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)11,25 N·mn0​n = ?

Un moteur à courant continu (k = 0,75 N·m/A, Ra = 0,25 Ω) est alimenté sous 110 V et entraîne une charge de couple 11,25 N·m. Trouvez sa vitesse n en rpm.

V = 110 Vk = 0,75 N·m/ARa = 0,25 ΩT = 11,25 N·m
n = rpm
2.Moteurs à courant continuDifficile
+−240 VRa​ = 1,5 ΩM+−En = ?T = 30 N·m

Un moteur à courant continu à excitation indépendante (k = 2 V·s/rad à plein champ, Ra = 1,5 Ω, V = 240 V) entraîne une charge de couple constant 30 N·m. Le flux d’excitation est réduit à 90 % de sa valeur maximale. Trouvez la nouvelle vitesse n.

V = 240 Vk = 2 V·s/radRa = 1,5 ΩT = 30 N·mΦ = 90 %
n = rpm
3.Engrenages et trains d’engrenagesMoyen
N1​ = 30N2​ = 72

Un moteur de 11 kW tournant à 2900 rpm entraîne un pignon de 30 dents, qui engrène avec une roue de 72 dents. L’engrenage a un rendement de 96 %. Trouvez le couple de sortie T2 sur l’arbre de la roue.

P = 11 kWn1 = 2900 rpmN1 = 30N2 = 72η = 96%
T2 = N·m
4.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
A = 48B = 80C = 20D = 30

Dans un train d’engrenages composé, la roue A (48 dents), sur l’arbre d’entrée qui tourne à 2900 rpm, entraîne la roue B (80 dents). La roue C (20 dents) est solidaire du même arbre que B et entraîne la roue D (30 dents) sur l’arbre de sortie. Trouvez la vitesse de sortie nout.

nin = 2900 rpmA = 48B = 80C = 20D = 30
nout = rpm
5.Acquisition de données et échantillonnageMoyen
Vin​N = 122,5 V2ᴺ − 101 LSB0,64 V?

Un CAN de 12 bits, de plage d’entrée 0 à 2,5 V, fonctionne par troncature : son code de sortie est ⌊Vin/LSB⌋ avec 1 LSB = VFSR/2ᴺ. Trouvez le code de sortie décimal D pour une entrée de 0,64 V.

N = 12VFSR = 2,5 VVin = 0,64 V
D =
6.Acquisition de données et échantillonnageDifficile
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Une mesure audio demande un rapport signal sur bruit de quantification idéal d’au moins 70 dB pour une sinusoïde pleine échelle. Trouvez le plus petit nombre de bits N du CAN.

SQNR ≥ 70 dB
N =
7.Pont de Wheatstone et jauges de contrainteMoyen
+−10 VR1​ = 500 ΩR2​ = 40 ΩR3​ = 150 ΩR4​ = 400 Ωab+−Rth​ = ?

Trouvez la résistance de Thévenin Rth du pont représenté, vue des bornes de sortie a et b.

Vs = 10 VR1 = 500 ΩR2 = 40 ΩR3 = 150 ΩR4 = 400 Ω
Rth = Ω
8.Pont de Wheatstone et jauges de contrainteDifficile
+−2,5 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​ = ?

Un pont à bras de 120 Ω est alimenté sous 2,5 V et comporte une jauge active (quart de pont). Le facteur de jauge est 2 et la déformation est de 250 µε. Trouvez la sortie du pont Vo en mV.

Vs = 2,5 VGF = 2ε = 250 µε
Vo = mV
9.Erreur en régime permanent et commande PIDMoyen
r(t) = 10·t²/2+20(s + 1)s²(s + 1)C(s)−

L’entrée parabolique r(t) = 10·t²/2 est appliquée à une boucle à retour unitaire avec G(s) = 20(s + 1)/(s²(s + 1)). Trouvez l’erreur en régime permanent ess.

G(s) = 20(s + 1)/(s²(s + 1))r(t) = 10·t²/2
ess =
10.Erreur en régime permanent et commande PIDDifficile
R(s)+K = 502s(s + 6)C(s)−

Un régulateur proportionnel K = 50 commande le procédé G(s) = 2/(s(s + 6)) dans une boucle à retour unitaire. Trouvez le dépassement %OS en pourcentage de la réponse indicielle.

G(s) = 2/(s(s + 6))K = 50
%OS = %
11.Réponse indicielleMoyen
t (s)y(t)1?

Un système a pour fonction de transfert G(s) = 20/(s² + 5s + 20) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez le dépassement %OS en pourcentage de la réponse indicielle.

G(s) = 20/(s² + 5s + 20)
%OS = %
12.Réponse indicielleDifficile
R(s)+Ks(s + 2)G(s)C(s)−

Une boucle à retour unitaire négatif a G(s) = K/(s(s + 2)). Trouvez le gain K qui donne une réponse indicielle avec 25 % de dépassement.

G(s) = K/(s(s + 2))%OS = 25 %
K =

3Solutions

1.Moteurs à courant continu

Réponse: n = 1353 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 = 11,25/0,75 = 15 A

F.c.é.m. et vitesse

E = 110 − 15·0,25 = 106,3 V
ω = E/k = 141,7 rad/s → n = 1353 rpm

Réponse

n = 1353 rpm
2.Moteurs à courant continu

Réponse: n = 1141 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.

Constante de moteur affaiblie

k₂ = 0,9·2 = 1,8 V·s/rad

Nouveau courant d’induit

Ia = 30/1,8 = 16,67 A

Nouvelle vitesse

ω = (240 − 16,67·1,5)/1,8 = 119,4 rad/s → n = 1141 rpm

Réponse

n = 1141 rpm

L’affaiblissement du champ permet à un variateur de moteur à courant continu de dépasser sa vitesse de base.

3.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: T2 = 83,45 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 = 11000/303,7 = 36,22 N·m

Couple de sortie

T2 = 36,22·72/30·0,96 = 83,45 N·m

Réponse

T2 = 83,45 N·m
4.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: nout = 1160 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 = 2900·48/80 = 1740 rpm = nC

Deuxième étage

nout = 1740·20/30 = 1160 rpm

Réponse

nout = 1160 rpm

rapport total = 2,5 : 1

5.Acquisition de données et échantillonnage

Réponse: D = 1048

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.

Pas de quantification

1 LSB = 2,5/212 = 0,6104 mV

Code

Vin/LSB = 640/0,6104 = 1049
code = ⌊1049⌋ = 1048

Réponse

D = 1048

En binaire, cela donne 010000011000.

6.Acquisition de données et échantillonnage

Réponse: N = 12

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 ≥ (70 − 1,76)/6,02 = 11,34

Arrondir vers le haut

N = 12
vérification: 6,02·12 + 1,76 = 74 dB ≥ 70 dB

Réponse

N = 12
7.Pont de Wheatstone et jauges de contrainte

Réponse: Rth = 146,1 Ω

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.

Alimentation court-circuitée

R₁∥R₂ = 500·40/540 = 37,04 Ω
R₃∥R₄ = 150·400/550 = 109,1 Ω

Résistance de Thévenin

Rth = 146,1 Ω

Réponse

Rth = 146,1 Ω
8.Pont de Wheatstone et jauges de contrainte

Réponse: Vo = 0,3125 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 = 2·250·10⁻⁶ = 0,0005

Sortie du pont

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 2,5·0,0005/4 = 0,3125 mV

Réponse

Vo = 0,3125 mV
9.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: ess = 0,5

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 = 20·1/1 = 20

Erreur sur la parabole

ess = 10/20 = 0,5

Réponse

ess = 0,5
10.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: %OS = 37,23 %

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 + 6) + 50·2 = s² + 6s + 100

ωₙ et ζ

ωₙ = √100 = 10 rad/s
ζ = 6/(2·10) = 0,3

Dépassement

%OS = 100·e−0,3π/√(1 − 0,3²) = 37,23 %

Réponse

%OS = 37,23 %
11.Réponse indicielle

Réponse: %OS = 12,03 %

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 = 20 → ωₙ = 4,472 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·4,472) = 0,559

Résultat

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,118 = 12,03 %

Réponse

%OS = 12,03 %
12.Réponse indicielle

Réponse: K = 6,136

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).

Fonction de transfert en boucle fermée

T(s) = K/(s² + 2s + K)

Coefficient d’amortissement à partir du dépassement

ζ = −ln(0,25)/√(π² + ln²(0,25)) = 0,4037

Gain

ωₙ = 2/(2ζ) = 2,477 rad/s
K = ωₙ² = 6,136

Réponse

K = 6,136

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