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
+−220 VRa​ = 0,2 ΩIa​ = 50 AM+−EωT

Un moteur à courant continu absorbe 50 A sous une alimentation de 220 V. Sa résistance d’induit est de 0,2 Ω et ses pertes mécaniques (frottements, ventilation et fer) sont de 420 W. Trouvez son rendement η.

V = 220 VIa = 50 ARa = 0,2 ΩProt = 420 W
η = %
2.Moteurs à courant continuDifficile
T (N·m)n (rpm)0,6 N·m600 rpm

Un moteur à courant continu avec k = 0,3 V·s/rad et Ra = 0,8 Ω doit entraîner une charge de 0,6 N·m à 600 rpm. Trouvez la tension d’induit V nécessaire.

k = 0,3 V·s/radRa = 0,8 ΩT = 0,6 N·mn = 600 rpm
V = V
3.Engrenages et trains d’engrenagesMoyen
N1​ = 20, m = 4 mm

Un moteur de 1,1 kW tournant à 1440 tr/min entraîne un pignon de 20 dents et de module 4 mm. Trouvez l’effort tangentiel Ft sur les dents du pignon.

P = 1,1 kWn = 1440 rpmN1 = 20m = 4 mm
Ft = N
4.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
d1​ = 120 mmd2​ = 500 mm1440 rpmC = 800 mmT1​ = 2000 NT2​P = ?

Une courroie ouverte relie une poulie motrice de 120 mm tournant à 1440 tr/min à une poulie de 500 mm ; les centres sont distants de 800 mm. Le coefficient de frottement est 0,35 et la tension du brin tendu ne doit pas dépasser 2000 N. Trouvez la plus grande puissance P que la courroie peut transmettre sans glisser, en kW (négligez les effets centrifuges).

d1 = 120 mmn1 = 1440 rpmd2 = 500 mmC = 800 mmμ = 0,35T1 = 2000 N
P = kW
5.Acquisition de données et échantillonnageMoyen
Vin​N = 18VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Trouvez le rapport signal sur bruit de quantification idéal SQNR d’un CAN de 18 bits pour une sinusoïde pleine échelle.

N = 18
SQNR = dB
6.Acquisition de données et échantillonnageDifficile
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​12 MHz / (16·D)

Un microcontrôleur à horloge de 12 MHz règle le débit en bauds de son UART à fclk/(16·D), avec D un entier arrondi à la valeur la plus proche. La cible est 38400 bauds. Trouvez l’erreur en pourcentage du débit réel (positive quand il est trop rapide).

fclk = 12 MHzcible = 38400 Bd
e = %
7.Pont de Wheatstone et jauges de contrainteMoyen
+−3 V100 Ω100 Ω + ΔR100 Ω100 Ωab+−Vab​ = ?

Un pont a quatre bras de 100 Ω et Vs = 3 V. Le capteur R₂ augmente de ΔR = 8 Ω. Trouvez la sortie exacte Vab en mV.

Vs = 3 VR = 100 ΩΔR = 8 Ω
Vab = mV
8.Pont de Wheatstone et jauges de contrainteDifficile
+−V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−

Une jauge de contrainte de 350 Ω, de facteur de jauge 2,1, est collée sur une barre d’acier. Sous charge, sa résistance augmente de 0,735 Ω. Trouvez la déformation ε en microdéformation (µε).

R = 350 ΩGF = 2,1ΔR = 0,735 Ω
ε = µε
9.Erreur en régime permanent et commande PIDMoyen
R(s)+K = 520,5s + 1C(s)−

Un procédé G(s) = 2/(0,5s + 1) est commandé par un gain proportionnel K = 5 dans une boucle à retour unitaire. Trouvez l’erreur en régime permanent ess pour un échelon, en pourcentage de l’amplitude de l’échelon.

G(s) = 2/(0,5s + 1)K = 5
ess = %
10.Erreur en régime permanent et commande PIDDifficile
R(s)+Kp​ + Ki​/s4s + 1C(s)−

Un régulateur PI C(s) = Kp + Ki/s commande le procédé G(s) = 4/(s + 1) dans une boucle à retour unitaire. La boucle fermée doit avoir ωₙ = 10 rad/s et ζ = 0,5. Trouvez le gain proportionnel Kp.

G(s) = 4/(s + 1)ωₙ = 10 rad/sζ = 0,5
Kp =
11.Réponse indicielleMoyen
t (s)y(t)2?

Un système a pour fonction de transfert G(s) = 46/(s² + 4s + 23) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez le dépassement %OS en pourcentage de la réponse indicielle.

G(s) = 46/(s² + 4s + 23)
%OS = %
12.Réponse indicielleDifficile
t (s)y(t)1tp​ = 0,25 s4,3 %

La réponse indicielle d’un système du second ordre sans zéros montre 4,3 % de dépassement, et le premier pic se produit à t = 0,25 s. Trouvez la pulsation propre ωn.

%OS = 4,3 %tp = 0,25 s
ωn = rad/s

3Solutions

1.Moteurs à courant continu

Réponse: η = 91,64 %

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.

Puissances

Pin = 220·50 = 11000 W
Pdev = 210·50 = 10500 W
Pout = 10500 − 420 = 10080 W

Rendement

η = 10080/11000·100 = 91,64 %

Réponse

η = 91,64 %
2.Moteurs à courant continu

Réponse: V = 20,45 V

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.

Force contre-électromotrice

E = 0,3·62,83 = 18,85 V

Courant d’induit

Ia = 0,6/0,3 = 2 A

Tension d’induit

V = 18,85 + 2·0,8 = 20,45 V

Réponse

V = 20,45 V
3.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: Ft = 182,4 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 = 1100/150,8 = 7,295 N·m

Diamètre primitif

d = m·N = 4·20 = 80 mm

Effort tangentiel

Ft = 2T/d = 2·7,295/0,08 = 182,4 N

Réponse

Ft = 182,4 N
4.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: P = 10,97 kW

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 d’enroulement

θ = 2,662 rad

Tension du brin mou

eμθ = e0,9317 = 2,539, T₂ = 2000/2,539 = 787,8 N

Puissance

P = (2000 − 787,8)·9,048 = 10,97 kW

Réponse

P = 10,97 kW
5.Acquisition de données et échantillonnage

Réponse: SQNR = 110,1 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 = 6,02·18 + 1,76 = 110,1 dB

Réponse

SQNR = 110,1 dB
6.Acquisition de données et échantillonnage

Réponse: e = −2,344 %

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.

Diviseur

D = 12·10⁶/(16·38400) = 19,53 → 20

Débit réel en bauds

12·10⁶/(16·20) = 37500 Bd

Erreur

(37500 − 38400)/38400·100 = −2,344 %

Réponse

e = −2,344 %

Une erreur supérieure à environ 2 % rend la liaison peu fiable : choisissez une autre horloge ou un autre débit.

7.Pont de Wheatstone et jauges de contrainte

Réponse: Vab = 57,69 mV

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.

Tensions aux nœuds

Va = 3·108/208 = 1,558 V
Vb = 1,5 V

Sorties

Vab = 57,69 mV

Réponse

Vab = 57,69 mV

L’estimation linéaire Vs·ΔR/(4R) = 60 mV est trop élevée de 4 % : un quart de pont n’est pas tout à fait linéaire.

8.Pont de Wheatstone et jauges de contrainte

Réponse: ε = 1000 µε

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 = 0,735/350 = 0,0021

Déformation

ε = 0,0021/2,1 = 0,001 = 1000 µε

Réponse

ε = 1000 µε
9.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: ess = 9,091 %

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 position

Kp = 5·2 = 10

Erreur sur l’échelon

ess = 100/(1 + 10) = 9,091 %

Réponse

ess = 9,091 %
10.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: Kp = 2,25

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).

Polynôme caractéristique

1 + C(s)G(s) = 0, multiplié par s(s + 1).

s² + (1 + 4Kp)s + 4Ki

Polynôme cible

s² + 2·0,5·10s + 10² = s² + 10s + 100

Identifiez les coefficients

1 + 4Kp = 10 → Kp = 2,25

Réponse

Kp = 2,25

Le terme intégral rend la boucle de classe 1, donc un échelon est suivi sans erreur en régime permanent.

11.Réponse indicielle

Réponse: %OS = 23,66 %

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 = 23 → ωₙ = 4,796 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·4,796) = 0,417

Résultat

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,441 = 23,66 %

Réponse

%OS = 23,66 %
12.Réponse indicielle

Réponse: ωn = 17,79 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).

Taux d’amortissement

ζ = −ln(0,043)/√(π² + ln²(0,043)) = 3,147/√(9,87 + 9,901) = 0,7077

Fréquence propre

ωd = π/tp = π/0,25 = 12,57 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 12,57/0,7065 = 17,79 rad/s

Réponse

ωn = 17,79 rad/s

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