Systèmes mécatroniques : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 12 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Moteurs à courant continu

Circuit d’induit
V = E + IaRa
F.c.é.m. et couple
E = k·ω, T = k·Ia
Vitesse
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Vitesse à vide et couple de blocage
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Puissances
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Démarrage
Istart = V/(Ra + Rst)
Variation de vitesse
SR = (n0 − nFL)/nFL
Puissance développée maximale
Pmax = V²/(4Ra)
Entraînement par hacheur
Va = D·Vdc

Méthode

  1. Dessinez le circuit d’induit : l’alimentation V, la résistance Ra et la f.c.é.m. E en série.
  2. Utilisez V = E + Ia·Ra pour relier tension, courant et f.c.é.m.
  3. Utilisez E = k·ω pour la vitesse et T = k·Ia pour le couple, avec ω = 2π·n/60.
  4. Pour la puissance et le rendement, partez de V·Ia, soustrayez les pertes Joule Ia²·Ra, puis les pertes mécaniques.

Engrenages et trains d’engrenages

Roues en prise
n1·N1 = n2·N2
Couple
T2 = T1·(N2/N1)·η
Puissance
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Train composé
rapport total = produit des rapports de chaque étage

Acquisition de données et échantillonnage

Critère de Nyquist
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Fréquence d’alias
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Pas de quantification
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Erreur de quantification (arrondi)
±½ LSB
CAN à troncature
D = ⌊Vin/LSB⌋
Nombre de bits pour une résolution r
2ᴺ ≥ span/r
RSBQ idéal, sinusoïde pleine échelle
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Débit de données
canaux × fs × N bit/s
CAN multiplexé
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud ; 8N1 = 10 bits par octet ; octets/s = baud/bits par trame
Diviseur de débit en bauds
baud = fclk/(16·D)

Méthode

  1. Notez les données : fréquence d’échantillonnage, fréquences du signal, nombre de bits, plage d’entrée, débit en bauds.
  2. Pour les questions d’échantillonnage, comparez chaque fréquence à fs/2 ; une fréquence plus élevée apparaît à fa = |f − k·fs|, avec le multiple de fs le plus proche.
  3. Pour les questions de résolution, calculez 1 LSB = VFSR/2ᴺ, ou le plus petit N tel que 2ᴺ ≥ étendue/résolution.
  4. Pour les débits et les liaisons UART, comptez tout ce qui est envoyé : canaux, échantillons par seconde, bits ou octets entiers par échantillon, et bits de start, de parité et de stop de chaque trame.

Pont de Wheatstone et jauges de contrainte

Tensions des diviseurs
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Sorties
Vab = Va − Vb
Bilan
R1/R2 = R3/R4
Pont à fil
R/Rx = l/(100 − l)
Résistance de Thévenin
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Facteur de jauge
ΔR/R = GF·ε
Sortie du pont
quart Vs·GF·ε/4, demi Vs·GF·ε/2, complet Vs·GF·ε
Petite variation, un seul bras
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Contrainte
σ = E·ε

Méthode

  1. Considérez le pont comme deux diviseurs de tension alimentés par la même source.
  2. Pour l’équilibre, posez R₁/R₂ = R₃/R₄ et résolvez pour la résistance inconnue.
  3. Pour un pont déséquilibré, trouvez Va et Vb avec les diviseurs et faites la différence ; utilisez l’équivalent de Thévenin lorsqu’un appareil de mesure charge la sortie.
  4. Pour les jauges de contrainte, convertissez la déformation en ΔR/R = GF·ε et utilisez Vs·GF·ε/4, /2 ou ×1 pour un quart de pont, un demi-pont ou un pont complet.

Erreur en régime permanent et commande PID

Classe du système
nombre de pôles de G(s) en s = 0
Constantes d’erreur
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Échelon A
ess = A/(1 + Kp)
Rampe A·t
ess = A/Kv
Parabole A·t²/2
ess = A/Ka
Régulateur PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Cible du second ordre
s² + 2ζωns + ωn²
Dépassement et temps de réponse
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Méthode

  1. Comptez les pôles de la boucle ouverte C(s)·G(s) en s = 0 : c’est la classe du système.
  2. Calculez la constante d’erreur qui correspond à l’entrée : Kp pour un échelon, Kv pour une rampe, Ka pour une parabole.
  3. Appliquez ess = A/(1 + Kp), A/Kv ou A/Ka, ou résolvez pour le gain nécessaire.
  4. Pour une spécification d’amortissement ou de vitesse, écrivez le polynôme caractéristique en boucle fermée et identifiez-le à s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Exercices

1.Moteurs à courant continuMoyen
T (N·m)n (rpm)9,6 N·mn0​n = ?

Un moteur à courant continu (k = 0,8 N·m/A, Ra = 1,5 Ω) est alimenté sous 220 V et entraîne une charge de couple 9,6 N·m. Trouvez sa vitesse n en rpm.

V = 220 Vk = 0,8 N·m/ARa = 1,5 ΩT = 9,6 N·m
n = rpm
2.Moteurs à courant continuDifficile
+−48 VRa​ = 0,5 ΩIa​: 4 → 2,4 AM+−En = ?T

Un moteur à courant continu à excitation indépendante, alimenté sous 48 V (Ra = 0,5 Ω), tourne à 1440 rpm avec un courant d’induit de 4 A. La charge change et le courant devient 2,4 A, le champ restant inchangé. Trouvez la nouvelle vitesse n2.

V = 48 VRa = 0,5 Ωn1 = 1440 rpmIa1 = 4 AIa2 = 2,4 A
n2 = rpm
3.Engrenages et trains d’engrenagesMoyen
N1​ = 18N2​ = 24

Un moteur de 15 kW tournant à 1450 rpm entraîne un pignon de 18 dents, qui engrène avec une roue de 24 dents. L’engrenage a un rendement de 95 %. Trouvez le couple de sortie T2 sur l’arbre de la roue.

P = 15 kWn1 = 1450 rpmN1 = 18N2 = 24η = 95%
T2 = N·m
4.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
A = 15B = 48C = 18D = 30

Un moteur de 15 kW à 960 tr/min entraîne la roue A (15 dents), qui engrène avec la roue B (48 dents). La roue C (18 dents), sur le même arbre que B, entraîne la roue D (30 dents) sur l’arbre de sortie. Chaque engrènement a un rendement de 96 %. Trouvez le couple de sortie Tout.

P = 15 kWnin = 960 rpmA = 15B = 48C = 18D = 30ηmesh = 96%
Tout = N·m
5.Acquisition de données et échantillonnageMoyen
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​10·Tb​115200 Bd, 8N1

Un UART envoie des octets à 115200 bauds au format 8N1 : 8 bits de données, sans parité et 1 bit(s) de stop, plus le bit de start. Trouvez le plus grand nombre d’octets de données par seconde qu’il peut transférer.

baud = 115200 Bd8N1
RB = B/s
6.Acquisition de données et échantillonnageDifficile
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​10·Tb​9600 Bd, 8N1

Un CAN de 10 bits transmet chaque échantillon par un UART à 9600 bauds, au format 8N1 (bit de start, 8 bits de données, 1 bit de stop). Chaque échantillon est envoyé sur 2 octet(s) entier(s) et la liaison est occupée en permanence. Trouvez la plus haute fréquence du signal fmax qui peut être échantillonnée sans repliement, en Hz.

baud = 9600 BdN = 108N1
fmax = Hz
7.Pont de Wheatstone et jauges de contrainteMoyen
+−10 VR1​ = 150 ΩR2​ = 60 ΩR3​ = 120 ΩR4​ = 500 ΩabGRg​ = 100 Ω

Un galvanomètre de résistance 100 Ω est branché entre a et b du pont représenté (Vs = 10 V). Trouvez le courant Ig du galvanomètre de a vers b, en µA.

Vs = 10 VR1 = 150 ΩR2 = 60 ΩR3 = 120 ΩR4 = 500 ΩRg = 100 Ω
Ig = µA
8.Pont de Wheatstone et jauges de contrainteDifficile
+−3 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω + ΔR120 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Un pont à bras de 120 Ω est alimenté sous 3 V et comporte quatre jauges actives, deux en traction et deux en compression (pont complet). Le facteur de jauge est 2,05 et la déformation est de 500 µε. Trouvez la sortie du pont Vo en mV.

Vs = 3 VGF = 2,05ε = 500 µε
Vo = mV
9.Erreur en régime permanent et commande PIDMoyen
r(t) = 2·t²/2+5(s + 5)s²(s + 4)C(s)−

L’entrée parabolique r(t) = 2·t²/2 est appliquée à une boucle à retour unitaire avec G(s) = 5(s + 5)/(s²(s + 4)). Trouvez l’erreur en régime permanent ess.

G(s) = 5(s + 5)/(s²(s + 4))r(t) = 2·t²/2
ess =
10.Erreur en régime permanent et commande PIDDifficile
r(t) = 1t+1 + 1/s5(s + 4)(s + 5)C(s)−

Un régulateur PI C(s) = 1 + 1/s commande le procédé G(s) = 5/((s + 4)(s + 5)) dans une boucle à retour unitaire. Trouvez l’erreur en régime permanent ess pour l’entrée en rampe r(t) = 1t.

C(s) = 1 + 1/sG(s) = 5/((s + 4)(s + 5))r(t) = 1t
ess =
11.Réponse indicielleMoyen
t (s)y(t)0,5

Un système a pour fonction de transfert G(s) = 5,5/(s² + 4s + 11) et reçoit un échelon unitaire. Les pôles sont s = σ ± jωd. Trouvez la partie réelle σ.

G(s) = 5,5/(s² + 4s + 11)
σ =
12.Réponse indicielleDifficile
k = 2000 N/mc = 6 N·s/mm = 0,5 kgF = 10 Nx(t)

Une masse m = 0,5 kg est suspendue à un ressort k = 2000 N/m avec un amortisseur visqueux c = 6 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Au repos à l’équilibre, une force constante F = 10 N est soudain appliquée. Trouvez le dépassement %OS en pourcentage du déplacement.

m = 0,5 kgk = 2000 N/mc = 6 N·s/mF = 10 N
%OS = %

3Solutions

1.Moteurs à courant continu

Réponse: n = 2411 rpm

Moteur à courant continu : l’induit est une résistance Ra en série avec la force contre-électromotrice E, donc V = E + Ia·Ra. La force contre-électromotrice croît avec la vitesse, E = k·ω, et le couple avec le courant, T = k·Ia, avec la même constante de moteur k (V·s/rad = N·m/A) en unités SI. Convertissez les vitesses avec ω = 2π·n/60. La puissance développée est E·Ia = T·ω ; la puissance d’entrée est V·Ia, et la différence correspond aux pertes par effet Joule Ia²Ra et aux pertes mécaniques. La vitesse diminue linéairement avec le couple, ω = V/k − Ra·T/k², de la vitesse à vide V/k jusqu’à zéro au couple de blocage k·V/Ra. À l’arrêt, E = 0, donc le courant de démarrage V/Ra est élevé, sauf si une résistance le limite.

Courant d’induit

Ia = T/k = 9,6/0,8 = 12 A

F.c.é.m. et vitesse

E = 220 − 12·1,5 = 202 V
ω = E/k = 252,5 rad/s → n = 2411 rpm

Réponse

n = 2411 rpm
2.Moteurs à courant continu

Réponse: n2 = 1465 rpm

Moteur à courant continu : l’induit est une résistance Ra en série avec la force contre-électromotrice E, donc V = E + Ia·Ra. La force contre-électromotrice croît avec la vitesse, E = k·ω, et le couple avec le courant, T = k·Ia, avec la même constante de moteur k (V·s/rad = N·m/A) en unités SI. Convertissez les vitesses avec ω = 2π·n/60. La puissance développée est E·Ia = T·ω ; la puissance d’entrée est V·Ia, et la différence correspond aux pertes par effet Joule Ia²Ra et aux pertes mécaniques. La vitesse diminue linéairement avec le couple, ω = V/k − Ra·T/k², de la vitesse à vide V/k jusqu’à zéro au couple de blocage k·V/Ra. À l’arrêt, E = 0, donc le courant de démarrage V/Ra est élevé, sauf si une résistance le limite.

F.c.é.m. avant et après

E1 = 48 − 4·0,5 = 46 V
E2 = 48 − 2,4·0,5 = 46,8 V

Nouvelle vitesse

n2 = 1440·46,8/46 = 1465 rpm

Réponse

n2 = 1465 rpm
3.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: T2 = 125,1 N·m

Trains d’engrenages : des roues en prise ont la même vitesse au niveau des dents, donc n₁·N₁ = n₂·N₂ : la roue qui a le moins de dents tourne le plus vite. Des roues montées sur un même arbre tournent à la même vitesse. La puissance est transmise (aux pertes près), donc le couple augmente quand la vitesse diminue : T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, et P = T·ω avec ω = 2π·n/60.

Couple moteur

ω₁ = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 15000/151,8 = 98,79 N·m

Couple de sortie

T2 = 98,79·24/18·0,95 = 125,1 N·m

Réponse

T2 = 125,1 N·m
4.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: Tout = 733,4 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Vitesse de sortie

nout = 960·(15/48)·(18/30) = 180 rpm
ωout = 2π·180/60 = 18,85 rad/s

Puissance et couple de sortie

Pout = 15000·0,96² = 13824 W
Tout = Pout/ωout = 13824/18,85 = 733,4 N·m

Réponse

Tout = 733,4 N·m
5.Acquisition de données et échantillonnage

Réponse: RB = 11520 B/s

UART : une liaison série asynchrone envoie chaque octet sous forme de trame : un bit de start (bas), les bits de données, un bit de parité facultatif et un ou deux bits de stop (haut). Le débit en bauds est le nombre de bits par seconde, donc un bit dure Tb = 1/baud et une trame de n bits dure n/baud. Le format courant 8N1 compte 10 bits par octet. Le générateur de bauds divise l’horloge : baud = fclk/(16·D) avec un entier D, donc le débit réel diffère légèrement de la cible ; une erreur inférieure à 2 % environ est généralement acceptable.

Bits par trame

1 + 8 + 0 + 1 = 10

Débit en octets

115200/10 = 11520 B/s

Réponse

RB = 11520 B/s
6.Acquisition de données et échantillonnage

Réponse: fmax = 240 Hz

UART : une liaison série asynchrone envoie chaque octet sous forme de trame : un bit de start (bas), les bits de données, un bit de parité facultatif et un ou deux bits de stop (haut). Le débit en bauds est le nombre de bits par seconde, donc un bit dure Tb = 1/baud et une trame de n bits dure n/baud. Le format courant 8N1 compte 10 bits par octet. Le générateur de bauds divise l’horloge : baud = fclk/(16·D) avec un entier D, donc le débit réel diffère légèrement de la cible ; une erreur inférieure à 2 % environ est généralement acceptable.

Bits par échantillon sur la ligne

2·10 = 20 bit

Fréquence d’échantillonnage maximale

fs,max = 9600/20 = 480 Hz

Limite de Nyquist

fmax = 480/2 = 240 Hz

Réponse

fmax = 240 Hz
7.Pont de Wheatstone et jauges de contrainte

Réponse: Ig = −21731 µA

Pont de Wheatstone : deux diviseurs de tension partagent une même alimentation Vs. Le diviseur de gauche R1–R2 donne Va = Vs·R2/(R1 + R2) et le diviseur de droite R3–R4 donne Vb = Vs·R4/(R3 + R4) ; la sortie est Vab = Va − Vb. Le pont est équilibré (Vab = 0, aucun courant dans l’appareil de mesure) lorsque R1/R2 = R3/R4, c’est-à-dire R1·R4 = R2·R3. Vu de la sortie, le pont est une source de Thévenin avec Rth = R1∥R2 + R3∥R4.

Tension de Thévenin

Vth = 10·(60/210 − 500/620) = −5,207 V

Résistance de Thévenin

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 139,6 Ω

Courant du galvanomètre

Ig = −5,207/(139,6 + 100) = −21731 µA

Réponse

Ig = −21731 µA
8.Pont de Wheatstone et jauges de contrainte

Réponse: Vo = 3,075 mV

Jauges de contrainte : une jauge change de résistance sous l’effet de la déformation : ΔR/R = GF·ε, où le facteur de jauge GF vaut environ 2 pour une feuille métallique. Dans un pont dont tous les bras valent R, une jauge active (quart de pont) donne Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Deux jauges actives soumises à des déformations opposées dans des bras adjacents (demi-pont) donnent Vs·GF·ε/2, et quatre (pont complet) donnent Vs·GF·ε. La contrainte se déduit de la loi de Hooke, σ = E·ε. Les cellules de charge indiquent leur sensibilité en mV/V : la sortie à pleine charge par volt d’alimentation.

Variation relative de résistance

ΔR/R = 2,05·500·10⁻⁶ = 0,001025

Sortie du pont

Vo = Vs·GF·ε = 3·0,001025 = 3,075 mV

Réponse

Vo = 3,075 mV
9.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: ess = 0,32

Erreur en régime permanent : dans une boucle à retour unitaire de fonction de transfert en boucle ouverte G(s), l’erreur est E(s) = R(s)/(1 + G(s)), et d’après le théorème de la valeur finale ess = lims→0 s·E(s). La classe du système est le nombre de pôles de G(s) en s = 0. Les constantes d’erreur sont Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) et Ka = lim s²·G(s), toutes pour s → 0. Un échelon d’amplitude A donne ess = A/(1 + Kp), une rampe A·t donne A/Kv et une parabole A·t²/2 donne A/Ka. Une boucle de classe 0 suit un échelon avec une erreur finie ; une boucle de classe 1 le suit exactement et suit une rampe avec une erreur finie.

Constante d’accélération

Ka = 5·5/4 = 6,25

Erreur sur la parabole

ess = 2/6,25 = 0,32

Réponse

ess = 0,32
10.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: ess = 4

Commande P, PI et PID : le régulateur C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s agit sur l’erreur. Un gain proportionnel rend la boucle plus rapide et réduit l’erreur d’un procédé de classe 0, mais ne la supprime jamais. Le terme intégral ajoute un pôle en s = 0 : la classe du système augmente d’une unité, et un échelon est suivi sans erreur. Le terme dérivé ajoute de l’amortissement. Pour choisir les gains, écrivez le polynôme caractéristique en boucle fermée et comparez-le à s² + 2ζωns + ωn². On a alors %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd avec ωd = ωn√(1 − ζ²), et ts ≈ 4/(ζωn).

Constante de vitesse

s·C(s) = 1s + 1 → 1 lorsque s → 0.

Kv = 1·5/20 = 0,25

Erreur sur la rampe

ess = 1/0,25 = 4

Réponse

ess = 4

Le régulateur PI supprime complètement l’erreur sur un échelon ; une rampe est suivie avec un retard constant.

11.Réponse indicielle

Réponse: σ = −2

Réponse indicielle : un système du premier ordre G(s) = K/(τs + 1) répond à un échelon d’amplitude U par y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) : il atteint 63,2 % de la valeur finale K·U après une constante de temps τ et 98 % après 4τ. Un système du second ordre G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) a pour pôles s = −ζωₙ ± jωd avec ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Pour 0 < ζ < 1, la réponse indicielle dépasse sa valeur finale : dépassement en pourcentage %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), temps du premier pic tp = π/ωd, et temps de réponse à 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Comparez le dénominateur avec s² + 2ζωₙs + ωₙ² pour lire ωₙ et ζ. Pour un système masse–ressort–amortisseur, ωₙ = √(k/m) et ζ = c/(2√(km)) ; pour un circuit RLC série, ωₙ = 1/√(LC) et ζ = (R/2)·√(C/L).

Comparez avec la forme standard

Le dénominateur doit correspondre à s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 11 → ωₙ = 3,317 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·3,317) = 0,603

Résultat

σ = −ζωₙ = −4/2 = −2

Réponse

σ = −2
12.Réponse indicielle

Réponse: %OS = 74,13 %

Réponse indicielle : un système du premier ordre G(s) = K/(τs + 1) répond à un échelon d’amplitude U par y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) : il atteint 63,2 % de la valeur finale K·U après une constante de temps τ et 98 % après 4τ. Un système du second ordre G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) a pour pôles s = −ζωₙ ± jωd avec ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Pour 0 < ζ < 1, la réponse indicielle dépasse sa valeur finale : dépassement en pourcentage %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), temps du premier pic tp = π/ωd, et temps de réponse à 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Comparez le dénominateur avec s² + 2ζωₙs + ωₙ² pour lire ωₙ et ζ. Pour un système masse–ressort–amortisseur, ωₙ = √(k/m) et ζ = c/(2√(km)) ; pour un circuit RLC série, ωₙ = 1/√(LC) et ζ = (R/2)·√(C/L).

Pulsation propre et coefficient d’amortissement

ωₙ = √(k/m) = √(2000/0,5) = 63,25 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 6/(2·√(2000·0,5)) = 0,09487

Résultat

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 74,13 %

Réponse

%OS = 74,13 %

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