MOTORISATION, PILOTAGE, INSTRUMENTATION D’UN …

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2013 - 2014 Sahin Mustafa et Lopez Jhonatan MOTORISATION, PILOTAGE, INSTRUMENTATION D’UN FAUTEUIL ELECTRIQUE Projet Tutoré Licence Professionnelle Vega

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2013 - 2014

Sahin Mustafa et Lopez Jhonatan

MOTORISATION, PILOTAGE, INSTRUMENTATION

D’UN FAUTEUIL ELECTRIQUE

Projet Tutoré

Licence Professionnelle Vega

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Remerciements

Le projet présenté dans ce compte rendu, s'est déroulé dans le cadre d'une Licence

professionnelle, au sein de l’Institut de Belfort-Montbéliard.

Tout d'abord, nous tenons à remercier Mr Patrick HIEBEL, tuteur de notre projet, qui nous a

encadrés et suivi tout au long de notre projet.

Nous tenons également à remercier toute l’équipe pédagogique pour l’aide quelle nous a

apportée tout au long de l’année, à travers les cours et les travaux pratiques.

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SOMMAIRE

Tables des matières

Remerciements……………………………………………………………………………………………………………………1

Sommaire…………………………………………………………………………………………………………………………….2

1. Introduction……………………………………………………………………………………………………………………..3

2. Situation initiale..…………………………………………………………………….……………………………………….3

2. Diagramme de Gantt………………………………………………………………………………………………………..4

3. Synoptique………………………………………………………………………………………………………………………..5

4. Les différents organes……………………………………………………………………………………………………...6

1) Le PIC…………………………………………………………………………………………………………………..……6

2) Le joystick…………………………………………………………………………………………………………….…7-8

3) Les capteurs de vitesse……………………………………………………………………………………………..9

4) La carte interface.……………………………………………………………………………………………………11

5) Les modules MD03……………………………………………………………………………………………..12-13

6) Les motoréducteurs.……………………………………………………………………………………………14-15

7) La carte de puissance…..………………………………………………………………………………………….16

8) La carte de commande.……………………………………………………………………………………….17-18

5. Le protocole I²C………………………………………………………………………………………………………….19-20

6. Les tests et essais.……………………………………………………………………………………………………………21

7. Conclusions………………………………………………………………………………………………………………….....22

8. Annexe……………………………………………………………………………………………………………………….23-35

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1. Introduction :

Le projet tutoré a pour but de mettre en application nos connaissances acquises tout au long

de l’année, ainsi que notre esprit d’initiative pour répondre à un cahier des charges.

Le but de notre projet est de créer des nouvelles lois de commandes qui vont permettre de

commander le fauteuil électrique à l’aide d’un joystick et de faire une visualisation au niveau

de la vitesse grâce à des capteurs inductifs.

Un fauteuil électrique permet aux personnes à mobilité réduite de se déplacer avec facilité. Il

répond aux besoins, qui, malgré leur mobilité limitée, désirent se déplacer librement.

2. Situation initiale :

Au départ notre fauteuil est constitué de différents composants :

- Fauteuil complet.

- 2 batteries 12V (24V au total).

- 2 commandes de puissance pour moteurs à courant continu (module MD03).

- 2 motoréducteurs 24V DC associés à chaque roue arrière.

- 1 Capteur inductif (mesure de vitesse).

- Joystick inductif.

- Bouton arrêt d’urgence et interrupteur d’alimentation.

- Carte de puissance.

- Carte de commande.

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3. Diagramme de Gantt :

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4. Synoptique :

L’utilisateur agit sur le joystick d’où, le PIC reçoit l’information du joystick et qui ordonne aux

modules MD03 de se mettre en fonctionnement. Ces modules vont pouvoir faire fonctionner

les moteurs droite et gauche, ce qui va entrainer les deux roues et enfin le fauteuil va se

mettre en mouvement. En raison d’un manque de place sur la carte de commande existante,

nous avons créé une carte interface qui est connecté au PIC où, nous avons placé quelques

options pour le fauteuil comme la mesure de vitesse grâce à des capteurs inductifs et la mise

en place de 3 modes de marche grâce a des boutons.

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Carte interface

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5. Les différents organes :

1) Le PIC 16F887A :

Nous avons disposé d’un PIC 16F877A, dont voici le schéma. Ce modèle est suffisant car nous

avons utilisé 5 entrées d’interruption (en vert) pour les deux capteurs inductifs mais aussi

pour les 3 boutons qui va permettre de modifier la vitesse de fauteuil et de réinitialiser la

vitesse du fauteuil. Nous avons utilisé également les entrées analogiques (en rouge) afin de

permettre la communication du joystick avec le PIC. Pour moduler la tension d’alimentation

des freins, nous avons utilisé la sortie correspondant à la PWM (en bleu). La programmation

du PIC se fait par une liaison RS232 (en jaune). Enfin la communication à l’aide du bus I²C

utilise les pins C6 et C7 (en violet).

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Capteur gauche

Bouton rapide-lent

Bouton lent-rapide

Capteur droit

Bouton reset

Bas

Haut

Gauche

Droit

I²C

FreinRS232

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2) Le joystick :

Le joystick permet de diriger le fauteuil électrique dans le sens où l’utilisateur l’incline. Il est

composé de 5 bobines qui lui fournissent la tension induite.

Lorsque l’on incline le joystick dans une certaine position, la tension induite qui est donnée

par chaque bobine change en fonction de cette inclinaison. Ceci est dû à la présence d’une

cinquième bobine placée au centre du joystick.

Variation de la tension : 0,4V à 4,7V.

Une fois la conversion Analogique-Numérique effectuée, nous obtenons une valeur entre 22

et 239.

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5V

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Marche avant-droite

Marche avant-gauche

Marche arrière-droite

Marche arrière-gauche

Roue D Roue G

Roue G

Valeur inscrit dans

la programmation

Haut vitesse

Loi de commande pour effectuer une rotation sur place :

Afin de faire une rotation avec le fauteuil vers la droite ou vers la gauche, nous avons mis en

place, une loi de commande qui va le faire tourner sur place. Mais avant cela, nous avons

mis, 3 modes de marche pour la vitesse du fauteuil (mode lent à rapide et rapide à lent et un

mode reset). Cette loi fonctionne sous la manière suivante : lorsque l’utilisateur inclinera le

joystick vers la droite en mode bas vitesse par exemple, la roue droite tournera dans un sens

et l’autre dans le sens inverse. Pour le mode haut vitesse, nous avons préférer de faire

tourner le fauteuil avec une seule roue, c’est-a dire que par exemple pour tourner a gauche,

c’est la roue de droite qui va tourner tandis que la roue de gauche va rester fixe.

Voici les différentes actions du joystick et la vitesse des roues en fonction de l’inclinaison :

Point neutre

Marche avant

Marche arrière

Rotation droite

Rotation gauche

Roue D Roue G

Roue D Roue G

Roue D Roue G

Roue D Roue G

Roue D

Roue D Roue G

Roue D Roue G

Roue D Roue G

0 0

0 250

200 200

200 200

150 150

250 0

150 150

100 150

Bas vitesse

Bas

vitesse

Haut

vitesse

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3) Les capteurs de vitesse :

La loi de commande dépend de la vitesse du fauteuil. Pour connaître cette vitesse, nous

avons dû mettre en place deux capteurs inductifs à 4 fils afin de mesurer la vitesse sur

chaque roue.

Ces capteurs sont placés derrière chaque roue comme sur l’image ci-dessous.

Nous avons également placé 5 pièces métalliques sur chaque rayon des roues.

Fonctionnement : Le capteur réagit lorsqu’une pièce métallique se présente devant lui d’où

on obtient un front montant à chaque passage.

Le choix du capteur inductif est dû à sa facilité de mise place. Le seul inconvénient est que

nous avons une perte de précision à faible vitesse.

Pièce métallique

Capteur inductif

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Comme dans l’image précédente, on observe à la sortie des capteurs une tension de 11,8V

soit 12V. Or les entrées RB4 et RB7 du PIC ne supporte seulement 5V, donc il a fallu mettre

en place un pont diviseur sur une carte différente pour adapter ces deux capteurs.

Schéma de câblage des capteurs avec le pont diviseur avec un circuit LED (fil blanc) :

: (ici on ne prend pas en

compte les résistances du circuit LED)

= 12 ×1,8

(2,7 × 1,8)= 4,44

Avec le pont diviseur, nous avons réussi à faire diminuer la tension de sortie des capteurs de

12V à 4,44V, on peut donc adapter les capteurs sur les entrées RB4 et RB7 du PIC.

Mesure de la vitesse :

Lors de chaque passage de pièces métallique devant le capteur, le signal de sortie est envoyé

sur les entrées d’interruptions RB4 et RB7. Avec la courbe, que l’on a obtenue grâce à

l’oscilloscope, on compte le nombre de front montant pendant une seconde, on convertit et

on obtient la vitesse km/h d’où le calcul suivant :

nous avons 5 rayons dans une roue, r= 0,188m et enfin multiplier par 3,6 pour la conversion

en km/h donc :

= ×0,942

5×3600

1000= × 0,188 × 3,6

La visualisation de la vitesse se fait sur le logiciel Tiny Bootloader.

= 12 ×1,8

(2,7 × 1,8)= 4,44

= ×0,942

5×3600

1000= × 0,188 × 3,6

Avec n, le nombre de montant par seconde

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Résistance de LED

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4) La carte interface :

En raison d’un manque de place sur la carte de commande existante, il était important pour

nous, de concevoir une nouvelle carte interface où nous avons décidé de placer nos deux

capteurs avec les ponts diviseur et les trois boutons pour modifier la vitesse du fauteuil.

Pour cela, nous avons utilisé le logiciel PROTEUS. Une première modélisation sous ISIS était

indispensable. Il se présentait sous forme de schéma. Enfin, grâce à cette modélisation sous

ISIS, nous avons pu faire une seconde modélisation, cette fois-ci sous ARES, sous la forme

d’un circuit imprimé.

Schéma sous ARES :

Capteur gauche

Capteur droit

Vers RB7

Vers RB4

Vers RB5

Vers RB6

Vers RB3RB3 : Bouton reset

RB5 : Lent-rapide

RB6 : Rapide-lent

x3

Vers alim. carte

existant

Masse

Brun

Brun

Noir

Noir

Blanc

Blanc

Bleu

Bleu

+12V

+12V

GND

GND

LED

LED

PIC

PIC

Alim. boutons 5V

Carte interface : (circuit imprimé)

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5) Les modules MD03 :

Le module MD03 est une commande de puissance pour moteurs à courant continu.

La puissance du moteur est contrôlée par une régulation PWM du pont en H. Ces deux

modules permettent de faire une variation de vitesse des deux moteurs.

Nous disposons de deux modules MD03 de même caractéristique.

Caractéristiques des modules :

Tension d’entrée 50VDC max.

Tension de sortie 24VDC max.

Courant de sortie 20A max.

Les modes de commandes :

I²C

0V-2.5V-5V entrée analogique.

0V-5V entrée analogique.

Mode radio contrôle.

PWM.

Afin de commander nos 2 modules, notre choix s’est porté sur le mode de communication

I²C puisqu’il permet de commander jusqu'à 8 modules avec seulement 4 fils. (SDA, SCL, alim

et masse) La raison de notre choix est expliquée dans le chapitre protocole I²C.

Nous devons définir à chaque module, son adresse. Etant donné que nous avons deux

modules, nous devons configurer deux adresses différentes.

La configuration des adresses se fait par l’intermédiaire des interrupteurs située derrière le

module. (Voir image ci-dessus)

Interrupteurs : changement

d’adresses

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Modification du sens, de la vitesse et de l’accélération :

La modification du sens, de la vitesse et de l’accélération se fait dans des registres. Chaque

registre correspond à une variable qui va commander un paramètre.

Selon le cahier des charges, nous avons utilisés les registres : 0, qui va commander le sens de

rotation des moteurs (marche avant et marche arrière), 2 pour la vitesse et 3 pour

l’accélération des moteurs.

Programme général permettant de commander les modules via le protocole I²C :

Ce programme a été réalisé afin d’avoir plus de facilité dans la définition des paramètres. Ici

deux fonctions sont nécessaires, une pour le sens, la vitesse et une pour l’accélération. Enfin

pour utiliser le protocole I²C, nous devons premièrement, définir l’adresse qui correspond au

module voulu, deuxièmement, choisir les registres que nous désirons configurer et

troisièmement, donner la valeur souhaitée.

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6) Les motoréducteurs :

Le fauteuil électrique dispose de deux moteurs à courant continu à excitation série avec

réducteur qui va entrainer les deux roues. Les moteurs sont composés de frein

électromagnétique à manque de courant, ce qui veut dire que ces freins peuvent stopper le

fauteuil et le maintenir en position arrêt lors d’une coupure de courant ou en cas de panne.

Nous avons choisi de moduler la tension d’alimentation de ces freins par commande PWM

afin de permettre une économie d’énergie de la batterie.

Caractéristique des moteurs à courant continu :

Alimentation des moteurs en 24VDC.

Tension nécessaire à desserrer les freins U > 17V.

Tension nécessaire à serrer les freins U < 5V.

Vitesse nominale des moteurs 110 RPM.

Intensité nominale 3,3 A. (Attention : le courant nominale augmente lors des pentes

ce qui peut entraîner une surcharge des moteurs.)

Modulation des freins par commande PWM:

Comme nous l’avions précisé dans la page précédente, les freins sont desserrés lorsque la

tension est supérieure à 17V et serrer lorsqu’elle est inférieure à 5V. Donc il a fallut mettre

en place, une modulation de la tension d’alimentation des freins grâce à la sortie CCP2 du

PIC.

Sur ce bornier, une tension de 24V est appliquée. A la sortie du CCP2 PIN, nous avons un

signal variant de 0 à 5V. Sur la carte de commande, un Driver et Power MOSFET étaient déjà

présents. Ces composants permettent de faire augmenter le signal de sortie du CCP2 PIN

pour le faire varier de 0 à 24V.

Réducteur

Moteur

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Driver MOSFET Power MOSFET

Voici le calcul effectué pour la modulation de PWM :

Plus on augmente la valeur de modulation dans le programme, plus la tension diminue en

sortie du driver MOSFET.

Représentation graphique de la PWM:

Inverseur

0V

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7) La carte de puissance :

Lors de la mise sous tension, la bobine du relais est alimenté et les contacts auxiliaires

changent d’état d’où l’alimentation des modules en 24V.

Les freins sont commandés par la sortie PWM. En effet, cela permet d’obtenir une variation

de tension de 0 à 24V aux bornes des freins.

La carte de puissance possède aussi un ATU (arrêt d’urgence) qui permet de couper

l’alimentation de tout le fauteuil et donc des modules et freins. Ce dernier est un ATU à

manque de courant et donc permet de bloquer les moteurs.

Un interrupteur marche-arrêt est placé sur la carte afin d’alimenter la carte de commande

de 12V.

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8) La carte de commande :

La carte de commande est alimentée en 12V, voici ses différents composants :

L7805 : Régulateur de tension qui fournit le +5V à partir du 12V de la batterie pour

l’alimentation du PIC et du joystick.

PIC 16F877A : Elément primordial de la carte, il permet de communiquer avec les modules

MD03, de moduler l’alimentation des freins grâce à la sortie PWM2 et permet aussi de

communiquer avec le joystick grâce aux entrée analogiques.

Liaison MD03 : Liaison qui permet de communiquer avec les modules en protocole I²C.

Liaison RS232 : Liaison permettant de communiquer avec un PC afin de faire le transfert de

la programmation dans le PIC.

Capteurs inductifs : Mesure la vitesse. Entrée RB4 pour le capteur droit et RB7 pour le

capteur gauche.

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Les 3 modes de marche : Bouton RESET permet de réinitialiser la vitesse à 0, l’entrée RB3 ; le

bouton « + » permet de passer de la vitesse basse à la vitesse haute l’entrée RB5 ; et le

bouton « – » permet de passer de la vitesse haute à la vitesse basse, entrée RB6.

TC4426A et IRF540N : Driver et Power MOSFET permet de faire varier la modulation de la

tension de 0 à 24V pour l’alimentation des freins.

Visualisation

des modes de

marche :

Vert : vitesse

lente

Orange :

vitesse

moyenne

Rouge :

vitesse rapide

Joystick

Power MOSFETDriver MOSFET

Régulateur de

tensionMasse +12v

PIC 106F877A

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5. Le protocole I²C :

Pour le mode de communication des modules MD03, nous avons choisi le bus I²C.

Le but de ce mode est de faire communiquer plusieurs modules avec seulement 4 fils. Ces

fils sont caractérisés par :

Le signal de données SDA. (Signal DATA)

Le signal d’horloge SCL. (Signal CLOCK)

L’alimentation.

Le signal de référence. (masse)

De plus, il est plus facile de changer d’adresse grâce à des interrupteurs présents sur

l’appareil.

Comme nous l’avions précisé avant, pour utiliser le bus I²C, nous avons besoin de deux fils de

communication (SDA et SCL), une alimentation et un fil de masse. Le premier fil, SDA (Signal

DATA), est utilisé pour transmettre les données. L'autre fil, SCL (Signal CLOCK) est utilisé

pour transmettre un signal d'horloge synchrone (signal qui indique le rythme d'évolution de

la ligne SDA). La vitesse de transfert du bus I²C n’est pas fulgurante mais dans notre cas, la

vitesse n’est pas un élément prédominant donc ce mode nous convient parfaitement.

Fonctionnement du bus I²C :

Pour transmettre des données sur le bus I²C, il faut surveiller deux conditions particulières :

la condition de départ : SCL=1 et SDA passe à 0

la condition d'arrêt : SCL=1 et SDA passe à 1

Le nombre de composants qu'il est possible de connecter sur un bus I²C étant largement

supérieur à deux, le maître doit pouvoir choisir quel esclave est censé recevoir les données.

Dans ce but, le premier octet que transmet le maître, n'est pas une donnée mais une

adresse. Le format de l'octet d'adresse est un peu particulier puisque le bit A0 est réservé

pour indiquer, si le maître demande une lecture à l'esclave ou bien au contraire, si le maître

impose une écriture à l'esclave. Une fois l'adresse envoyée sur le bus, l'esclave concerné doit

répondre en plaçant le bit ACK à 0.

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Si le bit ACK vaut 1, le maître comprend qu'il y a une erreur de sélection et il génère la

condition arrêt. En revanche, si le bit ACK vaut 0, le maître peut continuer les opérations.

Ecriture d’une donnée :

Si le bit R/W (lecture/écriture) envoyé précédemment était à 0, cela signifie que le maître

peut envoyer un ou plusieurs octets de données. Enfin, chaque fois que le bit ACK est valide,

le maître peut continuer son opération, c’est-à-dire de continuer à envoyer ses octets à

l’esclave ou terminer la communication par une condition d’arrêt.

Lecture d’une donnée :

La lecture d’une donnée issue de l’esclave se fait, si le bit R/W est transmis en même temps

que l’adresse et qui est à 1.

Après que l'esclave a transmis les 8 bits de données, c'est le maître, cette fois-ci, qui va

générer un bit d'acquittement. Si le maître désire lire des octets supplémentaires, il placera

le bit d'acquittement à 0. En revanche, si le maître décide que la lecture est terminée, il

placera le bit ACK au niveau 1. L'esclave comprendra alors que le transfert est terminé.

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6. Les tests et les essais :

Pour notre projet, nous avons organisé une méthode de travail afin de ne pas se perdre dans

nos activités. Voici l’ordre des différentes activités que nous avons réalisées :

Test de fonctionnement au niveau des moteurs et des batteries.

Prise en connaissance des différentes cartes électronique (puissance et commande)

et notamment de ses différents composants.

Prise en connaissance des modules MD03. (fonctionnement, raccordements)

Prise en connaissance du protocole I²C.

Analyse au niveau du joystick. (entrée analogiques, mesure tension)

Elaboration d’un programme I²C sur les modules MD03.

Essai de procédure de communication entre la carte de commande et les modules

MD03 via le bus I²C avec un petit moteur de test. (essais de différentes variables, des

sens et des accélérations grâce au joystick) et élaboration de 3 modes de marche.

(reset, lent-rapide, rapide-lent)

Mise en place de l’acquisition fournie par les capteurs de vitesse grâce à

l’oscilloscope pour obtenir une vitesse.

Conversion de cette vitesse et visualisation par le logiciel Tiny Bootloader.

Test au niveau des freins (tension de serrage et desserrage) et mise en place d’une

modulation PWM afin d’économiser la batterie.

Elaboration d’une carte interface sous ISIS et ARES, afin de placer nos 2 capteurs et

nos 3 boutons de mode de marches en raison d’un manque de place sur la carte

existante.

Câblage.

Carte de commande

Liaison RS232

Moteur de test

Module MD03

Joystick

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7. Conclusion :

Ce projet qui est à la fois Electrotechnique-Electronique, nous a permis d’appréhender

beaucoup de choses au niveau de la programmation et le câblage.

Nous avons eu quelques difficultés au niveau de la programmation notamment avec le

protocole I²C, lors de la configuration des modules MD03.

Au cours de ce projet, aucun document ne nous avait été révéler ce qui nous a poser

quelques problèmes au niveau des composants et des cartes existantes.

Certains composants n’ont pas supporté lors des interventions, ce qui nous a obligés à les

remplacer.

Enfin, la réalisation de ce projet nous a permis d’avoir une certaine autonomie et

méthodologie à travers les différentes recherches effectuées. Une expérience pour notre

future vie professionnelle.

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8. Annexe :

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