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)12 N·mn0​n = ?

Un moteur à courant continu (k = 1,2 N·m/A, Ra = 0,8 Ω) est alimenté sous 110 V et entraîne une charge de couple 12 N·m. Trouvez sa vitesse n en rpm.

V = 110 Vk = 1,2 N·m/ARa = 0,8 ΩT = 12 N·m
n = rpm
2.Moteurs à courant continuDifficile
+−110 VRst​ = ?Ra​ = 1 Ω20 AM+−E = 0n = 0T

Un moteur à courant continu de 110 V a une résistance d’induit de 1 Ω. Trouvez la résistance de démarrage en série Rst qui limite le courant de démarrage à 20 A.

V = 110 VRa = 1 ΩImax = 20 A
Rst = Ω
3.Engrenages et trains d’engrenagesMoyen
N1​ = 24, m = 4 mm

Un moteur de 5,5 kW tournant à 1440 tr/min entraîne un pignon de 24 dents et de module 4 mm. Trouvez l’effort tangentiel Ft sur les dents du pignon.

P = 5,5 kWn = 1440 rpmN1 = 24m = 4 mm
Ft = N
4.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
d1​ = 200 mmd2​ = 315 mm1440 rpmC = 1200 mmθ = ?

Une courroie ouverte relie une poulie de 200 mm et une poulie de 315 mm dont les centres sont distants de 1200 mm. Trouvez l’angle d’enroulement θ sur la plus petite poulie, en degrés.

d1 = 200 mmd2 = 315 mmC = 1200 mm
θ = °
5.Acquisition de données et échantillonnageMoyen
Vin​N = ?3,3 V2ᴺ − 10≤ 1 mV

Un CAN de plage d’entrée 0 à 3,3 V doit résoudre des pas de 1 mV ou moins. Trouvez le plus petit nombre de bits N.

VFSR = 3,3 Vrésolution = 1 mV
N =
6.Acquisition de données et échantillonnageDifficile
122 ch∿01tc​ = 2 µstset​ = 2,5 µsfs​ = ?

Un multiplexeur à 2 canaux alimente un seul CAN. Chaque conversion dure 2 µs, et après chaque changement de canal l’entrée a besoin de 2,5 µs pour se stabiliser. Les canaux sont balayés à tour de rôle sans pause. Trouvez la fréquence d’échantillonnage fs de chaque canal, en kHz.

n = 2tc = 2 µstset = 2,5 µs
fs = kHz
7.Pont de Wheatstone et jauges de contrainteMoyen
+−9 VR1​ = 400 ΩR2​ = 250 ΩR3​ = 600 ΩR4​ = 800 ΩabGRg​ = 500 Ω

Un galvanomètre de résistance 500 Ω est branché entre a et b du pont représenté (Vs = 9 V). Trouvez le courant Ig du galvanomètre de a vers b, en µA.

Vs = 9 VR1 = 400 ΩR2 = 250 ΩR3 = 600 ΩR4 = 800 ΩRg = 500 Ω
Ig = µA
8.Pont de Wheatstone et jauges de contrainteDifficile
+−10 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​ = ?

Un pont à bras de 350 Ω est alimenté sous 10 V et comporte une jauge active (quart de pont). Le facteur de jauge est 2,1 et la déformation est de 1200 µε. Trouvez la sortie du pont Vo en mV.

Vs = 10 VGF = 2,1ε = 1200 µε
Vo = mV
9.Erreur en régime permanent et commande PIDMoyen
r(t) = 1·t²/2+5(s + 1)s²(s + 4)C(s)−

L’entrée parabolique r(t) = 1·t²/2 est appliquée à une boucle à retour unitaire avec G(s) = 5(s + 1)/(s²(s + 4)). Trouvez l’erreur en régime permanent ess.

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

Un régulateur PI C(s) = 2 + 10/s commande le procédé G(s) = 2/((s + 1)(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) = 2 + 10/sG(s) = 2/((s + 1)(s + 5))r(t) = 1t
ess =
11.Réponse indicielleMoyen
t (s)y(t)3ts​ = ?

Un système a pour fonction de transfert G(s) = 300/(s² + 6s + 100) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez le temps de réponse à 2 % ts de la réponse indicielle, avec ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 300/(s² + 6s + 100)
ts = s
12.Réponse indicielleDifficile
+−5 VR = 28 ΩL = 200 mHC = 10 µFvC​

Un circuit RLC série avec R = 28 Ω, L = 200 mH et C = 10 µF est relié à un échelon de 5 V à t = 0. Le condensateur est déchargé et aucun courant ne circule avant l’échelon. Trouvez la pulsation propre non amortie ωn en rad/s.

R = 28 ΩL = 200 mHC = 10 µFV = 5 V
ωn = rad/s

3Solutions

1.Moteurs à courant continu

Réponse: n = 811,7 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 = 12/1,2 = 10 A

F.c.é.m. et vitesse

E = 110 − 10·0,8 = 102 V
ω = E/k = 85 rad/s → n = 811,7 rpm

Réponse

n = 811,7 rpm
2.Moteurs à courant continu

Réponse: Rst = 4,5 Ω

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.

Résistance totale

Ra + Rst = 110/20 = 5,5 Ω

Résistance de démarrage

Rst = 5,5 − 1 = 4,5 Ω

Réponse

Rst = 4,5 Ω

La résistance est court-circuitée par étapes à mesure que le moteur accélère et que la f.c.é.m. augmente.

3.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: Ft = 759,9 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Couple sur le pignon

ω = 2π·1440/60 = 150,8 rad/s
T = P/ω = 5500/150,8 = 36,47 N·m

Diamètre primitif

d = m·N = 4·24 = 96 mm

Effort tangentiel

Ft = 2T/d = 2·36,47/0,096 = 759,9 N

Réponse

Ft = 759,9 N
4.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: θ = 174,5 °

Transmissions par courroie : sans glissement, les deux poulies ont la même vitesse périphérique v = π·d·n/60, donc n₁·d₁ = n₂·d₂ et le rapport de vitesses vaut d₂/d₁. Le glissement s ralentit un peu la poulie menée : n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). La puissance transmise est P = (T₁ − T₂)·v, avec T₁ la tension du brin tendu et T₂ celle du brin mou. Le frottement limite le rapport des tensions : T₁/T₂ = eμθ, où θ est l’angle d’enroulement en radians sur la plus petite poulie ; pour une courroie ouverte, θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) avec l’entraxe C.

Angle de la courroie

asin(0,04792) = 2,746°

Angle d’enroulement

θ = 180 − 2·2,746 = 174,5°

Réponse

θ = 174,5°
5.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.

Pas nécessaires

3300 mV/1 mV = 3300

Bits

log₂(3300) = 11,69
211 = 2048 < 3300 ≤ 212 = 4096
N = 12

Réponse

N = 12
6.Acquisition de données et échantillonnage

Réponse: fs = 111,1 kHz

Débits de données : chaque canal fournit fs échantillons par seconde de N bits, donc le débit brut est canaux × fs × N bit/s. En mémoire, un échantillon occupe des octets entiers (un échantillon de 12 bits est stocké sur 2 octets), donc la mémoire d’un enregistrement vaut canaux × fs × octets par échantillon × durée. Un CAN multiplexé convertit les canaux l’un après l’autre : chaque conversion (avec stabilisation) dure t, donc un tour de n canaux dure n·t et chaque canal est échantillonné à 1/(n·t).

Temps par canal

2 + 2,5 = 4,5 µs

Temps par balayage

2·4,5 = 9 µs

Fréquence d’échantillonnage par canal

fs = 1/9 µs = 111,1 kHz

Réponse

fs = 111,1 kHz
7.Pont de Wheatstone et jauges de contrainte

Réponse: Ig = −1687 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 = 9·(250/650 − 800/1400) = −1,681 V

Résistance de Thévenin

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 496,7 Ω

Courant du galvanomètre

Ig = −1,681/(496,7 + 500) = −1687 µA

Réponse

Ig = −1687 µA
8.Pont de Wheatstone et jauges de contrainte

Réponse: Vo = 6,3 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 = 2,1·1200·10⁻⁶ = 0,00252

Sortie du pont

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 10·0,00252/4 = 6,3 mV

Réponse

Vo = 6,3 mV
9.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: ess = 0,8

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 = 5·1/4 = 1,25

Erreur sur la parabole

ess = 1/1,25 = 0,8

Réponse

ess = 0,8
10.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: ess = 0,25

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) = 2s + 10 → 10 lorsque s → 0.

Kv = 10·2/5 = 4

Erreur sur la rampe

ess = 1/4 = 0,25

Réponse

ess = 0,25

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

11.Réponse indicielle

Réponse: ts = 1,333 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 = 100 → ωₙ = 10 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·10) = 0,3

Résultat

ζωₙ = 3 → ts ≈ 4/3 = 1,333 s

Réponse

ts = 1,333 s
12.Réponse indicielle

Réponse: ωn = 707,1 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).

Pulsation propre et coefficient d’amortissement

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,2·1 × 10⁻⁵) = 707,1 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (28/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,2) = 0,09899

Résultat

ωₙ = 707,1 rad/s

Réponse

ωn = 707,1 rad/s

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