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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
Dessinez le circuit d’induit : l’alimentation V, la résistance Ra et la f.c.é.m. E en série.
Utilisez V = E + Ia·Ra pour relier tension, courant et f.c.é.m.
Utilisez E = k·ω pour la vitesse et T = k·Ia pour le couple, avec ω = 2π·n/60.
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
Notez les données : fréquence d’échantillonnage, fréquences du signal, nombre de bits, plage d’entrée, débit en bauds.
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.
Pour les questions de résolution, calculez 1 LSB = VFSR/2ᴺ, ou le plus petit N tel que 2ᴺ ≥ étendue/résolution.
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
Considérez le pont comme deux diviseurs de tension alimentés par la même source.
Pour l’équilibre, posez R₁/R₂ = R₃/R₄ et résolvez pour la résistance inconnue.
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.
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
Comptez les pôles de la boucle ouverte C(s)·G(s) en s = 0 : c’est la classe du système.
Calculez la constante d’erreur qui correspond à l’entrée : Kp pour un échelon, Kv pour une rampe, Ka pour une parabole.
Appliquez ess = A/(1 + Kp), A/Kv ou A/Ka, ou résolvez pour le gain nécessaire.
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
Un moteur à courant continu (k = 1,5 V·s/rad, Ra = 0,2 Ω) est alimenté sous 120 V. À pleine charge, il absorbe 20 A. En négligeant le courant à vide, trouvez sa variation de vitesse SR = (n₀ − nFL)/nFL en pourcentage.
V = 120 Vk = 1,5 V·s/radRa = 0,2 ΩIFL = 20 A
SR = %
2.Moteurs à courant continuDifficile
Un hacheur alimente un moteur (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) depuis un bus continu de 240 V. La tension d’induit moyenne est D·240 V. Trouvez le rapport cyclique D qui fait tourner le moteur à 600 rpm avec une charge de 30 N·m.
Un moteur de 1,1 kW tournant à 2900 rpm entraîne un pignon de 36 dents, qui engrène avec une roue de 48 dents. L’engrenage a un rendement de 95 %. Trouvez le couple de sortie T2 sur l’arbre de la roue.
P = 1,1 kWn1 = 2900 rpmN1 = 36N2 = 48η = 95%
T2 = N·m
4.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
Dans un train d’engrenages composé, la roue A (15 dents), sur l’arbre d’entrée qui tourne à 2900 rpm, entraîne la roue B (48 dents). La roue C (30 dents) est solidaire du même arbre que B et entraîne la roue D (60 dents) sur l’arbre de sortie. Trouvez la vitesse de sortie nout.
nin = 2900 rpmA = 15B = 48C = 30D = 60
nout = rpm
5.Acquisition de données et échantillonnageMoyen
Trouvez le rapport signal sur bruit de quantification idéal SQNR d’un CAN de 24 bits pour une sinusoïde pleine échelle.
N = 24
SQNR = dB
6.Acquisition de données et échantillonnageDifficile
Une mesure audio demande un rapport signal sur bruit de quantification idéal d’au moins 96 dB pour une sinusoïde pleine échelle. Trouvez le plus petit nombre de bits N du CAN.
SQNR ≥ 96 dB
N =
7.Pont de Wheatstone et jauges de contrainteMoyen
Une jauge de contrainte de 100 Ω constitue un bras (R₂) d’un pont de quatre bras égaux de 100 Ω avec une alimentation de 2 V. Trouvez la puissance Pg dissipée dans la jauge, en mW. L’auto-échauffement limite l’alimentation.
Vs = 2 VR = 100 Ω
Pg = mW
8.Pont de Wheatstone et jauges de contrainteDifficile
Une cellule de charge (un pont complet de jauges de contrainte) a une sortie nominale de 1,5 mV/V pour sa charge nominale de 500 kg. Elle est alimentée sous 10 V. Trouvez sa sortie Vo sous une charge de 125 kg.
1,5 mV/VFrated = 500 kgVs = 10 VF = 125 kg
Vo = mV
9.Erreur en régime permanent et commande PIDMoyen
Une boucle à retour unitaire avec G(s) = K/(s(s + 4)) doit suivre la rampe r(t) = 5t avec une erreur en régime permanent de 0,1. Trouvez le gain K.
G(s) = K/(s(s + 4))r(t) = 5tess = 0,1
K =
10.Erreur en régime permanent et commande PIDDifficile
Un régulateur proportionnel K = 16 commande le procédé G(s) = 5/(s(s + 5)) dans une boucle à retour unitaire. Trouvez le dépassement %OS en pourcentage de la réponse indicielle.
G(s) = 5/(s(s + 5))K = 16
%OS = %
11.Réponse indicielleMoyen
Un système a pour fonction de transfert G(s) = 96/(s² + 6s + 96) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez la pulsation propre ωn en rad/s.
G(s) = 96/(s² + 6s + 96)
ωn = rad/s
12.Réponse indicielleDifficile
Une masse m = 4 kg est suspendue à un ressort k = 100 N/m avec un amortisseur visqueux c = 24 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Au repos à l’équilibre, une force constante F = 50 N est soudain appliquée. Trouvez l’instant tp où le déplacement est maximal.
m = 4 kgk = 100 N/mc = 24 N·s/mF = 50 N
tp = s
3Solutions
1.Moteurs à courant continu
Réponse: SR = 3,448 %
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.
Vitesse à vide et à pleine charge
n₀ = 60·120/(2π·1,5) = 763,9 rpm
nFL = 60·(120 − 20·0,2)/(2π·1,5) = 738,5 rpm
Variation de vitesse
SR = (763,9 − 738,5)/738,5·100 = 3,448 %
Réponse
SR = 3,448 %
2.Moteurs à courant continu
Réponse: D = 34,02 %
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.
Tension d’induit requise
Va = 1,2·62,83 + 25·0,25 = 81,65 V
Rapport cyclique
D = 81,65/240 = 34,02 %
Réponse
D = 34,02 %
3.Engrenages et trains d’engrenages
Réponse: T2 = 4,588 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/303,7 = 3,622 N·m
Couple de sortie
T2 = 3,622·48/36·0,95 = 4,588 N·m
Réponse
T2 = 4,588 N·m
4.Engrenages et trains d’engrenages
Réponse: nout = 453,1 rpm
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.
Premier étage
nB = 2900·15/48 = 906,3 rpm = nC
Deuxième étage
nout = 906,3·30/60 = 453,1 rpm
Réponse
nout = 453,1 rpm
rapport total = 6,4 : 1
5.Acquisition de données et échantillonnage
Réponse: SQNR = 146,2 dB
Résolution du CAN : un convertisseur de N bits divise sa plage pleine échelle VFSR en 2ᴺ codes, de 0 à 2ᴺ − 1. Un pas vaut 1 LSB = VFSR/2ᴺ : la plus petite variation que le convertisseur peut afficher. Un CAN à troncature donne le code ⌊Vin/LSB⌋ ; un CAN à arrondi n’est jamais à plus de ½ LSB de la valeur réelle, c’est son erreur de quantification. Chaque bit supplémentaire divise le LSB par deux et ajoute environ 6 dB au rapport signal sur bruit de quantification idéal RSBQ = 6,02·N + 1,76 dB pour une sinusoïde pleine échelle. Pour atteindre une résolution r sur une étendue, choisissez le plus petit N tel que 2ᴺ ≥ étendue/r.
RSBQ idéal
SQNR = 6,02·24 + 1,76 = 146,2 dB
Réponse
SQNR = 146,2 dB
6.Acquisition de données et échantillonnage
Réponse: N = 16
Résolution du CAN : un convertisseur de N bits divise sa plage pleine échelle VFSR en 2ᴺ codes, de 0 à 2ᴺ − 1. Un pas vaut 1 LSB = VFSR/2ᴺ : la plus petite variation que le convertisseur peut afficher. Un CAN à troncature donne le code ⌊Vin/LSB⌋ ; un CAN à arrondi n’est jamais à plus de ½ LSB de la valeur réelle, c’est son erreur de quantification. Chaque bit supplémentaire divise le LSB par deux et ajoute environ 6 dB au rapport signal sur bruit de quantification idéal RSBQ = 6,02·N + 1,76 dB pour une sinusoïde pleine échelle. Pour atteindre une résolution r sur une étendue, choisissez le plus petit N tel que 2ᴺ ≥ étendue/r.
Résoudre pour N
N ≥ (96 − 1,76)/6,02 = 15,65
Arrondir vers le haut
N = 16
vérification: 6,02·16 + 1,76 = 98,08 dB ≥ 96 dB
Réponse
N = 16
7.Pont de Wheatstone et jauges de contrainte
Réponse: Pg = 10 mW
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 aux bornes de la jauge
V = 2/2 = 1 V
Puissance
Pg = 1²/100 = 10 mW
Réponse
Pg = 10 mW
8.Pont de Wheatstone et jauges de contrainte
Réponse: Vo = 3,75 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.
Sortie à pleine échelle
1,5·10 = 15 mV
Sortie à cette charge
Vo = 15·125/500 = 3,75 mV
Réponse
Vo = 3,75 mV
9.Erreur en régime permanent et commande PID
Réponse: K = 200
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 de vitesse requise
Kv = A/ess = 5/0,1 = 50
Gain
K = 4·Kv = 200
Réponse
K = 200
Un gain élevé rend cette boucle très faiblement amortie : ζ = 0,1414. Ce conflit explique le recours aux correcteurs.
10.Erreur en régime permanent et commande PID
Réponse: %OS = 40,07 %
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).
Polynôme caractéristique
s(s + 5) + 16·5 = s² + 5s + 80
ωₙ et ζ
ωₙ = √80 = 8,944 rad/s
ζ = 5/(2·8,944) = 0,2795
Dépassement
%OS = 100·e−0,2795π/√(1 − 0,2795²) = 40,07 %
Réponse
%OS = 40,07 %
11.Réponse indicielle
Réponse: ωn = 9,798 rad/s
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 = 96 → ωₙ = 9,798 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·9,798) = 0,3062
Résultat
ωₙ = 9,798 rad/s
Réponse
ωn = 9,798 rad/s
12.Réponse indicielle
Réponse: tp = 0,7854 s
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).