D V AL’AIDE - lec-umc.org · PDF fileMémoire Présenté en vue de...

الجمـھوریــة الجزائریــة الدیمقراطیــة الشعبیــةREPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

……………………………………………………………………….………………………………………………………………

N° d’ordre : ….Série : ….

MémoirePrésenté en vue de l’obtention du

Diplôme de Master en Electrotechnique

OptionElectrotechnique

Thème

DECODEURDE VITESSE A L’AIDED’ARDUINO

Présenté par:BOUCHOUKH FAYSSAL

Encadreur:DR. MEHAZZEM FATEH

Promotion 2013/2014

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LARECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE CONSTANTINE I

FACULTE DES SCIENCES DE LATECHNOLOGIE

DEPARTEMENT : ELECTROTECHNIQUE

يـث العلمــي و البحــم العالــوزارة التعلی

1ةـــــــــة قسنطینـــــــجامع

اكلـیــة علوم التكنولوجی

يالكتروتقن:قسم

i

Dédicace

A ma très chère mère.

A mon très cher père.

A mes frères et à mes sœurs.

A tous mes amis, surtout Amine, Abderrahim Djeddi, Najib, Boubaker.

A tous ceux qui ont partagé mes tous les beaux moments pendant cinq ans.

Je dédie ce mémoire

Fayssal

ii

Remerciements

Avant tout nous remercions ALLAH le tout puissant qui nous a

donné La force et la volonté pour qu’on puisse accomplir ce travail.

Après, j'adressé mes vifs remerciements à : Mr A. Khezzar chef de

laboratoire D’Electrotechnique de Constantine (LEC), qui m’aider et

suivi l’élaboration de ce mémoire. Il est toujours disponible pour répondre à

mes questions. Tout mon respect et ma profonde reconnaissance.

Nous remercions particulièrement notre encadreur Dr F. Mehazzem, pour

son dévouement exceptionnel, sa précieuse directive et son suivi constant.

Nous tenons également à remercier le président et les membres du jury pour

nous avoir fait l’honneur d’évaluer ce travail.

Que tous les professeurs ayant contribué à notre formation trouvent ici

notre profonde reconnaissance.

iii

SommaireDédicace ………….…………………..………………………...................................................................................i

Remerciements………………………………………………………………………………………….……………….…….ii

Liste des figures et tableaux …...…………………………………………………………………..iii

Introduction générale …………………………………………………….…………………………1

CHAPITRE I Présentation d’une carte arduinoI.1. Introduction………………………...…………………………..…………….……...4

I.2. L’arduino UNO ………………………….………………………………………….………4

I.2.1. Dimensions et organisation ……………………….……………………………...……5

I.2.2. Alimentation …………………………………………………….……………….........5

I.2.3 Mémoire ……………………………………………………………………….……….6

I.2.2. Horloge ……………………….………………………………………...…..……..7

I.2.3.2. Entrées et sorties ………………….…………………………………….……...….7

I.2.4. Communication ……………………………………………………………....………..8

I.2.5. Programmation ………………………………………………………………….……..9

I.2.5.1. Reset automatique ….………………………………………………………...……9

I.2.5.2. Protection de surintensité USB ….…………………………………………...……9

I.3. Présentation de l’Espace de développement Intégré (EDI) Arduino………………...…...…9

I.3.1. Description de la barre des boutons …………………………………………….........11

I.3.2. Description de la structure d’un programme ……………………………...………....11

I.4. Conclusion ………………………………………………………….……………...….…..12

CHAPITRE II Capteur de Vitesse

II.1. Introduction …………………………………………………………………...……..……14

II.2. Le codeur incrémental ……………….…………………………………………………...14

II.2.1. Principe du codeur incrémental ………………….……………………….……….……15

II.2.2. Caractéristique principales d'un codeur incrémental ……………….….…....................16

iii

II.2.3 Raccordement d’un codeur incrémental …………………………..…………..…..…….16

II.2.3.1. A une moteur électrique ………….……………………………...……………….16

II.2.3.2. A une carte arduino ..……………………………………………………...…..….17

II.2.4. Calcul de la fréquence de sortie (f) des impulsions du codeur …………......………….17

II.2.5. Les principaux avantages et inconvénients de codeur incrémental …………...……….18

II.2.5.1. Les avantages …………………………..…………………………………………18

II.2.5.2. Les Inconvénients ………….………………………………………………..……18

II.2.6. Principaux types d’unités de traitement utilisées dans l’industrie et le codeur qui leursont généralement associés ……………………………………………………………....….19

II.3. Carte Dspace 1104 ………………………………………………………….…………....19

II.3.1. Présentation …………………………………………………………….……….......19

II.3.2. Processeur Maitre PPC ……………….……………………….…………...…….....20

II.3.3. Processeur esclave DSP …………………………….………………….……...……20

II.3.4. Contrôleur d’interruption ………………………..…………………….……...…….20

II.3.5. Mémoires ………………………………………………………………….…...…...21

II.3.6. Temporisateurs ………………………………………………………………….…..21

II.4. Conclusion ..…………………..…………………………………….…….……………...21

CHAPITRE III Partie expérimentale

III.1. Introduction ………………………………………………………………………...……23

III.2. Présentation du banc d’essai …………………………………………………………….23

III.3. Rôle des différentes parties de la chaine d’acquisition ..………...……………………...24

III.3.1. Carte Dspace ………………………………………………………………...……..24

Présentation de dSPACE ControlDesk …………………….……………..………24

III.3.2. Carte Arduino.. ……………………………………………….…………….………26

Algorithme du prétraitement………...…………………………………………….28

III.3.3. Les résultats obtenus …………………….………………………........….….……..28

Commentaires sur les résultats ……………………………………………………29

III.4. Conclusion ……………………………………………...……………………………….30

Conclusion générale ……………………………………………………….……...………………31

Bibliographe………………………………………………………………………………………32

iii

Liste des figures et tableauxFigure I.1 : Résumé des caractéristiques de la carte Arduino Uno………………………..……….4

Figure I.2 : Interface de carte Arduino Uno…………………………………………….…...……..5

Figure I.3 : Communication vers l’ordinateur……………………………………….………..……8

Figure I.4 : espace de développement intégré……………………………………………...…..…10

Figure I.5 : la structure d’un programme……………………………………….…………..…..…12

Figure II.1 : Description d’un codeur…………………………………………………...…..…….15

Figure II.2 : Codeur incrémental GI355………………………………………………….…...…..15

Figure II.3 : Le disque rotatif……………………………………………………………………..15

Figure II.4 : Diagrammes de sorties………………………………………………………...…….15

Figure II.5 : Raccordement moteur/codeur……………………………………………………….17

Figure II.6: Raccordement codeur/arduino…………………………………………………….….17

Figure III.1 : Banc d’essai………………………………………………………………….……..23

Figure III.2 : Circuit de communication ………………………………………………......….….23

Figure III.3 : interface de ControlDesk……………………………………………………….......24

Figure III.4 : Control Panel……………………………………………………………………….25

Figure III.5 : model en MATLAB………………………………………………………..……….25

Figure III.6 : Signal A et B d’un codeur…………………………………………………….……26

Figure III.7 : Signal A…………………………..…………………………………………..….…26

Figure III.8 : Algorithme de fonctionnement ……………………………………………..……. 27

Figure III.9 : la vitesse de rotation (dSPACE)……………………………..………………..……27

Figure III.10 : la vitesse de rotation (Arduino)…………………………… …………………..…28

Figure III.11 : Comparaison entre les deux vitesses…………………………………..…….....…28

Tableau II.7 : Différentes unités de traitement utilisées…………………………………...…..…19

1

INTRODUCTION GENERALE

Le système Arduino est une plateforme open-source d'électronique programmée qui est

basée sur une simple carte à microcontrôleur (de la famille AVR), et un logiciel, véritable

environnement de développement intégré, pour écrire, compiler et transférer le programme

vers la carte à microcontrôleur.

Arduino peut être utilisé pour développer des objets interactifs, pouvant recevoir des

entrées d'une grande variété d'interrupteurs ou de capteurs, et pouvant contrôler une grande

variété de lumières, moteurs ou toutes autres sorties matérielles. Les projets Arduino peuvent

être autonomes, ou bien ils peuvent communiquer avec des logiciels tournant sur votre

ordinateur.

Les applications dans le domaine d’entrainements des machines électriques à vitesse

variable dépendent principalement de la vitesse de rotation. Cette dernière est mesurée grâce à

un capteur de vitesse, qui ne nous permet pas souvent d’avoir de bons résultats avec précision.

Cela est du principalement aux unités de traitement (dans ce travail, nous allons parler de la

carte Dspace) utilisées dans le domaine industriel ou dans la recherche scientifique liée à la

mesure de la vitesse. Afin d’améliorer la qualité de cette mesure, nous proposons dans le cadre

de ce projet l’utilisation de la carte Arduino, afin de faire un prétraitement avant l’exploitation

directe de la mesure issue du capteur de vitesse dans des applications d’entrainements

électriques.

Ce travail est structuré comme suit :

Le premier chapitre, présente des généralités sur la carte Arduino, ainsi qu’une description

détaillée de son fonctionnement.

Le deuxième chapitre, présente le principe du codeur incrémental et son utilisation dans

notre projet.

2

Le troisième chapitre, est consacré à la présentation de la réalisation. Dans un premier

temps, nous allons utiliser la carte dspace pour traité les signaux délivrés par le codeur

incrémental. Dans un second temps nous allons traiter les mêmes signaux au moyen d’un

circuit de communication via la carte Arduino.

Enfin, nous terminons ce mémoire par une conclusion générale.

Chapitre I

Présentation d’unecarte Arduino

Chapitre I Présentation d’une carte Arduino

4

I.1. Introduction

Le système Arduino est une solution simple et abordable pour développer des montages

électroniques numériques programmables à base de microcontrôleurs.

C’est une plateforme open-source qui est basée sur une simple carte à microcontrôleur (de la

famille AVR), et un logiciel, véritable environnement de développement intégré, pour écrire,

compiler et transférer le programme vers la carte à microcontrôleur.

Arduino peut être utilisé pour développer des applications matérielles industrielles légères ou

des objets interactifs (création artistiques par exemple). Les cartes Arduino peuvent recevoir sur

les broches d’entrées une très grande variété de capteurs et contrôler sur les broches de sortie une

grande variété d’actionneurs (lumières, moteurs ou toutes autres sorties matériels).

Les projets Arduino peuvent être autonomes, ou communiquer avec des logiciels sur un

ordinateur.

Les cartes électroniques peuvent être fabriquées manuellement ou bien être achetées pré

assemblées ; le logiciel de développement open-source est téléchargeable gratuitement [1].

I.2. L’arduino UNO

Figure I.1 : Résumé des caractéristiques

de la carte Arduino Uno

Microcontrôleur ATmega328

Tension d'alimentation interne 5V

Tension d'alimentation externe 7 à 12V

Entrées/sorties numériques 14 dont 6 sorties PWM

Entrées analogiques 6

Courant max par broches E/S 40 mA

Courant max sur sortie 3,3V 50mA

Mémoire Flash 32 Ko

Mémoire SRAM 2 Ko

mémoire EEPROM 1 Ko

Fréquence horloge 16 MHz


5

I.2.1. Dimensions et organisation

Dimensions = 68.6mm x 53.3mm

La carte s'interface au PC par l'intermédiaire de sa prise USB.

La carte s'alimente par le jack d'alimentation (utilisation autonome) mais peut être

alimentée par l'USB (en phase de développement par exemple).

Figure I.2 : Interface de carte Arduino Uno.

I.2.2. Alimentation

La carte Arduino UNO peut être alimentée par l’USB ou par une alimentation externe. La

source est sélectionnée automatiquement.

La tension d’alimentation extérieure (hors USB) peut venir soit d’un adaptateur AC-DC ou de

piles. L’adaptateur peut être connecté grâce à un ‘jack’ de 2.1mm positif au centre.

Le raccordement vers un bloc de piles peut utiliser les bornes GND et VIN du connecteur

d’alimentation (POWER). La carte peut fonctionner à l’aide d’une tension extérieure de 7 à 12

volts. Les broches (pins) d’alimentation sont les suivantes :

VIN : La tension d’entrée positive lorsque la carte Arduino est utilisée avec une source de

tension externe (à distinguer du 5V de la connexion USB ou autre source 5V régulée).

Vous pouvez alimenter la carte à l’aide de cette broche, ou, si l’alimentation est fournie

par le jack d’alimentation, accéder à la tension d’alimentation sur cette broche [3].

Connecteur USB

Jack d’alimentation externe

Entrées/Sorties digitales 0-13

Bouton Reset

Entrées/Sorties digitales 14 -19

Entrées analogiques 0-5

Broches d’alimentations

5v et 3.3v GND

Microcontrôleur ATmega328


6

5V : La tension régulée utilisée pour faire fonctionner le microcontrôleur et les autres

composants de la carte (pour info : les circuits électroniques numériques nécessitent une

tension d’alimentation parfaitement stable dite « tension régulée » obtenue à l’aide d’un

composant appelé un régulateur et qui est intégré à la carte Arduino). Le 5V régulé

fourni par cette broche peut donc provenir soit de la tension d’alimentation VIN via le

régulateur de la carte, ou bien de la connexion USB (qui fournit du 5V régulé) ou de tout

autre source d’alimentation régulée [3].

3. 3V : Une alimentation de 3.3V fournie par un régulateur 3.3v LP2985 est disponible

sur la carte. Ceci est intéressant pour certains circuits externes nécessitant cette tension

au lieu du 5V. L’intensité maximale disponible sur cette broche est de 50mA

GND : Broche de masse (ou 0V).

I.2.3. Mémoire

L'ATmega 328 dispose de 32 kilo-octets de mémoire de programme. Cette mémoire est de

type Flash, analogue à celle que l'on trouve par exemple dans les clés USB.

L'ATmega 328 contient aussi de la mémoire vive ou RAM, analogue dans son principe à la

mémoire vive de vos PC, mais en beaucoup plus petite quantité puisque l'on ne dispose ici que

de 2 kilo-octets (contre plusieurs Giga octets dans un PC par exemple). Cette mémoire est

généralement utilisée pour les variables employées dans les programmes, pour stocker des

résultats temporaires lors de calculs, etc. Elle présente la particularité de pouvoir être lue et écrite

à tout instant par le microcontrôleur mais elle « oublie » son contenu dès qu'il n'est plus alimenté.

L’ATmega 328 dispose également de mémoire EEPROM, acronyme qui signifie mémoire

programmable et effaçable électriquement. La taille de cette EEPROM est seulement de 1 kilo-

octet. Cette mémoire EEPROM est une mémoire dans laquelle le microcontrôleur peut lire à

tout instant. Il peut aussi y écrire et effacer son contenu, avec plus de facilité comme dans la

mémoire Flash de programme, mais avec moins de facilité que dans la mémoire vive. En

contrepartie, et comme c'est le cas pour la mémoire flash de programme, le contenu de

l'EEPROM est conservé même lorsqu'elle n'est plus alimentée. C'est donc une mémoire qui sera

utilisée pour conserver des données ou des paramètres que l'on doit pouvoir retrouver d'une

utilisation à l'autre de l'Arduino [2].


7

I.2.3.1. Horloge

L’horloge est pilotée par quartz et fonctionne à la fréquence de 16 MHz.

Ainsi par exemple, la fonction delay(xxx), qui génère un délai de xxx ms, sait que l'horloge

fonctionne à 16 MHz et fait donc automatiquement appel aux instructions nécessaires pour

générer le délai que vous avez réellement demandé dans votre programme.

I.2.3.2. Entrées et sorties

Chacune des 14 broches numériques de la carte Uno peut être utilisée en entrée (input) ou

en sortie (output), en utilisant les fonctions pinMode(), digitalWrite(), et digitalRead().

Elles fonctionnent en logique TTL (0V-5V) ; chacune pouvant fournir (source) ou recevoir un

courant maximal de 40 mA et dispose si besoin est d’une résistance interne de ‘pull-up’.

En outre, certaines broches ont des fonctions spécialisées [3] :

Serial : broche 0 (RX) et broche1 (TX). Permet de recevoir (RX) et de transmettre (TX)

des données séries TTL. Ces broches sont raccordées à leurs homologues sur le chip

Atmega16U2 spécialisé dans la conversion USB-to-TTL série.

Interruptions externes 2 et 3 : Ces broches peuvent être configurées pour déclencher

une interruption sur une valeur LOW, sur un front montant ou descendant, ou encore sur

le changement de valeur. (voir la fonction attachInterrupt() pour des détails).

PWM : 3, 5, 6, 9, 10, and 11 : Output 8-bit de PWM avec la fonction analogWrite().

SPI : 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ces broches fournissent le support de

communication SPI en utilisant la ‘librairie’ spécialisée.

LED : Il y a une LED repérée L connectée à la broche digitale 13.

La carte Uno à 6 broches d’entrée analogiques, A0 à A5, chacune avec 10 bits de résolution

(1024 valeurs différentes).

Par défaut les mesures sont effectuées de la masse à 5V (valeur de référence), mais il est possible

de spécifier la valeur de référence en utilisant la broche VREF et la fonction analogReference().

En outre, certaines broches ont des fonctions spécialisées :

I2C : 4 (SDA) and 5 (SCL). Permettent le support du bus I2C (TWI) en utilisant le

‘library’ Wire.


8

Autres broches sur la carte :

AREF : Tension de référence déjà mentionnée.

Reset : Permet au niveau bas (LOW de faire un reset du contrôleur. Elle est utilisée

typiquement pour monter un bouton ‘reset’ aux cartes additionnelles (‘shields’) bloquant

celui de la carte principale.

I.2.4. Communication

La carte Arduino Uno a de nombreuses possibilités de communications avec l’extérieure.

L’Atmega328 possède une communication série UART TTL (5V), grâce aux broches

numériques 0 (RX) et 1 (TX).

Figure I.3: Communication vers l’ordinateur.

Un contrôleur Atmega16U2 sur la carte, gère cette communication série vers l’USB et

apparaît comme un port de communication virtuel pour le logiciel sur l’ordinateur.

Le firmware de l’16U2 utilise le protocole USB, et aucun driver externe n’est nécessaire.

Windows a cependant besoin d’un fichier .inf, à l’installation. Le logiciel Arduino possède un

logiciel série (Telnet) intégré permettant l’envoi et la réception de texte. Les DELs RX et TX sur

la carte clignoteront pour indiquer la transmission de données vers l’ordinateur.

Une librairie ‘SoftwareSerial’ permet la transmission de données série à partie de chacune des

broches numériques du Uno.

L’Atmega328 supporte le bus I2C (TWI) et le protocole de communication synchrone maître-

esclave SPI. Le logiciel Arduino inclut un ensemble de fonctions pour mettre en œuvre l’un ou

l’autre.


9

I.2.5. Programmation

La carte Arduino Uno peut être programmée directement avec « l’Arduino software ».

L’Atmega328 sur la carte Uno est pré programmé avec un ‘bootloader’ qui permet de charger le

code d’une nouvelle application sans utiliser un programmateur hardware externe.

Il communique avec un ordinateur en utilisant le protocole STK500 d’ATMEL.

Mais vous pouvez programmer le contrôleur de la carte en utilisant le port ICSP (In-Circuit

Serial Programming).

Le code source du firmware du contrôleur auxiliaire Atmega16U2 est disponible.

I.2.5.1. Reset automatique

Toutes les cartes Arduino actuelles sont équipées d'un poussoir de reset manuel. Un

appui sur celui-ci permet donc de relancer l'exécution d'un programme si nécessaire, soit parce

qu'il s'est « planté » soit tout simplement parce que l'on souhaite le faire repartir de son début.

Mais il existe aussi sur les cartes Arduino une autre source de reset.

Un reset automatique à la mise sous tension qui permet ainsi au programme contenu en

mémoire du microcontrôleur de démarrer automatiquement dès que la carte Arduino est

alimentée.

I.2.5.2 Protection de surintensité USB

La carte Arduino Uno possède une protection par fusible pour le port USB si un courant

de plus de 500mA est demandé. La déconnexion durera tant que la source de consommation

excessive n’aura pas cessé.

I.3. Présentation de l’Espace de développement Intégré (EDI) ArduinoLe logiciel Arduino a pour fonctions principales :

de pouvoir écrire et compiler des programmes pour la carte Arduino

de se connecter avec la carte Arduino pour y transférer les programmes

de communiquer avec la carte Arduino

Cet espace de développement intégré (EDI) dédié au langage Arduino et à la programmation des

cartes Arduino comporte :


10

Une BARRE DE MENUS comme pour tout logiciel une interface graphique (GUI),

Une BARRE DE BOUTONS qui donne un accès direct aux fonctions essentielles du

logiciel et fait toute sa simplicité d'utilisation,

Un EDITEUR (à coloration syntaxique) pour écrire le code de vos programmes, avec

onglets de navigation,

Une ZONE DE MESSAGES qui affiche indique l'état des actions en cours,

Une CONSOLE TEXTE qui affiche les messages concernant le résultat de la

compilation du programme

Le logiciel Arduino intègre également :

Figure I.4: espace de développement intégré.

Barre de menus

Barre de boutons

Onglets des fichiersouverts

Fenêtre d’édition desprogrammes

Zone de messagesdes actions en cours

Console d’affichage desmessages de compilation


11

Un TERMINAL SERIE (fenêtre séparée) qui permet d'afficher des messages textes

reçus de la carte Arduino et d'envoyer des caractères vers la carte Arduino.

Cette fonctionnalité permet une mise au point facilitée des programmes, permettant

d'afficher sur l'ordinateur l'état de variables, de résultats de calculs ou de conversions

analogique-numérique : un élément essentiel pour améliorer, tester et corriger ses

programmes.

I.3.1. Description de la barre des boutons

Vérifier/compiler : Vérifie le code à la recherche d'erreur.

Transférer vers la carte : Compile votre code et le transfère vers la carte Arduino.

Nouveau : Crée un nouveau code (ouvre une fenêtre d'édition vide)

Ouvrir : Ouvre la liste de tous les programmes dans votre "livre de programmes". Cliquer

sur l'un des programmes l'ouvre dans la fenêtre courante.

Enregistrer : Enregistre votre programme.

Moniteur Série : Ouvre la fenêtre du moniteur (ou terminal) série.

I.3.2. Description de la structure d’un programme

Le langage Arduino est basé sur les langages C/C++.

Un programme utilisateur Arduino est une suite d’instructions élémentaires sous forme

textuelle, ligne par ligne. La carte lit puis effectue les instructions les unes après les autres, dans

l’ordre défini par les lignes de code, comme lors d’une programmation classique. Cette structure

se décompose en trois parties :


12

La structure d’un programme Arduino

Doit toujours comporter les fonctions

Setup( ) et loop ( )

Figure I.5: la structure d’un programme.

I.4. Conclusion

Arduino est un kit de développement et de prototypage très adapté pour une large gamme

d’applications dans le domaine de l'électrotechnique. Cela revient à sa facilité d'utilisation, sa

grande capacité à traiter l'information, et son faible cout.

Fonction principale : VOID SETUP()Initialisation des ressources de la carteConfiguration des entrées/sortiesDéfinition de la vitesse de fonctionnementdu port série, etc.

Cette partie ne sera exécutée qu’une seule fois

Définition des constantes et variables globales

Directive de compilation ; Define, Include, etc

Fonction boucle : VOID LOOP()Description du fonctionnement généraldu programmeGestion des interactions entre les entrées/sortiesCette partie sera exécutée en boucle

Chapitre IICapteur de Vitesse

Chapitre II Capteur de Vitesse

14

II.1. Introduction

Dans le domaine industriel, le positionnement est une information absolument nécessaire.

Il ne suffit pas de connaître une position définie par un endroit prédéterminé mais plutôt la

position du mobile au moment où cela est nécessaire.

Le codeur rotatif est le capteur qui permet d’obtenir une position angulaire dans les machines

électriques. Il offre également la possibilité du réglage de la vitesse.

Le capteur ou codeur optique rotatif, introduit dans les années 1970, est aujourd’hui très répandu

et remplace souvent les génératrices tachymétriques, les résolveurs et les capteurs résistifs.

Le codeur optique, le plus répandu, est lié mécaniquement à un arbre qui l’entraîne. Il est

constitué d’un système mécanique qui comporte un disque en verre portant des gravures opaques

dont l’écartement est fonction du pas angulaire que l’on veut obtenir. Le faisceau lumineux,

traversant le disque, est la plupart du temps généré par une diode électroluminescente et le

faisceau modulé est capté par une photodiode ou un phototransistor.

Le signal électrique recueilli, en signal carré plus facile à traiter.

Il existe deux types de capteurs rotatifs : le codeur incrémental et le codeur absolu.

II.2 Le codeur incrémental

Le codeur incrémental est un générateur d’impulsions, il est destiné au contrôle de

déplacement. Il est généralement constitué de trois pistes : deux pistes externes divisées en

intervalles d’angles égaux de telle sorte que les signaux carrés obtenus soient déphasés de 90°,

ce qui informe sur le sens de rotation du codeur. La troisième piste ne comporte qu’une seule

fenêtre transparente dont la durée électrique est de 90°. Ce signal permet de définir un zéro de

comptage et une position de référence. La résolution dépend du comptage des fronts.

Elle est multipliée par deux en comptant les fronts montants et descendants d’une piste et par

quatre en comptant tous les fronts des deux pistes.

Le codeur incrémental présente des limites, il est sensible aux coupures de l’alimentation, il en

suffit d’une pour que le codeur perde sa position réelle. Il est alors nécessaire de le réinitialiser.

Il est sensible aux parasites qui peuvent être comptabilisés comme des impulsions lorsque les

signaux complémentaires ne sont pas pris en compte.

Une erreur de positionnement peut survenir lorsque la fréquence de comptage est élevée.

Enfin, si le codeur ne fonctionne que pour une fraction de tour, cas de mouvements oscillants, le

recalage par le top zéro n’est pas possible [4] [5] [6].


15

Figure II.1: Description d’un codeur Figure II.2: Codeur incrémental GI355

II.2.1. Principe du codeur incrémental

Le disque rotatif comporte au maximum trois pistes.

Une ou deux pistes extérieures divisées en n intervalles d'angles égaux, alternativement

opaques et transparents.

Pour un tour complet de l'axe du codeur, le faisceau lumineux est interrompu n fois et

délivre n signaux carrés (A et B) en quadrature.

Figure II.3: Le disque rotatif Figure II.4: Diagrammes de sorties


16

Le déphasage (90° électrique) des signaux (A er B) permet de déterminer le sens de

rotation :

- Dans un sens, pendant le front montant du signal A, le signal B est au niveau logique zéro.

- Dans l'autre sens, pendant le front montant du signal A, le signal B est au niveau logique 1.

Le front montant de la voie verte se présente Le front montant de la voie rouge se présente

avant celui de la voie rouge. avant celui de la voie verte.

La piste extérieure (Z : top zéro) comporte une seule fenêtre transparente et délivre un

seul signal par tour.

Le signal Z (d'une longueur de T/4 électrique) détermine une position de référence qui

permet la réinitialisation à chaque tour.

Le comptage-décomptage des impulsions par l'unité de traitement permet de définir

la position du mobile.

II.2.2. Caractéristiques principales d'un codeur incrémental

Nombre de points par tour ou nombre d'impulsions par tour.

nombre de voies ou nombre de pistes (exemple: 6 pistes A, B, Z, A inv, B inv, Z inv).

tension d'alimentation.

vitesse maximale de rotation.

II.2.3. Raccordement d’un codeur incrémentalII.2.3.1 à un moteur électrique

L’axe du codeur est lié mécaniquement à l’arbre de la machine qui l’entraine.

Cet axe fait tourner un disque qui lui est solidaire.


17

Figure II.5: Raccordement moteur/codeur

II.2.3.2. à une carte arduino

Le raccordement des sorties du codeur aux entrées de la carte arduino.

Voie A on peut connaître les caractéristiques de déplacement d’un mobile et voie B

permettent de déterminer le sens de rotation.

Figure II.6: Raccordement codeur/arduino

II.2.4. Calcul de la fréquence de sortie (f) des impulsions du codeur

Pour un codeur incrémental, il est indispensable de calculer la fréquence maximale

d'utilisation afin de s'assurer des compatibilités des caractéristiques électriques avec les entrées

du système de traitement.

Le codeur incrémental fournit deux types de signaux. Les signaux d’incrémentation (A, A inv,

B, B inv) et d’initialisation (Z, Z inv) peuvent être exploités.

MACHINEASYNCHRONE

Phototransistor

Traitement del’information

Codeur

Signal

Codeur Compteurd’impulsion

Voie ACalcule des

Caractéristiquedu déplacement

Base detemps

Sens de RotationVitesseFréquence

Carte arduino

Voie B

Diodeélectroluminesce

nte

Disque gradué

Accouplement


18

Signal d’incrémentation (A) :

Ce signal carré est généralement de fréquence élevée. La formule de calcul de la fréquence

(f en Hz) est :

avec : N= vitesse d’utilisation de l’axe entraînant (en tr/mn).

et R = résolution souhaitée en période par tour (p/tr).

Pour le codeur incrémental GI355 et le moteur asynchrone utilisé dans ce projet :

N=1500 tr/mn

R=1024 p/tr

Donc la fréquence : f = 25600 Hz.

II.2.5 Les principaux avantages et inconvénients de codeur incrémental

II.2.5.1. Les avantages :

Le codeur incrémental est de conception simple (son disque ne comporte que deux

pistes) donc plus fiable et moins onéreux.

Économique

II.2.5.2. Les Inconvénients:

II est sensible aux coupures du réseau : chaque coupure du courant peut faire perdre

la position réelle du mobile à l'unité de traitement. Il faudra alors procéder à la

réinitialisation du système automatisé.

Il est sensible aux parasites en ligne, un parasite peut être comptabilisé par le

système de traitement comme une impulsion délivrée par le codeur.

Les fréquences des signaux A et B étant généralement élevées, il faudra vérifier que

le système de traitement est assez rapide pour prendre en compte tous les

incréments (impulsions) délivrés par le codeur. Le non comptage d’une impulsion

induit une erreur de position qui ne peut être corrigée que par la lecture du « top

zéro» [7] [9].


19

II.2.6. Principaux types d’unités de traitement utilisées dans l’industrie et lecodeur qui leur sont généralement associés [8]

Unités de traitementCodeur incrémental

Fréquence du signal (kHz)

< 200 Hz < 40 kHz > 40 kHz

Automatesprogrammables

Entrées TOR

Cartes de comptagerapide ou cartes

d’axes

Commandes numériques

Micro-ordinateurs Entrées parallèles

Cartes spécifiques (la carte arduino)

Tableau. II.7 : Différentes unités de traitement utilisées

II.3. Carte Dspace 1104

La carte DS1104 joue un rôle principal dans l’étude pour contrôler les machines électriques,pour cela, nous allons donner quelques caractéristiques.

II.3.1. Présentation

La carte DSPACE assure les aspects logiciels et numériques de la commande, depuis

l'acquisition numérique des signaux d'entrées jusqu'aux signaux (MLI/PWM) de commandes des

bras de pont (signaux de sorties).

La carte DS1104 contenant les éléments suivants [10]:

Deux processeurs (Maitre, Esclave).

Contrôleurs d’interruption.

Des mémoires.

Des temporisateurs.

Des interfaces.


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II.3.2. Processeur Maitre PPC

L’unité principale de traitement, Motorola MPC8240, se compose :

Un noyau Power PC 603 (Horloge interne à 250 MHZ).

Un contrôleur d’interruption.

Contrôleur synchrone de la mémoire DRAM.

Plusieurs temporisateurs.

Une interface PCI.

Le maitre PPC contrôle les unités entrées/sorties suivantes :

Unité de ADC (Analog Digital Converter) : comportant (8) convertisseurs analogique /

numérique (4 en 16bits, 4 en 12 bits).

Unité de DAC (Digital AnalogConverter) :

comportant (8) convertisseurs numérique/ analogique (16 bits).

Unité entrée / sortie numérique (20 bits).

Interface d’encodeur incrémental.

Interface série.

II.3.3. Processeur esclave DSP

Se compose un DSP (Digital Signal Processor), processeur TMS 320F240 de Texas

instruments, ses caractéristiques principales sont :

Fonctionnement à 25 MHz.

Une mémoire utilisée pour la communication avec le maitre PPC.

L’esclave DSP fournit les dispositifs entrées/sorties suivants :

Unité entrée /sortie numérique de synchronisation : qui permet de générer et mesurer des

signaux PWM (Pulse Width Modulation) et des signaux carrés.

Unité entrée /sortie numérique.

Interface Périphérique Série (SPI : Serial Peripheral Interface).

II.3.4. Contrôleur d’interruption

Le processeur ne peut pas traiter plusieurs informations à la fois, mais grâce aux interruptions

Le processeur peut exécuter ou suspendre un programme donné selon la priorité des Interruption.


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II.3.5. Mémoires

La carte DS1104 est équipée de deux mémoires :

Mémoire Global.

Mémoire Flash.

II.3.6. Temporisateurs

Un temporisateur (Timer) est un circuit logique qui permet d’effectuer du comptage de Temps,

pour la génération de signaux.

La carte DS1104 est équipée de 6 temporisateurs, ils sont pilotés par l’horloge.

II.4. Conclusion

Dans ce chapitre nous avons présenté le mécanisme du codeur incrémental, ses différentes

composantes, ses caractéristiques, ainsi que son raccordement au moteur. Nous avons présenté également

la chaine d’acquisition qui vient en aval de ce codeur, et qui représente la carte Arduino, ainsi que la carte

dspace 1104.

Chapitre IIIPartie expérimentale

Chapitre III Partie expérimentale

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III.1. Introduction

Dans ce chapitre, Nous traitons les signaux issus du codeur incrémental via une carte Arduino

afin d’extraire la vitesse et le sens de rotation. Un prétraitement est réalisé au niveau de la carte

Arduino. Le signal obtenu de cette dernière sera comparé avec le signal obtenu directement du

codeur incrémental. Les résultats de cette comparaison seront obtenus via la carte Dspace 1104.

III.2. Présentation du banc d’essaiNotre banc d’essai est composé d’une machine asynchrone, d’un capteur de vitesse GI355,

d’une carte Arduino et des circuits électroniques dédiés pour la communication entre les

différents composants (codeur incrémentale, carte arduino, carte Dspace).

Figure III.1 : Banc d’essai

Carte arduinoCodeur

incrémentalMoteur

asynchrone Carte dSPACE


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Figure III.2 : Circuit de communication

III.3. Rôle des différentes parties de la chaine d’acquisitionIII.3.1. Carte Dspace

Nous avons choisi de mettre en place une carte Dspace 1104 afin d'offrir une meilleur

robustesse.

De plus, le contrôleur est entièrement programmable à partir de l’environnement

Matlab/Simulink en utilisant des libraires spécifiques.

L'entreprise fournit également un logiciel d'interface graphique -ControlDesk- pour commander

et superviser le système en temps réel.

Présentation de Dspace ControlDesk

ControlDesk est un logiciel d’instrumentation et d’expérimentation qui nous permet lors de

ce projet de développer des interfaces graphiques pour la commande en temps réel du système

géré par le contrôleur Dspace. En effet l’interface développée nous permet à la fois d’envoyer

des consignes directement au système et de visualiser les différentes grandeurs mesurées et tout

cela en temps réel [10].

À la carte dSPACE


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Figure III. 3 : interface de ControlDesk

Carte Dspace contient une entrée privée avec codeur incrémental, en plus du modèle est prêt à

gérer des signaux entrants à la carte.

Figure III.4 : Control Panel

Entre d’un codeur incrémental Entre digital pour la carte arduino


26

Figure III.5 : model en MATLAB

III.3.2. Carte Arduino

Comme nous l'avons mentionné plus tôt, Le codeur incrémental fournit deux signaux

carrés en quadrature, comme sur la capture ci-dessous :

Figure III.6 : Signal A et B d’un codeur

Modèle prêt pour codeur incrémentalConversion numérique analogique


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Nous utilisons une signal A pour déterminer la vitesse du moteur et le signal B pour

déterminer le sens de rotation, avant de traiter le signal A et B, On utilise un inverseur pour

améliorer la sortie de signal de la capteur.

Figure III.7 : Signal A

Compter le nombre d’impulsions du codeur revient à compter le nombre de fronts montants et

descendants des signaux A et B représentés sur l’image ci-dessus. Mais ce n'est pas suffisant

pour obtenir des valeurs précises pour la vitesse de rotation du moteur, Donc, en plus de compter

le nombre d'impulsions, on a mesuré la période de ce signal, Pour ce faire, la seule méthode

viable consiste à brancher les deux signaux (les deux fils sur le codeur utilisé) sur deux entrées

« interruption » de la carte Arduino. Les deux autres fils (les fils d’alimentation) seront

respectivement branchés sur le 5 V et sur la masse de la carte d’alimentation.

Sur une carte Arduino Uno (comme sur un Arduino Mega), il y a deux lignes d’interruption

(numérotées 0 et 1), qui correspondent aux broches digitales 2 et 3. L’intérêt d’une ligne

d’interruption est qu’elle permet, comme son nom l’indique, d’interrompre le déroulement des

calculs sur le microcontrôleur pour effectuer un traitement spécifique, en l’occurrence la mise à

jour du compteur d’impulsions et mesure la période, avant de rendre la main à la boucle

principale.

Signal A avantd'utiliser l’inverseur

Signal A aprèsd'utiliser l’inverseur


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Algorithme du prétraitement

Figure III.8 : Algorithme de fonctionnement

III.3.3. Les résultats obtenus

Figure III.9 : la vitesse de rotation (dSPACE)


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Figure III.10 : la vitesse de rotation (Arduino)

Figure III.11 : Comparaison entre les deux vitesses

Commentaires sur les résultats

La première courbe représente la vitesse de rotation issue directement du codeur incrémental

via la carte dSPACE. La vitesse de rotation est variable et présente une bande bruitée. On peut

remarquer même après l’utilisation d’un filtrage que la courbe de vitesse manque de précision.


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La deuxième courbe représente la vitesse de rotation après un prétraitement via la carte arduino.

La vitesse est constante et précise avec une faible variation, même sous des facteurs externes

comme la vibration ou la source d’alimentation.

Dans la troisième figure, on représente les deux courbes précédentes dans le même repère.

III.4. Conclusion

Après avoir présenté le banc d’essais de notre application, ainsi que le rôle des ces différentes

parties et les résultats obtenus, on peut conclure que ces résultats ont montrés l’efficacité de

l’utilisation de la carte arduino dans l’amélioration de la qualité de mesure de la vitesse par le

codeur incrémental.

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CONCLUSION GENERALE

Dans le cadre de ce travail, on a présenté une nouvelle alternative pour le problème de la

mauvaise qualité du signal de vitesse issue d’un codeur incrémental et exploité par une carte

dspace. Cette alternative repose principalement sur l’utilisation d’une carte Arduino afin

d’assurer un prétraitement adéquat. Les résultats expérimentaux ont montrés l’efficacité de

cette alternative dans l’amélioration de la qualité du signal du codeur incrémental, qui

représente la vitesse d’une machine asynchrone.

Ce présent travail peut contribuer par l’amélioration de la qualité de mesure de la vitesse

dans différentes applications liées principalement à la commande et au diagnostic des

machines électriques.

Par cette étude j’ai acquis une expérience qui m’a permis d’approfondir mes connaissances

techniques et de me préparer à la vie professionnelle dans le domaine d’électrotechnique.

32

Bibliographie

[1] http://www.mon-club-elec.fr

[2] http://fr.wikipedia.org/wiki/Arduino

[3] http://www.arduino.cc

[4] http://stielec.ac-aix-marseille.fr/cours/abati/captvit.htm

[5] Bernard Reeb - Positionnement numérique par codeur incrémental - GMP Mulhouse

[6] Mr BENGMAIH - Les Capteurs

[7] Philippe HOARAU - Le codeur optique Incrémental

[8] Nicolas - Capteurs rotatifs

[9] Amaury BOURBON Marie JOUBARD - Le codeur incrémental

[10] khelifi mustapha, sekour ahmed - Etude de la carte Dspace1104

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