique mesurable de nature différente (très souvent électrique).Cette grandeur représentative de la grandeur prélevée est utilisable à des fins de mesure ou de commande.

On distingue plusieurs types de capteurs : température, pression, vitesse, position, etc.

Un actionneur permet d'assurer l'évolution de la partie opérative (process) dans le sens souhaité.Par exemple une vanne de régulation constituée par un robinet asservi à un servomécanisme en général pneumatique permet le réglage de débits liquides ou vapeurs.

On distingue plusieurs types d’actionneurs : relais, convertisseurs statiques de puissance, gradateurs, vannes, vérins, moteurs, etc.

La plupart des capteurs délivrent un signal analogique. Les actionneurs répondent souvent à une grandeur analogique.

Par contre, de plus en plus fréquemment, le traitement de ces informations se fait en numérique. Il faut donc des convertisseurs CAN (Convertisseur Analogique Numérique) et CNA (Convertisseur Numérique Analogique) aux deux extrémités de la chaîne d’informations.

Chapitre 2 : Les capteurs page 1 / 11


2 . Principales caractéristiques des capteurs

La catégorie : On peut classer les capteurs en deux catégories : les capteurs à contact qui nécessitent un contact direct avec l'objet à détecter ; les capteurs de proximité qui ne nécessitent pas de contact direct avec l'objet à

détecter. Chaque catégorie peut être subdivisée en trois catégories de capteurs : les capteurs

mécaniques, électriques, pneumatiques.

La famille : On peut classer les capteurs en trois familles : les capteurs logiques (Tout Ou Rien) ou détecteurs qui délivrent un signal de sortie

à 2 états correspondant à un franchissement de seuil ; les capteurs numériques qui délivrent un signal de sortie codé sous forme

numérique, ces capteurs sont souvent appelés codeurs ; les capteurs analogiques qui délivrent un signal de sortie analogique de type tension

ou courant.

L'étendue de la mesure : c'est la différence entre le plus petit signal détecté et le plus grand perceptible sans risque de destruction pour le capteur.

La sensibilité : c'est la plus petite variation d'une grandeur physique que peut détecter un capteur.

La rapidité : c'est le temps de réaction d'un capteur entre la variation de la grandeur physique qu'il mesure et l'instant où l'information prise en compte par la partie commande.

La précision : c'est la capabilité de répétabilité d'une information position, d'une vitesse,...

3 . Les capteurs logiques

3.1 – Les capteurs de position (détecteurs de position)

Les détecteurs de position sont des capteurs de contact. Ils peuvent être équipé d'un galet, d'une tige souple, d'une bille. L'information donnée par ce type de capteur est de type tout ou rien (TOR) et peut être électrique ou pneumatique.



3.2 – Les capteurs ILS (Interrupteur à Lame Souple)

Un capteur ILS est un capteur de proximité composé d'une lame souple sensible à la présence d'un champ magnétique mobile.

Lorsque le champ se trouve sous la lame, il ferme le contact du circuit provoquant la commutation du capteur.

Ce capteur se monte directement sur un vérin et permet de détecter des positions autres que les positions extrêmes. Pour utiliser ce type de capteur, il est nécessaire d'utiliser un vérin comportant un aimant monté sur le piston.

3.3 – Les capteurs inductifs

Les capteurs inductifs sont des capteurs de proximité qui permettent de détecter des objets métalliques.

Les capteurs inductifs produisent à l'extrémité leur tête de détection un champ magnétique oscillant. Ce champ est généré par une self et une capacité montée en parallèle.

Lorsqu'un objet métallique pénètre dans ce champ , il y a perturbation de ce champ puis atténuation du champ oscillant.

Cette variation est exploitée par un amplificateur qui délivre un signal de sortie TOR qui commute lorsque l’atténuation devient importante.



3.4 – Les capteurs capacitifs

Les capteurs capacitifs sont des capteurs de proximité qui permettent de détecter des objets métalliques ou isolants.

Lorsqu'un objet entre dans le champ de détection des électrodes sensibles du capteur, il provoque des oscillations en modifiant la capacité de couplage du condensateur.

Cette variation de capacité provoque le démarrage de l’oscillateur. Après une mise en forme, un signal de sortie TOR est délivré.

3.5 – Les capteurs optiques

Un capteur optique est un capteur de proximité. Il se compose d'un émetteur de lumière associé à un récepteur. La détection d'un objet se fait par coupure ou variation d'un faisceau lumineux. Le signal est amplifié pour être exploité par la partie commande. Il existe trois types de détection :

3.5.1 : Système barrage

Dans ce type de détection, l’émetteur et le récepteur sont séparés. L'objet empêche la réception du faisceau lumineux.

Adapté pour :- la détection des matériaux opaques ;- les environnements pollués (pluie, poussière...) ;- les longues distances.

Contraintes :- détection de matériaux non transparents ;- nécessite un alignement rigoureux.



3.5.2 : Système reflex

Dans ce type de détection, l’émetteur et le récepteur sont dans le même boîtier. L'objet empêche le retour du faisceau lumineux.

Adapté pour :- les applications où la détection n'est possible que d'un coté ;- les environnements relativement propres.

Contraintes :- Ne convient pas pour les objets réfléchissants.

3.5.3 : Système de proximité

Dans ce type de détection, l’émetteur et le récepteur sont dans le même boîtier. L'objet permet le retour du faisceau lumineux.

Adapté pour :- les applications où la détection n'est possible que d'un coté ;- les objets transparents et translucides.

Contraintes :- les portées dépendent de la capacité des objets à réfléchir la lumière ;- à éviter dans les environnements pollués.

3.6 – Portée des différents détecteurs



4 . Les capteurs numériques

4.1 – Introduction

Les capteurs numériques les plus utilisés sont les codeurs rotatifs.

Les codeurs rotatifs sont des capteurs de position angulaire. Le disque du codeur est solidaire de l'arbre tournant du système à contrôler.Il existe deux types de codeurs rotatifs, les codeurs incrémentaux et les codeurs absolus.

4.2 – Codeurs incrémentaux

La périphérie du disque du codeur est divisée en "x" fentes régulièrement réparties. Un faisceau lumineux se trouve derrière ces fentes dirigé vers une diode photosensible. Chaque fois que le faisceau est coupé, le capteur envoie un signal qui permet de connaître la variation de position de l'arbre.

Pour connaître le sens de rotation du codeur, on utilise un deuxième faisceau lumineux qui sera décalé par rapport au premier. Le premier faisceau qui enverra son signal indiquera aussi le sens de rotation du codeur.



4.3 – Codeurs absolus

Cette fois ci, le disque possède un grand nombre de pistes et chaque piste est munie d'une diode émettrice d'un faisceau lumineux et d'une diode photosensible.

La piste centrale est la piste principale, elle détermine dans quel demi-tour la lecture est effectuée. La piste suivante détermine dans quel quart de tour on se situe, la suivante le huitième de tour etc. Plus il y aura de pistes plus la lecture angulaire sera précise.

Il existe des codeurs absolus simple tour qui permettent de connaître une position sur un tour et les codeurs absolus multitours qui permettent de connaître en plus le nombre de tours effectués.

5 . Les capteurs analogiques

5.1 – Capteurs de vitesse - Les génératrices tachymétriques

C’est une machine à courant continu qui fonctionne en génératrice. En tournant elle développe une force contre électromotrice (tension) qui est proportionnelle à la vitesse.



5.2 – Capteurs de déplacement - Les capteurs résistifs

Essentiellement utilisés pour mesurer des déplacements ou des rotations. Ils utilisent le principe du montage potentiométrique et ils permettent d'obtenir une relation directe entre déplacement et tension. Exemples : Jauge de carburant, niveau de cuve…

5.3 – Capteurs de température

On distingue 3 types de capteurs de température à contact :

5.3.1 : Les bilames

La technique utilisée est basée sur la dilatation de deux lames ayant un coefficient de dilatation différent (ouverture ou fermeture d’un contact).

5.3.2 : Les thermorésistances

La technique utilisée est basée sur la variation de la résistance d’un matériau en fonction de la température (résistance métallique, thermistances).

5.3.3 : Les thermocouples

Lorsque deux fils en métaux différents sont connectés à leurs deux extrémités, un courant continu circule dans la boucle s'il y a une différence de température entre les deux jonctions.On distingue la jonction chaude à la température Tc (à mesurer) et la jonction froide à la température Tf constante et connue (aujourd'hui cette pratique est évitée par une compensation électronique). On mesure la différence de potentiel E entre les deux jonctions, résultat du courant I, avec un voltmètre.



E (volt) = a . (Tc – Tf) avec a est appelé coefficient de Seebeck.

Cette force électromotrice E dépend de la nature des métaux de jonction et de la température Tc. Pour faciliter la lecture de Tc, on garde la soudure froide à température constante.Après des recherches de linéarité, de valeur de tension et de gamme de température, les combinaisons de métaux les plus courantes sont :

Un des thermocouples le plus utilisé est le Chromel-Alumel ou Thermocouple de Type K. Il possède une plage de mesure étendue (-100 à + 1370 °C), une force électromotrice importante (41310 μV à 1000 °C avec soudure froide à 0°C) et une courbe que l'on sait très bien linéariser pour obtenir sur toute l'étendue de mesure des précisions meilleures que 0,2%.ALUMEL - Alliage composé de 95% de nickel, 2% d’aluminium, 2% de manganèse et 1% de silicium.CHROMEL - Alliage composé de 80% de nickel et 20% de Chrome.

5.3.4 : Gammes de température



5.4 – Capteurs de pression et de force – Les jauges de contrainte

La résistance ohmique d'un fil conducteur est donné par la relation suivante : R = r . l / sr : résistivité du métal en Ω / m,l : longueur du fil en m,s : section du fils en m².

Si on modifie la longueur de ce fil, on va faire varier sa résistance.

Si on tire sur ce fil, il va s'allonger (l augmente) et sa section va se réduire, sa résistance va donc augmenter (l/s augmente). L'épaisseur du fil est d'environ 5µm, la plaque isolante de l'ordre du double.

5.5 – Capteurs de niveau

Les capteurs de niveau les plus répandus utilisent une méthode de mesure hydrostatique. Ces capteurs se servent de la pression du liquide (poussé d’Archimède). La mesure transmise est une fonction linéaire de la hauteur du liquide. Elle dépend de la masse volumique du liquide sauf dans le cas du flotteur.

Capteur de Pression

Le flotteur : Maintenu à la surface du liquide, il est solidaire d’un capteur de position qui délivre le signal électrique correspondant au niveau (convient mal aux liquides très visqueux)

Le plongeur : Le plongeur est suspendu à un capteur dynamométrique qui se trouve soumis à une force F (poids apparent), qui est fonction de la hauteur h du liquide.

Le capteur de pression : permet la mesure de la pression (relative si le réservoir et « ouvert » ou différentielle s’il est « fermé ») qui est une image de la hauteur (donnée sous forme de tension comme pour le plongeur). Beaucoup de ces capteurs sont basés sur les propriétés piézo-électriques d’une membrane en céramique, directement en contact avec le liquide.



6 . La RFID (Radio Frequency IDentification)

6.1 – Généralités

RFID signifie Radio Frequency Identification (Identification par radio fréquence). Cette technologie d'identification de produits (contrôle d'accès, traçabilité, ... ) permet de récupérer des informations à distance, stockées sur des «étiquettes radio fréquence» (appelées aussi tags ou transpondeur dans certains cas).

Une étiquette est composée : d'une puce pour la mémorisation des données ; d'une antenne ; d'une « structure » qui protège le dispositif .

6.2 – Fonctionnement

Dans le cas d'une étiquette « passive », un lecteur devant lequel va passer l'étiquette va lui fournir l'énergie nécessaire à son fonctionnement au travers d'un champ électromagnétique produit par une antenne. Les étiquettes « actives » possèdent une pile incorporée qui leur permet d'émettre un signal de manière autonome, ce qui permet également d'augmenter la distance de fonctionnement .

Les fréquences employées sont : les basses fréquences (125 Khz) ; les hautes fréquences (125 KHz - 13,56 MHz) ; les ultras hautes fréquences (860 MHz - 960 MHz) ; les bandes 2,5 GHz et 5,8Ghz dans les supra hautes fréquences. .

Les étiquettes peuvent être en : lecture seule ; écriture « unique » et lecture ; lecture / écriture.Chapitre 2 : Les capteurs page 11 / 11


Chapitre 3Les actionneurs

1 . Introduction

Dans un système automatisé, un actionneur est un organe de la partie opérative qui sur ordre de la partie commande (via le préactionneur), convertit l'énergie qui lui est fournie sous une forme utile pour les tâches programmées du système automatisé.

Un vérin pneumatique ou hydraulique, mais aussi un moteur électrique ou une résistance chauffante sont des actionneurs. L'énergie leur sera fournie par un distributeur (pneumatique ou hydraulique), un relais ou un contacteur électrique.

2 . Différents types d’actionneurs

2.1 – Les moteurs

Quatre types de moteurs sont utilisés :• Moteur à courant continu• Moteur asynchrone alternatif• Moteur synchrone alternatif• Moteur pas à pas

Afin de moduler de façon souple (sans à coups, ni paliers) la vitesse de déplacement, il est nécessaire d’interposer, entre le mobile et le moteur, un variateur :

• Sur les moteurs à courant continu : en agissant sur la tension• Sur les moteurs asynchrone ou asynchrone alternatif : en agissant sur la fréquence et sur

la tension• Sur les moteurs pas à pas : en agissant sur la fréquence

2.1.1 : Moteur à courant continu

Ce moteur utilise le principe des forces électromagnétiques : une force motrice est exercée sur un conducteur placé dans un champ électromagnétique B.

Chapitre 3 : Les actionneurs Page 1 / 7


Le champ électromagnétique B est créé par le stator (partie fixe).

Deux types de moteurs à courant continu sont utilisés :

• Moteur à courant continu à excitation indépendante : Ce type de moteur offre une grande souplesse de commande et une gamme de vitesse étendue.

• Moteur à courant continu à excitation shunt : Ce type de moteur permet d’obtenir une vitesse constante quelle que soit la charge.

2.1.2 : Moteur asynchrone alternatif

Ce moteur utilise le principe du champ tournant : un aimant en rotation au dessus d’un disque en cuivre crée des courants induits sur ce disque qui donnent naissance à une force électromagnétique provoquant la rotation du disque.



Sur les moteurs asynchrones l’aimant est remplacé par un champ tournant crée par des bobines montées sur le stator.

Le nom de moteur asynchrone vient du fait que la vitesse de rotation du rotor est toujours inférieure à celle du champ tournant (on parle alors de glissement).

2.1. 3 : Moteur synchrone alternatif

Le rotor crée un champ magnétique rotorique qui suit le champ tournant statorique avec un retard angulaire θ lié à la charge (plus la charge est importante, plus θ est grand).

Étant donné que le rotor tourne à la même vitesse que le champ tournant, ce moteur ne peut pas être démarré directement sur le réseau 50 Hz. On peut utiliser un convertisseur de fréquence dont la fréquence augmente progressivement lors de la phase de démarrage (rampe). On peut aussi démarrer ce moteur en " asynchrone ", en utilisant l'enroulement inducteur comme secondaire.



Le rotor se compose d'aimants permanents ou d'électro-aimants (bobinages alimentés par un courant continu).

2.1. 4 : Moteur pas à pas

Contrairement aux autres actionneurs qui fournissent une vitesse ou un couple, le moteur pas à pas est un actionneur de type tout ou rien. Il suffit de lui envoyer une impulsion pour qu’il tourne d’un pas. Si les impulsions ont une fréquence fixe, la vitesse de rotation est constante.

Soit un rotor constitué d’un aimant (pôle Nord et pôle Sud) et un stator constitué de deux bobinages alimentés en courant continu et sachant que deux aimants de même pôle se repoussent alors que deux aimants de pôles opposés s’attirent :



Ainsi un moteur à 100 pas par tour, monté à l’extrémité d’une vis dont le pas est 4 mm, provoquera un déplacement minimal de 4/100 = 0,04 mm. La vitesse de déplacement est liée à la fréquence de commutation des bobines.

2.2 – Les vérins

Un vérin est un tube cylindrique (le cylindre) dans lequel une pièce mobile (le piston) sépare le volume du cylindre en deux chambres isolées l'une de l'autre. Un ou plusieurs orifices permettent d'introduire ou d'évacuer un fluide dans l'une ou l'autre des chambres et d'ainsi déplacer le piston.

Il existe de très nombreux types de vérins. On les distingue par le fluide de travail (vérins hydrauliques, vérins pneumatiques), par leur action (simple action ou simple effet, double action ou double effet, rotatif), ou par d'autres caractéristiques (vérins à chambre ovale, vérins à double tige, vérins à câble, vérins télescopiques, etc.)

Le vérin pneumatique est utilisé avec de l'air comprimé entre 2 et 10 bars dans un usage courant. Simple à mettre en œuvre, il est très fréquent dans les systèmes automatisées industriels.

Le vérin hydraulique est utilisé avec de l'huile sous pression, jusqu'à 350 bars dans un usage courant. Plus coûteux, il est utilisé pour les efforts plus importants et les vitesses plus précises (et plus facilement régulable) qu'il peut développer.

Il existe également des vérins électriques qui produisent un mouvement comparable mais avec l'aide d'un système vis-écrou (liaison glissière hélicoïdale) entraîné par un moteur électrique.

2.2 – Les électrovannes

Une électrovanne est un dispositif commandé électriquement permettant d'interrompre, par une action mécanique, la circulation d'un fluide dans un circuit.Les électrovannes les plus courantes sont celles utilisées dans les lave-linge et lave-vaisselle pour le remplissage de la cuve.

L’électrovanne de régulation est utilisée comme organe de réglage dans différentes boucles de régulation. On attend donc de la vanne qu'elle fasse varier un débit de fluide en fonction des variations du signal en provenance du régulateur.

L’électrovanne est constituée de deux éléments principaux :

• Le servo moteur : c'est l'élément qui assure la conversion du signal de commande en mouvement de la vanne ;

• Le corps de vanne : c'est l'élément qui assure le réglage du débit.



On distingue essentiellement trois types de caractéristiques intrinsèques de débit (loi entre le débit Q et le signal de vanne V) :

Débit linéaire PL

Le débit évolue linéairement en fonction du signal. La caractéristique est une droite. Des accroissements égaux du signal vanne provoquent des accroissements égaux de débit.



Débit égal en pourcentage EQP

La caractéristique est une exponentielle. Des accroissements égaux du signal vanne provoquent des accroissements égaux de débit relatif.

Débit tout ou rien PT

Cette caractéristique présente une augmentation rapide du débit en début de course pour atteindre alors environ 80% du débit maximum.


Avec nos élèves ou étudiants, et notamment lors del’élaboration d’un projet à caractère industriel, nousrencontrons fréquemment le problème suivant: déplacer

un organe, muni d’une charge, en translation rectiligne ou en rotation autour d’un axe. II s’agit donc de concevoir une commanded’axe (en chaîne directe ou en boucle fermée) dans laquelleinterviennent de nombreux critères ; en particulier, citons lescaractéristiques mécaniques telles que couple ou effort, maisaussi la loi de conduite temporelle.

Dans ce contexte, il nous semble y avoir deux grands cas defigure : les actionneurs pour lesquels la commande est faite entout ou rien (TOR) et ceux dont la commande est contrôlée (enboucle ouverte) ou asservie (en boucle fermée), c’est-à-dire àeffet proportionnel. Observons pour les deux cas la démarchede dimensionnement qui les caractérise.

CAS DES ACTIONNEURS COMMANDÉS EN TOR

Tous ces actionneurs doivent majoritairement réaliser unecourse dans un temps imparti ; ce temps étant lui-mêmeconditionné par le temps de cycle de la machine dans laquellel’actionneur est intégré. Leur dimensionnement consisteessentiellement à calculer le couple (Cm) ou l’effort (Fm) moteurnécessaire en phase transitoire à partir d’une valeur d’accé-lération maximale choisie pour les exigences de ce tempsd’action. En général, cette détermination se fait à partir d’unemodélisation cinématique le plus souvent de type trapézoïdaleen vitesse (voir détail de la figure 1).

Globalement, cette démarche peut se représenter parl’organigramme de la figure 1.

CAS DES ACTIONNEURS CONTRÔLÉS OU ASSERVIS

Cette typologie d’actionneurs présente la particularité d’êtrepilotée par une commande électronique capable de modulerleur énergie d’alimentation pour en faire varier la vitesse.

Dans ce cas, la loi de vitesse est définie en fonction desnécessités de l’automatisme. Pour cette loi, des choix d’accé-lération et de vitesse maximales seront faits afin de respecter

les temps d’action. Et c’est à partir de cette valeur de amaxque l’on peut calculer le couple ou l’effort moteur nécessaireen régime transitoire.

Cette démarche de dimensionnement est illustrée par lafigure 2.

Les premières boîtes à outils de cette nouvelle sérienous ont permis de traiter le problème du dimensionnement des installations d’alimentationen énergie des machines. De l’énergie aux machines,il n’y a qu’un pas à franchir pour atteindre les actionneurs. Mais avant d’aborder précisément le dimensionnement des actionneurs électriques,

hydrauliques ou pneumatiques, cet article traite du problème général de détermination des puissances nécessaires, à partir des données de loi de commande, d’efforts à développer, de vitesse,de temps d’action et d’inertie.

Guide de dimensionnementLes actionneurs rotatifs et linéairesPHILIPPE TAILLARD, CHRISTIAN TEIXIDO1

sansfrontièreBOÎTE À OUTILS

14 TECHNOLOGIE 111 JANVIER-FÉVRIER 2001

MOTS-CLÉS actionneur, automatismes,outil et méthode, puissance dynamique

Dimensionnement

– Course d’action– Temps d’action

– Calcul du Cm ou Fmen régime permanent

– Calcul du Cm ou Fmen régime transitoire

– Modélisation de la loide vitesse :

– Choix de Vmax– Choix de a

Données

Choix

VitesseAccélération :

a = Vmax/taVmax

Temps

Modélisationde la variation

de vitesseÉvolution réelle

de la vitesse

ta: temps d’accélération

Figure 1. Démarchede dimensionnement d’un actionneur TOR

Dimensionnement

– Calcul du Cm ou Fmen régime permanent

– Calcul du Cm ou Fmen régime transitoire

– Course d’action– Temps d’action– Loi de vitesse imposée

par l’automatisme

Données

Les différents modèlesde loi de vitesse sont développésdans le paragraphe suivant intitulé«Le point de vue cinématique»

– Choix de Vmax– Choix de amax

Choix

Vitesse

Accélération : amax

Vmax

Temps

Modèleprogrammé

Évolution réellede la vitesse

Figure 2 : Démarche de dimensionnement d’un actionneurà commande proportionnelle

En conséquence, quel que soit le type de commande (TORou contrôlée), deux points fondamentaux doivent être résolusen phase transitoire :– l’élaboration d’une loi de conduite (point de vue cinématique) ;– la maîtrise des performances dynamiques à satisfaire (pointde vue énergétique).

LE POINT DE VUE CINÉMATIQUE2

La spécification d’une loi de conduite peut être établie enfonction de plusieurs objectifs.1. Obtenir des performances définies (temps d’exécutiond’un cycle par exemple) en respectant au mieux lesspécifications relatives au produit ou au procédé.

Une loi simple, dite en trapèze, est alors le plus souventutilisée (figures 3).

En général, l’accélération et la décélération sont égalesen module. Un palier à faible vitesse est souvent introduitau ralentissement pour obtenir une bonne précision lorsdu freinage (figure 3b).Cette loi provoque des à-coups sur la mécanique lors dudémarrage et de l’arrêt en raison de la variation brutalede l’accélération de 0 à + a ou de – a à 0 (figure 3c) ;

JANVIER-FÉVRIER 2001 TECHNOLOGIE 111 15

A valeur de l’accélération, fonction du temps

v valeur de la vitesse, fonction du temps

Vmax vitesse spécifiée en régime permanent

TA, TD durées spécifiées (ou calculées) d’accélération, de décélération

CA, CD courses spécifiées (ou calculées) d’accélération, de décélération

A1, A2 valeurs de l’accélération, de la décélération (spécifiées ou calculées)

XF, XI positions : finale, initialeNota : « X » fait référence implicitement à un déplacement linéaire, mais toute l’analyses’applique à un déplacement angulaire.

2. Optimiser la tenue mécanique et thermique des constituants.Cette optimisation, en améliorant la fiabilité de la méca-nique et des actionneurs, permet de réduire le coût globalet d’améliorer la sécurité (figures 4).

Les lois de conduite sinusoïdales répondent à cet objectif,au détriment cependant de la rapidité. Elles sont particu-lièrement développées pour des machines d’essais d’usure,pour des applications dans le domaine des transports afin d’améliorer le confort physiologique des passagers.

D’autres lois peuvent encore être rencontrées commela loi en sinus carré de l’accélération, proche de la loi laplus optimale (rapidité et tenue), ou la loi dite cubique enposition, qui assure un bon compromis fiabilité-rapiditépar une montée en vitesse progressive.

Le tableau ci-après définit les éléments caractéristiquesde ces lois de commande.

b) Palier de ralentissement c) À-coups dus à la variation de a

ω

+ a – a + a – a

t

∆ θ = 270° ∆ θ = 90°

a) Exemple de loi de vitesse trapézoïdale pour un asservissement de position angulaire

v

Vmax

Vr

– a

t

v

+ a

– a à-coups

Figures 3.

d. Loi sinusoïdale e. Loi en «sinus carré»

Vitesse V

Vitesse

Accélération

f. Loi cubique

Figures 4. Exemples de lois de conduite

Graphes

Loi en trapèze des vitesses

Relations cinématiques

• TA =Vmax CA =

V 2max

A1 2A1

• TD = Vmax CD = V 2max

A2 2A2

• TD = CPVmax

= (XF − XI) − (CA + CD)Vmax

• Si A1 = A2 = A (cas fréquent) et si l’on pose :C = XF − XITA = TD = tTA + TP + TD = T

alors A = Ct(T − t)

Propriétés

• Loi la plus souvent utilisée

• Phases transitoires les plusrapides mais

• Accélération discontinue ⇒chocs mécaniques

• Pour un servomécanisme,une consigne de vitesse miniest appliquée au démarrage(seuil de vitesse, frottements)et un palier à faible vitesseest introduit au ralentisse-ment pour obtenir une bonneprécision lors du freinage.

Équations de la loi de commande

Les équations sont obtenues parintégration de la spécification del’accélération

Plase ➀ 0 t TAA(t) = A1V(t) = A1t

X(t) = 12

A1t2 + XI

Phase ➁ TA t TA + TPA(t) = 0V(t) = Vmax

X(t) = XI + CA + Vmax (t − TA)

La phase ➂ se déduit par symétrie.

A

t

t

t

A1

– A2

TA

CA CP

CD

TP

X

XF

XI

TD

VVmax

➂➀ ➁


Graphes

Loi cubique en position ou trapèze en accélération

Relations cinématiques

• TA = Vmax +

A1A1 p1

et

CA = V2

max + VmaxA1

+A13

2A1 2p1 3p12

• TA = Vmax +

A2A2 p2

et

CA = V2

max + VmaxA2

+A23

2A2 2p2 3p22

• TD = CPVmax


• TA = 2Vmax

A1et

CA = A1TA2

+ V2

max

4 A1

• TD = 2Vmax

A2et

CA = A2TD2

+ V2

max

4 A2

• TD = CPVmax


Propriétés

• Accélération continue

• Dans le cas d’un servomé-canisme, cette loi assure unmeilleure contrôle de la tra-jectoire que la précédente.

• (TA)cubique > (TA)trapèze,mais bon compromis fiabi-lité-rapidité par une montéeen vitesse progressive.

• Accélération continue

• Permet d’améliorer la fiabi-lité de la chaîne de commandeau détriment de la rapiditécar :(TA)sinus

2 >(TA)cubique>(TA)trapèze

• Recommandée dans les servomécanismes.

• Plus complexe à élaborer.

Équations de la loi de commande

Les équations sont obtenues parintégration de la spécification del’accélération en trapèze.

Phase ➀ 0 t t1 = A11

V(t) = p1t2

2 X(t) = XI + p1t3

6

Phase ➁ t1 t t2V(t) = V1 + A1 (t − t1)X(t) = x1 + v1 (t − t1) + A1 (t − t1)2

2

Phase ➂ t2 t TAV(t) = V2 + A1 (t − t2) − p1

(t − t2)2

2X(t) = X2 + V2 (t − t2) +

A1 (t − t2)2− p1

(t − t2)3

2 6Phase ➃ TA t Ta + TPV(t) = VmaxX(t) = x3 + Vmax (t − TA)Les phases ➄à ➆ se déduisent parsymétrie.

Phase ➀ 0 t TA

A(t) = A1sin2 ΠtTA

V(t) = A1 t – TA sin 2Πt2 [ 2Π ( TA )]

V(t) = XI + A1[t2 – (TA)2sin 2(Πt)]4 Π TA

Phase ➁ tA t tA +TPA(t) = 0V(t) = Vmax

X(t) = XI + CA + Vmax(t – TA)

La phase ➂ se déduit par symétrie.

A

t

t

t

A1

p1

– A2

– p1

TA

CA

CP

CD

TP

XXF

XI

TD

V Vmax

➂ ➃ ➄ ➅ ➆➀ ➁

V1

V2

t1

x1x2

x3

t2 t3

– p2 p2

A

t

t

t

A1

– A2

TA

CA

CP

CD

TP

XXF

XI

TD

V Vmax

➂➀ ➁

Loi en sinus2 des accélérations

LE POINT DE VUE ÉNERGÉTIQUE2

Les équations de fonctionnementDeux cas sont à distinguer suivant la nature du mouvement desortie de l’actionneur.

Les équations et les éléments de calcul sont donnés par letableau ci-dessous.

Éléments comparatifs Actionneur rotatif Actionneur linéaire

Schéma de principe

Charge

MoteurChaîne

cinématique

Moteur

Cm, ΩmCm, Ωm

CmCm

CpmCpm

JmeJme

Ωmam

Ωmam

Fm, Vm

FmFpm

MeqVmγm

Chaînecinématique

JANVIER-FÉVRIER 2001 TECHNOLOGIE 111 17

Éléments comparatifs Actionneur rotatif Actionneur linéaire

Grandeurs caractéristiques Cm : couple total moteur (en Nm) Fm : effort total développé par le moteur (en N)

Ωm : vitesse angulaire moteur (rd/s) Vm = vitesse linéaire moteur (en m/s)

am : accélération angulaire moteur (rd/s2) γm : accélération linéaire moteur (en m/s2)

Jme : inertie équivalente, ramenée au moteur, Mme : masse équivalente, ramenée au moteur,

de l’ensemble moteur + charge + ... de l’ensemble moteur + charge + ...

Cpm : couple permanent dû à la charge Fpm : effort permanent du à la charge,

ramené au moteur (en N.m) ramené sur l’arbre moteur (en N)

Équation de fonctionnement

en régime permanentCm = Cpm Ftm = Fpm

Équation de fonctionnement

en régime transitoireCm = Cpm + Jme . am Fm = Fpm + Mme . γm

Les caractéristiques équivalentes de couples et d’inertie de mécanismes courants Fpc et Cpc : effort ou couple permanent sur la charge

Moteur + vis-écrou+ table

Moteur + réducteur + vis-écrou + table

Moteur + pignon crémaillère + table(+ réducteur éventuel)

Chariot automoteur:moteur + réducteur + roues + chariot

Bandes transporteuses:moteur + réducteur + chaîne ou bande

Type Schéma de principe

CF p

N m

J J J Mp

kg m

pmpc

me m

= ⋅ ⋅

= + +

⋅

ην

ν

2

22

Π

Π

( )

( )

CR F

k

J J JJ J MR

k

pmr

pc

me m re

=⋅

= + + + +

1

1 22

2

η btη⋅

Caractéristiques équivalentes

Moteur + 2 réducteurs+ charges C

C

k kN m

J JJ

k

J

k kkg m

pmpc

me mr c

= ⋅

= + + + ⋅

η η1 2 21

Jr12

12 2

1

2

2

( )

( )( )

Moteur

Réducteur

ChargeR1 R2Jr1

Jr2Cpc

JcJm

(k1, η1) (k2, η2 )

(Jν , ην)

MoteurJm

MFpc Table

Vispas p

Moteur Jm M FpcEffortpermanentsur charge

Vis (p, Jν , ην)

Réducteur(k, Jre , ην)

Ck

F pN m

J J J

J Mp

kkg m

pmr

pc

me m re

=⋅

⋅

= + ++

⋅

1 1

2

2

2

22

η ην

ν

Π

Π

( )

( )

Moteur Jm

M

M

R

Fpc

Pignonrayon R, Jp

ηpc: rendement pignon/crémaillère

Crémaillère

CR F

J J J MR

pmpc

pc

me m p

=⋅

= + +η

( )2

ChargeAvec réducteur

CR F

k

J J JJ MR

k

mpc r

pc

me m rep

=⋅

= + ++

η η2

2

1

Moteur Jm

Réducteur(k, ηr, Jre)

Moteur (Jm)+ réducteur (k, ηr, Jre)

RFpc

Roue (R, Jroue, ηroue)

CR F

k

J J JJ MR

k

pmr roue

pc

me m reroues

=⋅

⋅

= + + +

1

2

2

η η

M

R

Fpc M = massecharge +bandeou chaîne

J1 J2ηbt = rendementde la bande transporteuse

1

2

Présélectiondes moteurs

Choix du typede moteurs

Présélectiondu rapport de

réduction k

Optimisationde l’ensemble

moteur-réducteur

Sélectiondu moteur

Réductionnon

oui


LA DÉMARCHE DE DÉTERMINATION D’UNE MOTORISATION

Le calcul s’effectue en deux étapes fondamentales :– d’abord, une présélection en régime permanent permettantde retenir des actionneurs en fonction de leurs caractéris-tiques nominales ;

1. Note de la page 14. Respectivement, professeurs agrégés de génie méca-niqueet de mécanique au lycée Gustave-Eiffel de Cachan et au lycée Jean-Jaurès d’Argenteuil.

2. Note des pages 15 et 16. Documents extraits, en grande partie, de l’ouvrage Guide de la commande d’axe – Technoguide E, éd. Adepa.

Vérin + pignoncrémaillère + réducteur+ charge

Type Schéma de principe Caractéristiques équivalentes

Vérin + vis-écrou

M

R

J(/∆)

∆

M(piston + vis)ηνe rendement vis-écrou

Pignon (rayon R, inertie Jp)

Crémaillère

Cpc F Cp

enN

M M Jp

enKg

pme

pc

me

= ⋅ ⋅

= +

1 2

2 2

ην

Π

Π

( )

( )

FC

kR

M MJ J

R

J

k R

pmpc r

pc

mep re c

=⋅

= ++

+

1

2 2 2

η η

Jp Jc

Cpc

Réducteur (k, Jre, ην)

– ensuite, une sélection afin d’optimiser la chaîne motoriséeen régime transitoire.

– Type d’utilisation : asservissement, milieuambiant, arrêts fréquents, vitesses admis-sibles, jeu de fonctionnement…

– Moteur asynchrone– Moteur CC– …

– Régime permanent– Type de moteurs– rmax:puissance maxi en régime permanent

– Choix de plusieurs moteurs possibles telsque : nom. = rmax– → Déduction de Nnom pour chaque moteur.

– Vitesse maxi du récepteur en régime per-manent

– Jeu de fonctionnement admissible

– Choix de plusieurs réducteurs possibles– → ki et ρi

– Durée et mode d’accélération en régimetransitoire

– Couple récepteur équivalent ramené surl’arbre moteur Cpm

– Inertie équivalente ramenée sur l’arbremoteur Jme

– Calcul du couple moteur dynamique :Cm = Cpm + Jme . am

– Couple dynamique Cm = f (Nm)– Documents constructeurs concernant des

moteurs présélectionnés

– Tout point de fonctionnement (Cm, Nm) à l’intérieur de la zone tolérée en régime transitoire– (Cm)nom conforme en régime permanent

Données Éléments de calculs et résultats


Chapitre 4Les Automates Programmables Industriels (API)

1 . Introduction

Les automates sont très robustes et adaptés au milieu industriel. Les plus grandes marques qui construisent des automates sont les suivantes :

SiemensMitsubishiTélémécanique (Schneider)JetterAllen-Bradley (Rockwell Automation)OmronFesto

2 . Technologie et principes

2.1 – Architecture générale

L'architecture générale d'un automate est représentée ci-dessous. Par rapport à un système informatique standard on retrouve en plus la mémoire image des E/S.

PROCESSEUR MEMOIRE CENTRALE

Coupleur d'entrées

Coupleur de

sorties

Capteurs Actionneurs

UNITE CENTRALE

MEMOIRE IMAGE

E/S

• Mémoire programme et données utilisateur RAM + mémoire E(E)PROM• Mémoire programme système ROM• Registres spécialisés paramétrables (tempos, compteurs, programmateurs, …)• Unité d’arithmétique et logique ALU• Mémoires image des entrées et des sorties• Bus entrée-sortie / système• Coupleurs entrée / sortie

Chapitre 4 : Les Automates Programmables Industriels (API) Page 1 / 10


2.2 – Fonctionnement d'un automate

La mémoire de programme renferme le programme utilisateur. Le processeur traite le programme de façon cyclique :

– Au début de chaque cycle, le processeur lit les états de tous les signaux d’entrées et constitue une mémoire image des entrées (MIE).

– Le programme se déroule ensuite pas à pas. Le processeur range les états des signaux calculés dans la mémoire image des sorties (MIS).

– A la fin du cycle, le processeur écrit l’image mémoire dans les sorties.

Le cycle peut être interrompu par des alarmes (alarmes process et d’horloge).

2.3 – Les langages de programmation

Encodage des étapes et des transitions (langage de bas niveau)

– Listes d’instructions (IL)– Littéral structuré (ST)– Schéma à contacts (LD)– Logigrammes (FBD)

Enchaînement des séquences « étapes - transitions » (langage de haut niveau)

– Grafcet (SFC)



2.4 – Les entrées et sorties TOR

Schéma de principe de liaison d’une entrée isolée :

Entrée

API+24V

0V

0V

+24V

Schéma de principe de liaison d’une sortie :

Sortie

+24V

0V

API

2.5 – Les objets adressables

On accède aux variables de l'automate à l'aide d'objets adressables de type bits ou mots.

2.5.1 : Objets booléens - bits

Bits d’entrée: %I Bits de sortie : %QBits internes : %MBits système : %SBits d’état des étapes Grafcet : %X



2.5.2 : Adressage des entrées et des sorties

Exemples :

%I3.8 : entrée 8 du module 3%Q4.5 : sortie 5 du module 4

3 . Programmation des automates

3.1 – Langage à contacts (Ladder)

3.1.1 : Les éléments du langage

Éléments de tests

-| |- : Détection état 1 du bit entrée (« contact passant » si état 1)

-|/|- : Détection état 0 du bit entrée (« contact passant » si état 0)

-|P|- : Détection front montant (« contact passant » sur un cycle)

-|N|- : Détection front descendant (« contact passant » sur un cycle)

: blocs fonctions standards (ex. timers, compteurs, drums, …)

Éléments de liaison

- : Connexion horizontale

| : Connexion verticale

Éléments d’actions

-( )- : Écrire l’état du test (0 ou 1) dans le bit

-( / )- : Écrire l’état inverse du test (0 ou 1) dans le bit

-( S )- : Écrire et mémoriser l’état 1 dans le bit si l’état du test vaut 1 (set)

-( R )- : Écrire et mémoriser l’état 0 dans le bit si l’état du test vaut 1 (reset)



3.1.2 : Exemple

3.2 – Langage Grafcet

3.2.1 : Introduction

Le GRAFCET (Graphe de Commande Étape Transition) est un outil de description et de définition des systèmes automatisés séquentiels. Il décrit essentiellement l’ordre chronologique des étapes.



3.2.2 : Exemple de Grafcet



3.2.3 : Hiérarchisation des Grafcets

D’une manière générale, il est possible d’effectuer une partition des fonctions de la partie commande. Une classification permet de distinguer trois niveaux de hiérarchie :

• Niveau SURETE ou SURVEILLANCE

• Niveau CONDUITE et COORDINATION des tâches

• Niveau PRODUCTION

• La coordination de plusieurs GRAFCET entre eux est rendue possible en utilisant l’état d’une étape comme réceptivité dans un autre GRAFCET .

• Il est aussi possible de coordonner et hiérarchiser des GRAFCET par des ordres de FORCAGE ou de FIGEAGE.Le GRAFCET qui émet l’ordre sera hiérarchiquement supérieur à celui qui le reçoit.

• Le forçage permet de maintenir à l’état actif la ou les étapes précisées d’un GRAFCET durant toute la durée d’émission de cet ordre.

Représentation :Etape(s) concernée(s)

Forçage ou Figeage GRAFCET forcé ou figé

• Forçage d’une étape F / G1 : ( 5)

• Forçage de plusieurs étapes F / G2 : ( 20 , 23 )

• Forçage en situation initiale F / G3 : ( init )

• Figeage ou arrêt dans l’état F / G : ( * )

• Désactivation de toutes les étapes F / G : ( )


GRAFCET de Conduite

GRAFCET de Production Normale

GRAFCET de Sûreté

F / G.. : ( …. )


3.2.4 : Codage d'un Grafcet

3.2.4.1 – Présentation du système étudié

La partie opérative est constituée d’un chariot de machine-outil. Ce chariot se déplace horizontalement vers la gauche (actionneur GAUCHE) ou vers la droite (actionneur DROITE) entre deux butées gauche (fdcg) et droite (fdcd).Deux boutons poussoirs permettent de commander le chariot, marche (m) et arrêt (a).

CHARIOT

m a

fdcg

fdcd

GAUCHE DROITE

Le chariot étant à l’origine sur sa butée gauche (fdcg), un appui, même fugitif, sur le bouton marche (m) provoque le départ vers la droite (DROITE) de celui-ci. L’arrivée du chariot sur sa butée droite (fdcd) provoque son retour vers la gauche (GAUCHE).

Le chariot doit faire des allers-retours en permanence, jusqu’à ce qu’un appui, même fugitif, intervienne sur le bouton d’arrêt (a).

Le chariot termine alors son cycle et s’arrête sur la butée gauche (fdcg).

3.2.4.2 – Établissement du Grafcet sans prise en compte du bouton poussoir a (arrêt)



3.2.4.3 – Algorithme du Grafcet

Début// Etape 0FaireTant Que Bouton Poussoir (m) non activé// Etape 1Faire

Aller vers la droite (DROITE)Tant Que Fin de Course (fdcd) non activé// Etape 2Faire

Aller vers la droite (GAUCHE)Tant Que Fin de Course (fdcg) non activé

Fin

3.2.4.4 – Codage du Grafcet

void Commande::Commander (void)Pia *Pia1 = new Pia(0xA48);Pia1->EcrireSortie(2,0) // Ne pas Aller vers la droite (DROITE)Pia1-> EcrireSortie (6,0) // Ne pas Aller vers la gauche (GAUCHE)while (1)

// Etape 0do

while (Pia1->LireEntree(5) == false) // Attente appui sur BP m

// Etape 1do

Pia1-> EcrireSortie (2,1) // Aller vers la droite (DROITE)Pia1-> EcrireSortie (6,0) // Ne pas Aller vers la gauche (GAUCHE) while (Pia1->LireEntree(3) == false) // Attente appui sur fdcd

// Etape 2do

Pia1-> EcrireSortie (6,1) // Aller vers la gauche (GAUCHE)Pia1-> EcrireSortie (2,0) // Ne pas Aller vers la droite (DROITE) while (Pia1->LireEntree(1) == false) // Attente appui sur fdcg



Chapitre 5La Régulation

1 . Présentation

1.1 – Définitions

La régulation regroupe l'ensemble des techniques utilisées visant à contrôler une grandeur physique.

Exemples de grandeur physique : Pression, température, niveau etc...

• La grandeur réglée : C'est la grandeur physique que l'on désire contrôler. Elle donne son nom à la régulation. (exemple : régulation de température).

• La consigne : C'est la valeur désirée que doit avoir la grandeur réglée. (exemple : 20°C).• La grandeur réglante : C'est la grandeur physique qui a été choisie pour contrôler la

grandeur réglée. (exemple : une tension).• Les grandeurs perturbatrices : Ce sont les grandeurs physiques susceptibles d'évoluer au

cours du processus et d'influencer la grandeur réglée. (exemple : température extérieure).

1.2 – Principe de fonctionnement

Pour réguler un système physique, il faut :

• Mesurer la grandeur réglée avec un capteur.• Réfléchir sur l'attitude à suivre : c'est la fonction du régulateur. Le régulateur compare la

grandeur réglée avec la consigne et élabore le signal de commande.• Agir sur la grandeur réglante par l'intermédiaire d'un organe de réglage.

On peut représenter une régulation de la manière suivante (schéma fonctionnel) :

Chapitre 5 : La Régulation Page 1 / 15


1.3 – Influence de la régulation

• La bonne régulation amène une plus grande précision sur la grandeur réglée, permettant une diminution de la consigne pour un fonctionnement à la limite.

• On reconnaît une bonne régulation par sa capacité à accélérer le système sans entraîner de dépassement de la consigne.

Exemple :

1.4 – Régulation ou Asservissement

• Dans une régulation, on s'attachera à maintenir constante la grandeur réglée d'un système soumis à des perturbations.

• Dans un asservissement, la grandeur réglée devra suivre au plus près les variations de la consigne.

1.5 – Fonctionnement en Boucle Ouverte (BO)

• On parle de fonctionnement en boucle ouverte quand on n'utilise pas la mesure de la grandeur réglée. Ce n'est pas une régulation.

1.6 – Fonctionnement en Boucle Fermée (BF)

• C'est le fonctionnement normal d'une régulation.

• La mesure de la grandeur réglée permet de mesurer son écart avec la consigne et d'agir en conséquence pour s'en rapprocher.

2 . Représentation des Régulations

2.1 – Schéma fonctionnel

• Le schéma fonctionnel tente de représenter les relations entre les différentes grandeurs physiques des boucles de régulation. Il sera composé uniquement de 4 éléments : Ligne de parcours d'une grandeur physique, bloc fonctionnel , Soustracteur et Sommateur.



2.2 – Schéma TI (Tuyauterie Industrielle)

• La norme NF E 04-203 définit la représentation symbolique des régulations, mesures et automatisme des processus industriels.

• Les instruments utilisés sont représentés par des cercles entourant des lettres définissant la grandeur physique réglée et leur (s) fonction (s).

• La première lettre définie la grandeur physique réglée, les suivantes la fonction des instruments.

Grandeur Réglée Lettre Fonction Lettre

Pression P Indicateur I

Température T Transmetteur T

Niveau L Enregistreur R

Débit F Régulateur C

Analyse A Capteur E

Tension E

Courant I



3 . Caractéristiques d'un procédé (process)

3.1 – Stabilité d'un système

• Un procédé est dit naturellement stable si à une variation finie de la grandeur réglante E correspond une variation finie de la grandeur réglée S. Exemple : Température dans une pièce.

• Un procédé est dit naturellement instable si à une variation finie de la grandeur réglante E correspond une variation continue de la grandeur réglée S.

• Un procédé est intégrateur, si pour une entrée E constante, la sortie S est une droite croissante. Si un procédé est intégrateur, il est instable. Exemple : Niveau dans une cuve.

3.2 – Régime transitoire et régime permanent

• On dit que le système fonctionne en régime permanent, si l'on peut décrire son fonctionnement de manière « simple ».

• Dans le cas contraire, on parle de régime transitoire.

3.3 – Caractéristiques statiques

• La caractéristique statique est la courbe représentative de la grandeur réglée S en fonction de la grandeur réglante E : S = f(E).

• Si le système est naturellement stable, le gain statique Gs est le rapport entre la variation de la grandeur réglée S et la variation de la grandeur réglante E. Gs = ΔS / ΔE.

• Si le système est stable, l'erreur statique Es est la différence entre la consigne W et la mesure de la valeur réglée X. Es = W – X.

• Un système est linéaire si on peut décrire son fonctionnement à l'aide d'équations mathématiques linéaires.



3.4 – Caractéristiques dynamiques

• Temps de réponse : C'est l'aptitude du système à suivre les variations de la grandeur réglante. Dans le cas d'un échelon de la grandeur réglante, la croissance de la grandeur réglée définit les différents temps de réponse. Dans l'exemple ci-dessous, on mesure les temps de réponses à ±5% qui est égal à t1-t0.

• Dépassement : Le premier dépassement permet de qualifier la stabilité d'un système. Plus celui-ci sera important, plus le système sera proche de l'instabilité. Dans certaines régulations, aucun dépassement n'est toléré. Dans l'exemple ci-dessus le premier dépassement est de 14 %.

4 . Les régulateurs (Correcteurs)

4.1 – Régulateur Tout Ou Rien (TOR)

• Son fonctionnement se caractérise par deux états possibles pour la commande. Celui qui correspond à la commande maximale (100 %), ou celui qui correspond à la commande minimale (0 %).

• Un seuil limite la fréquence de commutation du système pour éviter une fatigue prématurée des organes de réglages.



• Le réglage du régulateur se fait à l'aide de deux paramètres :

– La consigne W, fournie en unité de mesure ;– Le seuil DIFF, donné généralement en % de la consigne.

Comme le montre la figure ci-dessous, la grandeur réglée oscille autour du point de fonctionnement. Compte tenu de l'inertie du système, la valeur absolue de l'erreur |W-X| dépasse Diff.

Remarques : Sauf exception, la mesure ne peut pas être constante dans ce type de régulation. Le système est en régime d'instabilité entretenue.

La valeur du seuil influe sur la fréquence des permutations et l'amplitude de la variation de la grandeur mesurée. Plus le seuil est faible, plus la fréquence est élevée, moins l'amplitude est grande. Une augmentation de la fréquence réduit d'autant la durée de vie de l'organe de réglage.



4.2 – Régulateur Proportionnel Intégral Dérivé (PID)

4.2.1 : Action Proportionnelle (P)

• La commande Y du régulateur est proportionnelle à l'erreur (W-X), ceci dans la mesure du possible (Y ne peut être négatif, ou d'une valeur supérieure à 100%).

• Ainsi, dans la partie proportionnelle, on a :

Y=Kp . W−X avec Kp le gain proportionnel

et Y=

W−X

Xp

avec Xp (ou BP) la bande proportionnelle

• La consigne W, la mesure X et la bande proportionnelle Xp, s'exprime en % de la pleine échelle. On peut exprimer le gain proportionnel Kp = 100 / BP% = 100 / Xp%

Influence de la bande proportionnelle en régime statique

• On trace la caractéristique statique du système ainsi que la commande en fonction de la mesure sur le même graphe.

• Le point de fonctionnement correspond à l'intersection de ces deux courbes.



• On s'aperçoit alors graphiquement que plus la bande proportionnelle est petite (plus le gain est grand), plus l'erreur en régime permanent est petite. Dans le graphe ci-dessus, BP1 < BP2.

• Quand BP (Xp) diminue ou quand Kp augmente alors l'erreur statique diminue.

Influence de la bande proportionnelle en régime dynamique

• Plus la bande proportionnelle BP (Xp) est petite, plus le temps de réponse du système est petit. En effet, pour la même erreur, la puissance fournie est plus importante qu'avec une bande proportionnelle plus importante.

• Si la bande proportionnelle se rapproche de 0, le système devient instable. En effet, un fonctionnement en T.O.R. correspond à une bande proportionnelle nulle.

4.2.2 : Action Intégrale (I)

• On veut une action qui tend à annuler l'erreur statique.

• Cette fonction est remplie par l'opérateur mathématique : intégral par rapport au temps. Ainsi, dans un régulateur, on définie l'action intégrale à partir d'un des deux paramètres Ti ou Ki avec (Ti est le temps intégral, définie en unité de temps. Ki le gain intégral) :

• En général, le régulateur ne fonctionne pas en action intégrale pure (trop instable). Il fonctionne en correcteur Proportionnel Intégral (PI).

• Comme le montre la figure suivante, quelle que soit la valeur de l'action intégrale, l'erreur statique est nulle (si le système est stable).

• Et plus Ti est petit plus le système se rapproche de l'instabilité.



4.2.3 : Action Dérivée (D)

• C'est une action qui amplifie les variations brusques de la consigne. Elle a une action opposée à l'action intégrale.

• Cette fonction est remplie par l'opérateur mathématique : dériver par rapport au temps. Ainsi, dans un régulateur, on définie l'action dérivé à partir du temps dérivé Td avec :

• Le régulateur ne fonctionne pas en action dérivé pure (trop instable). Il fonctionne en correcteur Proportionnel Intégral Dérivé (PID).

• On peut voir sur la figure suivante l’influence de l’action dérivée, plus Td est grand plus le système est rapide, plus le dépassement est faible .



4.2.4 : Résumé des actions des corrections PID

Action Paramètres Unité Influence

Proportionnelle Xp (1/Kp) % de l'étendue de mesure

(si Xp augmente ou si Kp diminue)

- La stabilité augmente- La rapidité diminue ;- La précision diminue.

Intégrale Ti Temps : s, min

(si Ti augmente)

- La stabilité augmente- La rapidité diminue ;- La précision reste parfaite.

Dérivée Td Temps

(si Td augmente)

- La stabilité augmente- La rapidité augmente ;- La précision ne bouge pas.

5 . Identification des procédés industriels


Il s'agit de déterminer, grâce à des essais expérimentaux, la fonction de transfert du système que l'on envisage d'asservir et dont la mise en équation est difficile. Les systèmes à identifier doivent être non oscillatoires en boucle ouverte.

Dans ce qui suit, on se limitera à la méthode de Victor Broïda dans le cas de systèmes non évolutifs.

5.2 – Modèle de Broïda

L'objectif est de déterminer la fonction de transfert en boucle ouverte du système étudié :

H p = Um p

Ur p

Avec Um : Grandeur à la sortie du système à modéliserUr : Grandeur à l'entrée du système à modéliser

Pour un système non évolutif, la fonction de transfert proposé par le modèle de Broïda est alors de la forme :

H p = UmpUr p =Gs .

e−τ.p

1ϴ.p

Gs : Gain statique du systèmeAvec θ : Constante de temps du système

τ : Retard pur du système aussi appelé temps mort

Remarque : La méthode de Broïda est précise tant que : ϴ4.τ



On relève le signal en sortie Um du système suite à un échelon d'entrée Ur :

On relève les valeurs de t1 et t2 pour atteindre respectivement 28 % et 40 % du signal de sortie puis on calcule :

ϴ=5,5. t2−t1 ;τ=2,8.t1−1,8.t2 ;Gs=ΔUm /ΔUr

6 . Réglage des régulateurs


En principe, le type de correcteur est choisit en fonction du rapport : τ /ϴ

Rapport : τ /ϴ Type de correcteur

τϴ≤0,05 TOR

0,05≤ τϴ≤0,1 P

0,1≤ τϴ≤0,2 PI

0,2≤ τϴ≤0,5 PID

τϴ≥0,5 Limite des PID

6.2 – Fonction de transfert du correcteur PID

Lorsque Ti >>Td alors on peut se ramener à la fonction de transfert suivante :

C p = SpEp =Kp .1

1Ti.pTd.p



6.3 – Réglage des correcteurs PID analogiques

Le réglage du correcteur à partir du modèle de Broïda est le suivant :

Type P PI PID

Kp < π .ϴ4.τ .Gs

π .ϴ4.τ .Gs

0,85.ϴτ .Gs

Ti > ↀ ϴ ϴTd < 0 0 0,4.τ

6.4 – Réglage des correcteurs PID numériques : Méthode de Takahashi

Cette méthode préconise un essai de juste instabilité en boucle fermée (BF) avec un correcteur proportionnel (P).

On augmente progressivement le gain Kp du correcteur proportionnel jusqu'à obtenir l'instabilité du système. On relève alors la période des oscillations Tosc ainsi que le gain critique Grc.

Sachant que l'asservissement est cadencé au rythme d'une horloge de période Te et que Ki = Te/Ti et Kd = Td/Te alors, on en déduit les réglages suivants :

Type PI PID

Kp Grc . Tosc−0,6.Te2,2.Tosc Grc . Tosc−Te1,6.Tosc

Ki Te0,45.Tosc−0,6.Te

Te0,5.Tosc−Te

Kd 0 Tosc2

8.Te.Tosc−Te

7 . Approche théorique des régulations

7.1 – Modélisation de la boucle d'asservissement

Au lieu de résoudre les équations différentielles avec les méthodes traditionnelles on va faire appel au calcul symbolique par l’intermédiaire de la transformée de Laplace. Pour cela, il suffit de déterminer les fonctions de transfert des différents éléments de la boucle d’asservissement.

C(p) Correcteur

F(p) Process

Consigne

Mesure

Vc Grandeur

Eps

Consigne-Mesure+

-

R(p) Capteur



Fonction de transfert en boucle fermée T(p) :

T(p) = Grandeur(p) / Consigne(p)Eps(p) = Consigne(p) - Mesure(p)Mesure(p) = R(p) . Grandeur(p)

Grandeur(p) = C(p) . F(p) . Eps(p) = C(p) . F(p) . ( Consigne(p) - Mesure(p) )Grandeur(p) = C(p) . F(p) . ( Consigne(p) - R(p) . Grandeur(p) )Grandeur(p) . ( 1 + C(p) . F(p) . R(p) ) = C(p) . F(p) . Consigne(p)

T p= Grandeur pConsigne p =

C p . F p1C p .F p .Rp

Si on considère que le retour est unitaire, on peut simplifier :

T p= MesurepConsignep=

C p .F p1C p . F p

7.2 – Précision (errreur statique) de la boucle d'asservissement

L'erreur statique εS correspond à l'écart entre la consigne et la mesure quand le temps t tend vers l'infini ou quand p tend vers 0 (régime permanent).

εS=Consigne−Mesure

On peut définir l'erreur statique relative εSr :

εSr=Consigne−Mesure

Consigne

En régime permanent, le process est équivalent à un gain Gs et le correcteur à un gain K. Donc on peut exprimer T(0) :

T 0=Mesure0

Consigne0

=K .Gs

1K .Gs

εSr=1−T 0=1

1K .Gs

Gs étant imposé par le système, on peut modifier l'erreur statique εSr en modifiant le gain K du régulateur. Et cette erreur εSr tend vers 0 si K tend vers l'infini.

7.2.1 : Cas du correcteur P

Pour minimiser l'erreur statique εSr, il suffit d'augmenter le gain Kp du régulateur. Par contre le système devient instable donc il faut faire un compromis entre l'erreur et la stabilité.

7.2.2 : Cas du correcteur PI

Avec ce type de correcteur, l'erreur statique εSr est nulle car celui-ci possède un gain K infini en régime permanent.



8 . Algorithmes des régulateurs


L'objectif de ce paragraphe est de déterminer l'algorithme du régulateur comprenant le correcteur et le comparateur. On se limitera aux correcteurs P et PI.

C(p) Correcteur

Consigne

Mesure

Eps

Consigne-Mesure+

-

Commande

8.2 – Correcteur P

Commande(t) = Kp . Eps(t)

L’algorithme à implanter est donc le suivant :

(Eps)n = (Consigne)n - (Mesure)n

(Commande)n = Kp . (Eps)n

8.3 – Correcteur PI

Commande(t) = Kp . [ Eps(t) + 1/Ti . ∫ Eps(t) . dt ]

8.3.1 : Méthode des rectangles

Il faut discrétiser l’intégrale ( ∫ Eps(t) . dt ) pour l’implanter sur un système numérique :

∫ Eps(t) . dt = H Σ (Eps)n = H (Eps)0 + H (Eps)1 +…+ H (Eps)n-1 + H (Eps)n = (INT1)n

(INT1)n = (INT1)n-1 + H (Eps)n

H ou Te, est la période correspondant à la fréquence d’échantillonnage.

On choisit la valeur de H (ou Te) en fonction du système a asservir (cf. théorème de Nyquist-Shannon).Cette valeur doit être inférieure ou égale à la constante de temps du système divisée par 2 :

H≤ϴ /2 .Chapitre 5 : La Régulation Page 14 / 15


Dans notre cas, H = ϴ / 5 avec ϴ constante de temps électromécanique du système.

donc :(Vc)n = Kp . ( (Eps)n + 1/Ti . (INT1)n )

on pose : (INT)n = 1/Ti . (INT1)n

L’algorithme à implanter est donc le suivant :

(Eps)n = (Consigne)n - (Mesure)n

(INT)n = H/Ti . (Eps)n + (INT)n-1 = Ki . (Eps)n + (INT)n-1

(Commande)n = Kp . ( (Eps)n + (INT)n )

8.3.2 : Méthode de la transformée en z

La fonction de transfert du correcteur (en p) C(p) = Vc(p) / eps(p) s’écrit :

C(p) = Kp . ( 1 + 1 / Ti . p )

On en déduit sa transformée en z :

C(z) = Kp . ( 1 + Ki . z / ( z – 1)) avec Ki = H / Ti

On peut mettre cette fonction de transfert en z sous la forme :

C(z) = Kp . ( 1+ Ki . 1 / ( 1 – z-1))

On en déduit la relation :

Commande(z) (1 - z-1 ) = Kp . ( 1 – z-1 + Ki ) . eps(z)Commande (z) (1 - z-1 ) = Kp . (1+ Ki) . eps(z) - Kp . z-1 . eps(z)

Ce qui donne la relation entre les échantillons :

(Eps)n = (Consigne)n – (Mesure)n

(Commande)n = (Commande)n-1 + Kp.(1+ Ki).(eps)n – Kp.(eps)n-1



Chapitre 6Le Bus VME (Versa Module Eurocard)

1 . Généralités

Le VME (Versa Module Eurocard) est une structure de bus pour les systèmes 8, 16 et 32 bits qui s’est imposé comme un standard du marché.

Il se présente sous la forme d’un ou de deux circuits imprimés multicouches fixés au fond d’un châssis (châssis VME) formant ainsi le fond de panier (backplane) sur lesquels sont soudés des connecteurs.

Les connecteurs possèdent 3 rangées de 32 broches, soit 96 lignes électriques. Le châssis VME possède des emplacements (slots) permettant d’enficher les cartes à connecteurs sur le bus.

Le bus VME est implanté sur des cartes au format double Europe, aux normes mécaniques Din 41612 et Din 41494. Électriquement, il se répartit sur deux connecteurs P1 et P2 de 96 broches chacun.

C’est un bus multiprocesseur permettant à plusieurs cartes maîtresses de partager des ressources communes (mémoire, entrées sorties) suivant une priorité d’accès parallèle ou tournante.

Chapitre 6 : Le Bus VME Page 1 / 6


2 . Structure du bus VME

2.1 – Les différents formats de cartes

2.2 – Connecteur P1

Le connecteur P1 dispose d’un bus de données de 16 bits, d’un bus d’adresse de 24 bits et de diverses lignes d’alimentation et de contrôle En plus du bus parallèle, le VME possède un canal de communication série qui assure, en fonctionnement multiprocesseur, des échanges de signaux de service et d’alarme.Le connecteur P1 dispose de tous les signaux nécessaires à la conception d’un système 16 bits.

2.3 – Connecteur P2

Le connecteur P2 contient les lignes d’extension à 32 bits des bus de données et d’adresses.Il dispose aussi du bus VMX, permettant la connexion d’un maximum de 6 cartes à un maître. Ce bus assure des transferts rapides entre maître et cartes périphériques sans passer par le bus commun multimaître. Le bus VMX est une extension du bus local de chaque maître.

3 . Les cartes mezzanines


Les cartes mezzanines, appelées aussi cartes filles (ou parfois modules piggy back) sont des cartes électroniques reliées à une carte mère par le biais d'un connecteur implanté directement sur cette dernière.Par extension, on appelle bus mezzanine l'ensemble des spécifications qui fixent les aspects mécaniques (notamment la connectique) et électriques qui régissent les communications entre carte mère et carte fille.

3.2 – Les différents types de modules mezzanines

Il existe trois grands types de modules mezzanines :

• M-Module ;• IP-Module (Industry Pack);• PMC (PCI Mezzanine Card).



Remarque : Le module PMC a une taille deux fois plus grande que les modules IP ou M.

3.3 – Exemple d'adressage de M-Modules

On utilise ici une carte mère VME format double europe (6U) de type A201S.

L’adresse de base de cette carte (codé sur 24 bits) est configurable à l’aide de 2 commutateurs 8 bits S1 et S2, comme le montre le schéma ci-dessous.

La carte A201S occupe 0x800 octets et chaque M-Module occupe 0x200 octets. L’adresse de chaque M-Module est donnée par :

Module_Adresse = A201S_Adresse + Module_Numéro * 0x200

3.4 – Caractéristiques dynamiques

• Temps de réponse : C'est l'aptitude du système à suivre les variations de la grandeur réglante. Dans le cas d'un échelon de la grandeur réglante, la croissance de la grandeur réglée définit les différents temps de réponse. Dans l'exemple ci-dessous, on mesure les temps de réponses à ±5% qui est égal à t1-t0.

• Dépassement : Le premier dépassement permet de qualifier la stabilité d'un système. Plus celui-ci sera important, plus le système sera proche de l'instabilité. Dans certaines régulations, aucun dépassement n'est toléré. Dans l'exemple ci-dessus le premier dépassement est de 14 %.



4 . Transfert de données

Le transfert des données s’effectue par l’intermédiaire des lignes suivantes :

Ligne Connecteur RôleD0-D15 P1 Bus de données 16 bits – poids faibleD16-D32 P2 Bus de données 16 bits – poids fortA1-A24 P1 Bus d’adresseA24-A31 P2 Bus d’adresse 8 bits - poids fort

/AS P1 Adress Strobre – validation @DTACK P1 Data Acknowledge – accusé de données

DS0 P1 Data Strobe 0, validation de D0-D7DS1 P1 Data Strobe 1, validation de D8-D15

WRITE P1 EcritureAM0-AM5 P1 Adress ModifierLWORD P1 Long mot, accès à un long mot/BERR P1 Bus Error

/SERDAT P1 Serial DataSERCLK P1 Serial Clock

5 . Arbitrage de l'accès au bus


Un bus VME peut comprendre plusieurs maîtres. Un maître doit accéder au bus pour initier un transfert de données ou pour obtenir l’acquittement lors d’une demande d’IT. Il est donc nécessaire de gérer l’accès au bus pour éviter que plusieurs cartes maîtres n’accèdent simultanément au bus.Les informations d’arbitrage du bus concernent les lignes suivantes :

Ligne Connecteur RôleBR3-BR0 P1 Demande de prise de bus

BG3in-BG0in P1 Affectation du bus (entrées)BG3out-BG0out P1 Affectation du bus (sorties)

BCLR P1 Remise à zéro du busBBSY P1 Occupation du bus

Une carte maître demande l’accès au bus en activant l’information BRx. L’accès au bus est autorisé lorsque l’information BGx est activée.Lorsque la carte maître reçoit l’autorisation d’accès, elle valide l’information BBYx pour signaler qu’elle utilise le bus. Il peut être demandé à la carte ayant l’accès au bus de le libérer par l’activation de la ligne BCLR.



5.2 – Options d'arbitrage

5.2.1 : Généralités

Pour éviter l’accès simultané de plusieurs maîtres, il faut planifier les demandes d’accès BRx. Cette opération est réalisée par l’arbitre de bus qui se trouve dans une fonction de supervision.L’arbitre de bus reçoit les demandes d’accès au bus par les lignes BRx et attribut l’autorisation en validant une des informations BGx.

Il existe trois options d’arbitrage sur le bus VME :

5.2.2 : Arbitrage PRI « Priority »

Affectation du bus au demandeur le plus prioritaire. Cette demande se fait à l’aide de 4 lignes de priorité fixe : /BR3, /BR2, /BR1 et /BR0 avec /BR3 la ligne de priorité la plus élevée et /BR0 la ligne de priorité la moins élevée.

Pour les demandeurs qui se partagent une ligne de demande commune, la priorité est basée sur l’emplacement de la carte (cf. « Daisy-Chain »).

5.2.3 : Arbitrage RRS «Round Robin Select»

Affectation du bus selon un système de priorité circulaire. La demande est faite sur les lignes /BR3, /BR2, /BR1 et /BR0 .

5.2.4 : Arbitrage ONE «Un seul niveau»

Ne satisfait que les demandes émises sur /BR3 et détermine les priorités suivant le principe de « Daisy-Chain ».

5.3 – Structure Daisy-Chain (Guirlande)

Outre le système de priorité utilisé pour l’arbitrage du bus, un second système de priorité est incorporé dans le bus lui-même.Les signaux d’affectation des bus sont connectés en « Daisy-Chain » de telle manière que les demandeurs qui se partagent une ligne de demande commune aient des priorités basées sur l’emplacement de la carte. Le demandeur le plus proche du logement 1 a la priorité la plus élevée.

ARBITREMAITRE

1MAITRE

2

/BRx

/BGx /BGxIN

/BRxOUT /BRxIN

/BGxOUT

Pour l’option ONE, le « Daisy-Chain » se fait uniquement sur /BR3.Chapitre 6 : Le Bus VME Page 5 / 6


Cette structure permet l’utilisation d’un système de priorité à deux niveaux pour l’accès au bus VME. L’emplacement le plus proche de l’arbitre (emplacement 1) a la priorité la plus élevée alors que le plus distant a la priorité la moins élevée.

A cause de cette structure, l’arbitre doit se trouver en l’emplacement A1 (le premier). En fait, l’arbitre commande les broches /BGxIN (Bus Grant) à l’emplacement 1.

Chacune des lignes de demandes rentrent dans un emplacement déterminé sur les broches /BGxIN et quitte l’emplacement sur les broches /BgxOUT.

Si un logement ne contient pas de carte, les signaux d’affectation du bus doivent être détournés de ce logement au moyen d’un cavalier (/BGxIN reliées à /BGxOUT)

6 . Gestion des interruptions

La gestion des interruptions s’effectue par l’intermédiaire des lignes suivantes :

- Sept lignes de demande d’interruption /IRQ7 à /IRQ1;- Une ligne d’acquittement de l’interruption /IACK;- Deux lignes /IACKIN et /IACKOUT qui établissent une priorité sérielle de la prise en compte des demandes d’interruption « daisy-chain ».



Chapitre 7Le Bus GPIB (IEEE 488)

Étude d'un filtre passe-bas

1 . Introduction

Nous allons aborder le domaine de l’instrumentation.

Dans un premier temps nous allons rappeler comment on relève de façon expérimentale la fonction de transfert d’un filtre électronique de type passe-bas.

Ensuite, nous étudierons la façon dont on peut automatiser les mesures à l'aide d'un bus d'instrumentation GPIB (IEEE 488).

2 . Relevé de la fonction de transfert d'un filtre passe-bas

2.1 – Principe de la mesure

On applique une tension sinusoïdale à l’entréedu filtre (à l’aide d’un GBF) et on relève la tension de sortie (à l’aide d’un voltmètre).

F0 = 1 / 2πRC

On fait varier la fréquence de Fmin à Fmax et on calcule le gain G pour chaque valeur de F.

T = Vs/Ve Gdb = 20 log(| Vs| /|Ve| )

2.2 – Mode opératoire : Algorithme de niveau 1

DébutInitialisation GBF // Ve, sinus, Fmin Initialisation Voltmètre // Calibre

Tant Que la fréquence du GBF est inférieure à Fmax Faire

Fin FaireFin Tant QueTracer la courbe à partir du tableau

Fin

Chapitre 7 : Le Bus GPIB (IEEE 488) Page 1 / 6

Freq(Hz)F0 FmaxFmin


2.3 – Algorithme de niveau 2

Liste des actions

Voltmètre_ON // Mise sous tension VoltmètreGBF_ON // Mise sous tension GBFGBF_regler_Ve( valeur )GBF_regler_freq ( valeur )GBF_régler_forme_signal ( forme ) // forme : carré, sinus

// triangle Vs Voltmètre_mesurer_VsTracer_courbe ( Freq, Vs)

Déclarations et Initialisations des variables

TableauFreq [TAILLE ] TableauVs [TAILLE] FreqPas 50 HzFmin 50 HzFmax 1000 Hz Freq FminNbPoints 0

Algorithme niveau 2DebutVoltmètre_ONGBF_ON GBF_regler_forme_signal ( sinus )GBF_regler_Ve ( 1 );GBF_regler_freq ( Freq )Tant Que Freq < Fmax faire

Fin Tant QueTracer_courbe ( Freq, Vs)Fin

2.4 – Constatations

Nous avons décrit par un algorithme le mode opératoire qui permet de relever Vs=f ( Freq ). Pour tester un autre filtre, il faudra recommencer les mêmes opérations. Si l’on pouvait piloter à distance les instruments, il serait alors possible d’automatiser

l’expérimentation. Piloter un instrument ( Voltmètre ) <==> Envoyer des commandes puis récupérer les résultats

des mesures.



2.5 – Conclusion

Un bus d'instrumentation à été élaboré afin de pouvoir piloter à distance des appareils de mesure : Le bus GPIB ou IEEE 488.

Pour automatiser les mesures, il suffit de réaliser le banc de mesure suivant :

FILTRE PASSE BAS

GBF VVe

PC +

Carte contrôleur de bus

Vs

BUS IEEE 488

Description du banc de mesure :

– Le bus IEEE 488 va permettre de piloter les instruments depuis le PC

– Pour pouvoir piloter les instruments depuis le PC il va falloir implanter l’algorithme de niveau 2 sous forme de programme exécutable.

– Le codage de l’algorithme de niveau 2 peut se faire dans différents langages :

• Le C, C++, Le Basic, etc. ==> langages alphanumériques.• LABVIEW de National Instruments ==> langage graphique

3 . Le bus d'instrumentation GPIB (IEEE 488)

3.1 – Caractéristiques générales

Le bus IEE488 ou GPIB est un bus parallèle permettant de relier des appareils de mesure à un calculateur et possédant les caractéristiques principales suivantes :

• 15 appareils (élément connecté au bus) au maximum connectés ;

• Câblage en étoile ou en bus sur une longueur maximale de 20 m ;

• vitesse maximale de 1 Mo/s.



Trois fonctions sont définies sur le bus :

• La fonction contrôleur, en général assurée par un calculateur ou un micro-ordinateur, se charge de la gestion des transferts d’information sur le bus.

• La fonction parleur (talker) est affectée à un appareil à la fois par le contrôleur à un instant donné. Celui-ci envoie ses informations aux écouteurs.

• La fonction écouteur (listener) est attribuée à un ou plusieurs appareils par le contrôleur.

Les échanges peuvent être effectués en mode commande (le contrôleur commande les appareils et désigne le parleur et les écouteurs) ou en mode transfert d’informations (le parleur envoie ses informations vers les écouteurs)

3.2 – Description physique

Le bus est physiquement constitué par l’ensemble des câbles de liaison qui transportent les informations d’un appareil à l’autre dans n’importe quel sens. Il s’agit d’un câblage passif de seize lignes, une masse logique, cinq blindages partiels et un blindage général.

3.3 – Adressage des appareils

Chaque appareil possède au minimum une adresse d’écouteur (Listener) ou de parleur (Talker), celle-ci est configurée matériellement (commutateurs) ou logiciellement.

L'adressage des appareils peut être assuré sur deux niveaux, primaire et secondaire. A l'adresse primaire correspond une « fonction simple » mais si celle-ci est « étendue », elle bénéficiera d'un second niveau d'adressage (secondaire).

Le système comporte ainsi 31 adresses primaires et autant de secondaires. C'est au contrôleur actif qu'il revient d'adresser les appareils.

Il est évident que si des appareils se voient attribuer une adresse commune, ils seront activés en même temps.


BUS DE DONNEES

BUS DE SYNCHRONISATION

BUS DE CONTROLE

CONNECTEUR GPIB


3.4 – Les messages

Les messages transitent sur le bus GPIB ou IEEE 488. Un message est une chaine de caractères.

Les messages sont transmis octet par octet. Il existe deux types de message :

• message de programme = une commande : Contrôleur Instrument

• message de réponse : Instrument Contrôleur

3.5 – Quelques commandes standards

La norme IEEE 488.2 met en place un certain nombres de commandes standards acceptées par tous les appareils. Certaines commandes sont obligatoires, d’autres optionnelles.

Remarque : Une commande standard est toujours précédée du caractère *. Une commande qui se termine par le caractère ? nécessite une réponse.

*IDN ?

IDeNtification query : Demande à l'instrument de s'identifier par l'envoi d'un message standard, constitué de quatre champs séparés par des virgules :• Champ 1 : fabricant Obligatoire,• Champ 2 : modèle Obligatoire,• Champ 3 : numéro de série ASCII "0" si non disponible (48 décimal),• Champ 4 : révision du programme ASCII "0" si non disponible (48 décimal),

Par exemple, HEWLETT-PACKARD, 347A, 2221A01113, A1. La longueur maximale ne peut excéder 72 caractères.

*RST

ReSeT : Stoppe toutes les opérations en cours et réinitialise l’appareil dans un état prédéterminé.

*TST ?

Self TeST Query : Cette commande ordonne à l'instrument de lancer une procédure d'autotest. Le résultat peut varier de -32 767 à +12 767. Un zéro indique la bonne marche des opérations. La documentation renseignera l'utilisateur sur les causes d'une réponse non nulle.

*WAI

WAIt to continue : Cet ordre force l'appareil à attendre la fin des commandes qu'il a entreprises. Par exemple, lancer une opération de calibration, patienter jusqu'à sa fin par *WAI, puis lancer une mesure.

*CLS

CLear Status : Cet ordre remet à zéro le mot d'état ainsi que toutes les structures de données qui lui sont associées, comme l'Event status Register par exemple. Il initialise également tous les tampons, à l'exception de celui de sortie (Output Queue).



4 . Les commandes principales de 2 instruments

Oscilloscope TEKTRONIX TDS320

Commande algoniveau 2

Action Commande IEEE 488 Message réponse

Voltmètre_ON RAZ Instrument "*RST" Aucune

Voltmètre_ON Sélectionner le canal 1

"MEASUREMENT:MEAS1:SOURCE1 CH1"

Aucune

Voltmètre_ON Mesure de l'amplitude du

signal

"MEASUREMENT:IMMED:TYPE AMPLITUDE"

Aucune

Vs Volt_mesurer_Vs

Mesurer Vs "MEASUREMENT:IMMED:VALUE?"

Valeur mesurée

Générateur de fonctions ITT GX 1304

commande algoniveau 2

Action Commande IEEE 488

Message réponse

GBF_ON RAZ Instrument "*RST" Aucune

GBF_regler_Ve ( 1 Volt ) Fixer l'amplitude du signal à 1Volt

" MVPP 1" Aucune

GBF_régler_forme_signal (sinus)

Fixer la forme du signal = sinusoïde

"MAIN SIN" Aucune

GBF_regler_freq ( valeur ) Fixer la fréquence du signal à 100 Hertz

"MFRQ 100" Aucune

----------------------- Autoriser la sortie du signal "MAIN ON" Aucune



Chapitre 8Le Bus USB (Universal Serial Bus)

1 . Introduction

L'Universal Serial Bus (USB) est une norme relative à un bus informatique en transmission série qui sert à connecter des périphériques informatiques à un ordinateur. Le bus USB permet de connecter des périphériques à chaud et en bénéficiant du Plug and Play. Il peut alimenter certains périphériques en énergie, et dans sa version 2, il autorise des débits allant de 1,5 Mbit/s à 480 Mbit/s. La version 3 propose des débits jusqu'à 5 Gbit/s.

Le bus USB peut alimenter en énergie les périphériques, dans une certaine limite de courant consommé (500 mA max). Ceci est notamment mis à profit pour permettre la recharge d'appareils portables, pour lesquels on voit apparaître des adaptateurs secteur disposant d'une connectique USB limitée à l'alimentation électrique.

2 . Historique

L ’USB a été conçu au milieu des années 1990 afin de remplacer les nombreux ports externes d’ordinateurs lents et incompatibles. Différentes versions de la norme furent développées au fur et à mesure des avancées technologiques.

La première version de la norme, l'USB 1.0, voit ses spécifications publiées en 1996. En 1998 la version USB 1.1 lui apporte des corrections. Deux vitesses de communication sont possibles dans ces normes : 1,5 Mbit/s (faible vitesse, ou Low Speed), et 12 Mbit/s (soit 1.5 Mo/s) (pleine vitesse ou Full Speed).

En 2000 sort la version USB 2.0 qui ajoute des communications à 480 Mbit/s ( haute vitesse ou High Speed) (soit 60 Mo/s). En 2005, le Wireless USB Promoter Group publie les spécifications d'une version sans-fil de l'USB : le Wireless USB.

En 2008 c'est au tour de l'USB 3.0 de voir ses spécifications publiées. Elle introduit les communications à 4,8 Gbit/s (soit env. 600 Mo/s) (vitesse supérieure ou SuperSpeed ). Les nouveaux périphériques disposeront de connexions à 8 contacts au lieu de 4, mais la compatibilité ascendante des prises et câbles avec les versions précédentes est assurée. L'introduction de l'USB 3 dans des produits grand public a commencé début 2010.

3 . Spécification techniques

3.1 – Caractéristiques générales

L'Universal Serial Bus est une connexion à haute vitesse qui permet de connecter des périphériques externes à un ordinateur (hôte dans la terminologie USB). Il permet le branchement simultané de 127 périphériques par contrôleur (hôte).

Le bus autorise les branchements et débranchements à chaud (« Hot-Plug », sans avoir besoin de redémarrer l’ordinateur) et fournit l’alimentation électrique des périphériques sous 5 V, dans la limite de 500 mA.

Chapitre 8 : Le Bus USB Page 1 / 4


Le bus possède une topologie arborescente (dite également en étoile) : les feuilles de cet arbre sont les périphériques; les nœuds internes sont des hubs qui permettent de greffer des sous-arborescences dans l'arborescence principale.

On trouve dans le commerce ces hubs sous forme de petits boîtiers alimentés soit sur le bus, soit sur le secteur, et qui s'utilisent comme des multiprises. Certains périphériques intègrent également un hub (moniteurs, claviers...). Cependant, tout bus USB possède au moins un hub situé sur le contrôleur : le hub racine, qui peut gérer les prises USB de l'ordinateur. Le nombre de hubs connectés en cascade est limité : hub racine compris, il ne doit pas exister plus de 7 couches dans l'arborescence.

La version 1.x du bus peut communiquer dans deux modes : lent (1,5 Mbit/s) ou rapide (12 Mbit/s, soit 1,5 Mo/s) :

– le mode lent (« Low Speed ») permet de connecter des périphériques qui ont besoin de transférer peu de données, comme les claviers et souris ;

– le mode rapide (« Full Speed ») est utilisé pour connecter des imprimantes, scanners, disques durs, graveurs de CD et autres périphériques ayant besoin de plus de rapidité. Néanmoins il est insuffisant pour beaucoup de périphériques de stockage de masse (ce mode permet la vitesse « 10 X » des CD).

USB 2.0 introduit un troisième mode permettant de communiquer à 480 Mbit/s (soit 60 Mo/s). Ce mode est appelé « high Speed ». Il est utilisé par les périphériques rapides : disques durs, graveurs... Mais en 2009, la plupart des périphériques ont une vitesse inférieure à ce que permet l'USB 2.0.

La dernière version, l’USB 3.0, comporte un quatrième mode (« Super Speed ») permettant de communiquer à 4,8 Gbit/s (soit 600 Mo/s). Les premiers appareils commercialisés sont prévus pour 2010.

Lorsque l’on parle d’un équipement USB, il est nécessaire de préciser la révision de la norme (1.1 ou 2.0) mais également la vitesse (Low, Full ou High Speed). Une clef USB spécifiée en USB 2.0 n’est pas forcément High Speed si cela n’est pas précisé par un logo « High Speed ».

3.2 – Connectique et caractéristiques électriques

L ’architecture USB a pour caractéristique de fournir l’alimentation électrique aux périphériques en utilisant pour cela un câble composé de quatre fils (la masse GND, l’alimentation VBUS et deux fils de données appelés D- et D+). Les fils D+ et D- forment une paire torsadée et utilisent le principe de la transmission différentielle afin de garantir une certaine immunité aux bruits parasites de l’environnement physique du périphérique ou de son câble.

De base, le bus USB ne permet pas de relier entre eux deux périphériques ou deux hôtes : le seul schéma de connexion autorisé est un périphérique sur un hôte.

Pour éviter des branchements incorrects, la norme spécifie deux types de connecteurs : le type A, destiné à être situé sur l'hôte, et le type B, destiné à être situé sur le périphérique. Un hub peut comporter à la fois un connecteur B, qui permet de le relier à l'hôte, et des connecteurs A, qui permettent d'y relier des périphériques. Les appareils (hôte et périphériques) sont équipés de connecteurs femelles. Les câbles de connexion ont toujours une extrémité de type A mâle, et une extrémité de type B mâle, ce qui garantit le respect de la topologie du bus. Il peut aussi exister des câbles de prolongation équipés de connecteurs de même type mais de genres différents.



Au départ il existait donc quatre connecteurs, pour deux types et deux genres. Par la suite, devant le développement d'appareils compacts, une version miniature du connecteur B a été spécifiée. Elle est fonctionnellement équivalente au connecteur B, mais de dimensions nettement réduites.

La version 2 de la norme a introduit connecteur mini-AB, utilisé dans le cadre de l'extension « On-The-Go », qui permet à certains appareils compatibles de jouer selon les cas, soit le rôle d'hôte, soit le rôle de périphérique.

Le brochage des connecteurs est le suivant :

Fonction Couleur Numéro de broche pour les types A et B

Numéro de broche pour le type mini B

Alimentation +5V (VBUS) 500 mA maximum

Rouge 1 1

Données (D-) Blanc 2 2

Données (D+) Vert 3 3

Masse (GND) Noir 4 5

3.3 – Protocole

La bande passante est partagée temporellement entre tous les périphériques connectés. Le temps est subdivisé en trames (frames) ou microtrames (microframes) pendant lesquels plusieurs transferts peuvent avoir lieu.

La communication entre l’hôte (l’ordinateur) et les périphériques se fait selon un protocole basé sur l'interrogation successive de chaque périphérique par l'ordinateur. Lorsque l’hôte désire communiquer avec un périphérique, il émet un jeton (un paquet de données, contenant l’adresse du périphérique, codée sur sept bits) désignant un périphérique. Si le périphérique reconnait son adresse dans le jeton, il envoie un paquet de données (de 8 à 255 octets) en réponse.

Les données ainsi échangées sont codées selon le codage NRZI. Puisque l’adresse est codée sur 7 bits, 128 périphériques peuvent être connectés simultanément à un port de ce type. Il convient en réalité de ramener ce chiffre à 127 car l’adresse 0 est une adresse réservée.

USB définit quatre types de transferts :



– transfert de commande, utilisé pour l'énumération et la configuration des périphériques. Il convient pour des données de taille restreinte ; il y a garantie de livraison (renvoi des paquets erronés) ;

– transfert d’interruption, utilisé pour fournir des informations de petite taille avec une latence faible. Ce ne sont pas des interruptions au sens informatique du terme : le périphérique doit attendre que l’hôte l’interroge avant de pouvoir effectuer un tel transfert. Ce type de transfert est notamment utilisé par les claviers et les souris ;

– transfert isochrone, utilisé pour effectuer des transferts volumineux (bande passante garantie), et en temps réel. Il n'y a par contre pas de garantie sur l'acheminement des données. Ce type de transfert est utilisé pour les flux audio et vidéo ;

– transfert en masse (bulk), utilisé pour transférer des informations volumineuses, avec garantie d'acheminement, mais sans garantie de bande passante. Ce type de transfert est utilisé par les dispositifs de stockage.

Il est possible de structurer la communication entre un hôte et un périphérique en plusieurs canaux logiques ( pipes et endpoints) pour simplifier la commande du périphérique.

3.4 – Connexion à chaud et Plug and Play

Les ports USB supportent la connexion à chaud et la reconnaissance automatique des dispositifs ( Plug and Play). Ainsi, les périphériques peuvent être branchés sans éteindre l’ordinateur.

Lors de la connexion du périphérique à l’hôte, ce dernier détecte l’ajout du nouvel élément grâce au changement de la tension entre les fils D+ et D-. À ce moment, l’ordinateur envoie un signal d’initialisation au périphérique pendant 10 ms, puis lui fournit du courant grâce aux fils GND et VBUS (jusqu’à 100 mA). Le périphérique est alors alimenté en courant électrique et peut utiliser temporairement l’adresse par défaut (l’adresse 0). L ’étape suivante consiste à lui fournir son adresse définitive et à obtenir sa description : c’est la procédure d’énumération. En effet, après avoir reçu son adresse, le périphérique transmet à l'hôte une liste de caractéristiques qui permettent à ce dernier de l'identifier (type, constructeur, nom, version). L ’hôte, disposant de toutes les caractéristiques nécessaires est alors en mesure de charger le pilote approprié.

Les périphériques sont regroupés en types ou classes dans la terminologie USB. Tous les dispositifs d'une classe donnée reconnaissent le même protocole normalisé. Il existe par exemple une classe pour les périphériques de stockage de masse ( mass storage class, MSC), implémentée par la quasi-totalité des clés USB, disques durs externes, appareils photo et par certains baladeurs. La plupart des systèmes d’exploitation possèdent des pilotes génériques, pour chaque type de périphérique. Ces pilotes génériques donnent accès aux fonctions de base, mais des fonctions avancées peuvent manquer.

4 . Norme « On-The-Go »

La norme USB 2.0 s’est enrichie d’une fonctionnalité appelée On-The-Go (OTG) pour pouvoir effectuer des échanges de données point à point entre deux périphériques sans avoir à passer par un hôte (généralement un ordinateur personnel). Un périphérique OTG peut se connecter à un autre périphérique OTG, à un périphérique (non OTG) ou à un hôte.

Dans le cas d’une connexion OTG-OTG, c’est la position du connecteur du câble sur la prise mini AB, à chaque extrémité, qui va permettre de déclarer lequel des deux périphériques OTG va être l’hôte. Ensuite, il peut se produire un renversement des rôles suite à une étape de négociation entre les deux systèmes OTG (protocole HNP) .

Les applications de cette technologie sont par exemple la connexion directe d’un appareil photo avec une imprimante, la connexion d’un mobile avec un lecteur MP3...


ARCHITECTURE MATERIELLE DES SYSTEMES … · Les bus industriels : Chapitre 6 : Le bus VME Chapitre...

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