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)n0​ = ?

Un moteur à courant continu avec k = 0,4 V·s/rad est alimenté sous 48 V. En négligeant toutes les pertes à vide, trouvez sa vitesse à vide n0 en rpm.

V = 48 Vk = 0,4 V·s/rad
n0 = rpm
2.Moteurs à courant continuDifficile
+−220 VRa​ = 1 ΩM+−En = ?T = 4,8 N·m

Un moteur à courant continu à excitation indépendante (k = 0,6 V·s/rad à plein champ, Ra = 1 Ω, V = 220 V) entraîne une charge de couple constant 4,8 N·m. Le flux d’excitation est réduit à 75 % de sa valeur maximale. Trouvez la nouvelle vitesse n.

V = 220 Vk = 0,6 V·s/radRa = 1 ΩT = 4,8 N·mΦ = 75 %
n = rpm
3.Engrenages et trains d’engrenagesMoyen
d1​ = 150 mmd2​ = 200 mm2880 rpmn2​ = ?

Une poulie de 150 mm tournant à 2880 tr/min entraîne une poulie de 200 mm par une courroie avec 2,5 % de glissement. Trouvez la vitesse n2 de la poulie menée.

n1 = 2880 rpmd1 = 150 mmd2 = 200 mms = 2,5 %
n2 = rpm
4.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
A = 24B = 36C = 18D = 60

Un moteur de 4 kW à 960 tr/min entraîne la roue A (24 dents), qui engrène avec la roue B (36 dents). La roue C (18 dents), sur le même arbre que B, entraîne la roue D (60 dents) sur l’arbre de sortie. Chaque engrènement a un rendement de 96 %. Trouvez le couple de sortie Tout.

P = 4 kWnin = 960 rpmA = 24B = 36C = 18D = 60ηmesh = 96%
Tout = N·m
5.Acquisition de données et échantillonnageMoyen
Vin​N = 20VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Trouvez le rapport signal sur bruit de quantification idéal SQNR d’un CAN de 20 bits pour une sinusoïde pleine échelle.

N = 20
SQNR = dB
6.Acquisition de données et échantillonnageDifficile
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​10·Tb​38400 Bd, 8N1

Un CAN de 24 bits transmet chaque échantillon par un UART à 38400 bauds, au format 8N1 (bit de start, 8 bits de données, 1 bit de stop). Chaque échantillon est envoyé sur 3 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 = 38400 BdN = 248N1
fmax = Hz
7.Pont de Wheatstone et jauges de contrainteMoyen
+−3 VR1​ = 60 ΩR2​ = 50 ΩR3​ = 60 ΩR4​ = 20 ΩabGRg​ = 500 Ω

Un galvanomètre de résistance 500 Ω est branché entre a et b du pont représenté (Vs = 3 V). Trouvez le courant Ig du galvanomètre de a vers b, en µA.

Vs = 3 VR1 = 60 ΩR2 = 50 ΩR3 = 60 ΩR4 = 20 ΩRg = 500 Ω
Ig = µA
8.Pont de Wheatstone et jauges de contrainteDifficile
+−5 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω + ΔR120 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Une cellule de charge (un pont complet de jauges de contrainte) a une sortie nominale de 2,5 mV/V pour sa charge nominale de 50 kg. Elle est alimentée sous 5 V. Trouvez sa sortie Vo sous une charge de 40 kg.

2,5 mV/VFrated = 50 kgVs = 5 VF = 40 kg
Vo = mV
9.Erreur en régime permanent et commande PIDMoyen
R(s)+K(s + 1)(s + 10)C(s)−

Une boucle à retour unitaire a pour fonction G(s) = K/((s + 1)(s + 10)). Trouvez le gain K qui donne une erreur en régime permanent de 20 % pour une entrée en échelon.

G(s) = K/((s + 1)(s + 10))ess = 20 %
K =
10.Erreur en régime permanent et commande PIDDifficile
r(t) = 2t+1 + 10/s4(s + 4)(s + 10)C(s)−

Un régulateur PI C(s) = 1 + 10/s commande le procédé G(s) = 4/((s + 4)(s + 10)) dans une boucle à retour unitaire. Trouvez l’erreur en régime permanent ess pour l’entrée en rampe r(t) = 2t.

C(s) = 1 + 10/sG(s) = 4/((s + 4)(s + 10))r(t) = 2t
ess =
11.Réponse indicielleMoyen
t (s)y(t)2

Un système a pour fonction de transfert G(s) = 104/(s² + 7s + 52) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez le taux d’amortissement ζ.

G(s) = 104/(s² + 7s + 52)
ζ =
12.Réponse indicielleDifficile
k = 5000 N/mc = 95 N·s/mm = 5 kgF = 20 Nx(t)

Une masse m = 5 kg est suspendue à un ressort k = 5000 N/m avec un amortisseur visqueux c = 95 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Au repos à l’équilibre, une force constante F = 20 N est soudain appliquée. Trouvez le taux d’amortissement ζ.

m = 5 kgk = 5000 N/mc = 95 N·s/mF = 20 N
ζ =

3Solutions

1.Moteurs à courant continu

Réponse: n0 = 1146 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.

Vitesse à vide

ω₀ = V/k = 48/0,4 = 120 rad/s
n0 = 60·120/(2π) = 1146 rpm

Réponse

n0 = 1146 rpm
2.Moteurs à courant continu

Réponse: n = 4442 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 = 0,75·0,6 = 0,45 V·s/rad

Nouveau courant d’induit

Ia = 4,8/0,45 = 10,67 A

Nouvelle vitesse

ω = (220 − 10,67·1)/0,45 = 465,2 rad/s → n = 4442 rpm

Réponse

n = 4442 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: n2 = 2106 rpm

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.

Vitesse sans glissement

2880·150/200 = 2160 rpm

Avec glissement

n2 = 2160·0,975 = 2106 rpm

Réponse

n2 = 2106 rpm
4.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: Tout = 183,3 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·(24/36)·(18/60) = 192 rpm
ωout = 2π·192/60 = 20,11 rad/s

Puissance et couple de sortie

Pout = 4000·0,96² = 3686 W
Tout = Pout/ωout = 3686/20,11 = 183,3 N·m

Réponse

Tout = 183,3 N·m
5.Acquisition de données et échantillonnage

Réponse: SQNR = 122,2 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 = 6,02·20 + 1,76 = 122,2 dB

Réponse

SQNR = 122,2 dB
6.Acquisition de données et échantillonnage

Réponse: fmax = 640 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

3·10 = 30 bit

Fréquence d’échantillonnage maximale

fs,max = 38400/30 = 1280 Hz

Limite de Nyquist

fmax = 1280/2 = 640 Hz

Réponse

fmax = 640 Hz
7.Pont de Wheatstone et jauges de contrainte

Réponse: Ig = 1132 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 = 3·(50/110 − 20/80) = 0,6136 V

Résistance de Thévenin

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 42,27 Ω

Courant du galvanomètre

Ig = 0,6136/(42,27 + 500) = 1132 µA

Réponse

Ig = 1132 µA
8.Pont de Wheatstone et jauges de contrainte

Réponse: Vo = 10 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

2,5·5 = 12,5 mV

Sortie à cette charge

Vo = 12,5·40/50 = 10 mV

Réponse

Vo = 10 mV
9.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: K = 40

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’erreur requise

1/(1 + Kp) = 0,2 → Kp = 4

Gain

K/10 = 4 → K = 40

Réponse

K = 40

Vérifiez aussi la stabilité en boucle fermée : pour cette boucle du second ordre, tout K > 0 est stable.

10.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: ess = 2

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 + 10 → 10 lorsque s → 0.

Kv = 10·4/40 = 1

Erreur sur la rampe

ess = 2/1 = 2

Réponse

ess = 2

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

11.Réponse indicielle

Réponse: ζ = 0,4854

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 = 52 → ωₙ = 7,211 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·7,211) = 0,4854

Résultat

ζ = 0,4854

Réponse

ζ = 0,4854
12.Réponse indicielle

Réponse: ζ = 0,3004

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) = √(5000/5) = 31,62 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 95/(2·√(5000·5)) = 0,3004

Résultat

ζ = 0,3004

Réponse

ζ = 0,3004

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