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
+−VRa​M+−En = 1500 rpmT = ?

Un moteur à courant continu fournit 0,5 kW de puissance mécanique à 1500 rpm. Trouvez le couple sur l’arbre T.

P = 0,5 kWn = 1500 rpm
T = N·m
2.Moteurs à courant continuDifficile
+−48 VRa​ = 3 ΩM+−EωT

Un petit moteur à courant continu a une résistance d’induit de 3 Ω et fonctionne sous 48 V. En négligeant les pertes mécaniques, trouvez la plus grande puissance mécanique Pmax qu’il peut développer à n’importe quelle vitesse.

V = 48 VRa = 3 Ω
Pmax = W
3.Engrenages et trains d’engrenagesMoyen
N1​ = 12N2​ = 40

Un moteur de 4 kW tournant à 1450 rpm entraîne un pignon de 12 dents, qui engrène avec une roue de 40 dents. Négligez les pertes. Trouvez le couple T1 sur l’arbre du moteur.

P = 4 kWn1 = 1450 rpmN1 = 12N2 = 40η = 100%
T1 = N·m
4.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
A = 18B = 30C = 12D = 30

Dans un train d’engrenages composé, la roue A (18 dents), sur l’arbre d’entrée qui tourne à 1440 rpm, entraîne la roue B (30 dents). La roue C (12 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 = 1440 rpmA = 18B = 30C = 12D = 30
nout = rpm
5.Acquisition de données et échantillonnageMoyen
Vin​N = ?5 V2ᴺ − 10≤ 0,1 mV

Un CAN de plage d’entrée 0 à 5 V doit résoudre des pas de 0,1 mV ou moins. Trouvez le plus petit nombre de bits N.

VFSR = 5 Vrésolution = 0,1 mV
N =
6.Acquisition de données et échantillonnageDifficile
f0fs​/2fs​180 Hz7f₁?

Un signal carré de 180 Hz est échantillonné à 1 kHz sans filtre anti-repliement. Un signal carré contient les harmoniques impairs 3f₁, 5f₁, 7f₁, … À quelle fréquence fa l’harmonique 7f₁ apparaît-il dans les données échantillonnées ? Donnez-la en Hz.

f₁ = 180 Hzfs = 1 kHzharmonique: 7f₁
fa = Hz
7.Pont de Wheatstone et jauges de contrainteMoyen
+−12 V300 Ω300 Ω + ΔR300 Ω300 Ωab+−Vab​ = ?

Un pont a quatre bras de 300 Ω et Vs = 12 V. Le capteur R₂ augmente de ΔR = 0,75 Ω. En utilisant l’approximation des petites variations, trouvez la sortie Vab en mV.

Vs = 12 VR = 300 ΩΔR = 0,75 Ω
Vab = mV
8.Pont de Wheatstone et jauges de contrainteDifficile
+−3 V1000 Ω − ΔR1000 Ω + ΔR1000 Ω + ΔR1000 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Un pont à bras de 1000 Ω est alimenté sous 3 V et comporte quatre jauges actives, deux en traction et deux en compression (pont complet). Le facteur de jauge est 2,05 et la déformation est de 400 µε. Trouvez la sortie du pont Vo en mV.

Vs = 3 VGF = 2,05ε = 400 µε
Vo = mV
9.Erreur en régime permanent et commande PIDMoyen
r(t) = 2 + 5t+4(s + 4)s(s + 1)(s + 5)C(s)−

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

G(s) = 4(s + 4)/(s(s + 1)(s + 5))r(t) = 2 + 5t
ess =
10.Erreur en régime permanent et commande PIDDifficile
R(s)+Kp​ + Ki​/s1s + 2C(s)−

Un régulateur PI C(s) = Kp + Ki/s commande le procédé G(s) = 1/(s + 2) dans une boucle à retour unitaire. La boucle fermée doit avoir ωₙ = 4 rad/s et ζ = 0,6. Trouvez le gain proportionnel Kp.

G(s) = 1/(s + 2)ωₙ = 4 rad/sζ = 0,6
Kp =
11.Réponse indicielleMoyen
t (s)y(t)1tp​ = ?

Un système a pour fonction de transfert G(s) = 92/(s² + 3s + 92) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez le temps du premier pic tp de la réponse indicielle.

G(s) = 92/(s² + 3s + 92)
tp = s
12.Réponse indicielleDifficile
k = 5000 N/mc = 71 N·s/mm = 1 kgF = 10 Nx(t)

Une masse m = 1 kg est suspendue à un ressort k = 5000 N/m avec un amortisseur visqueux c = 71 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Au repos à l’équilibre, une force constante F = 10 N est soudain appliquée. Trouvez l’instant tp où le déplacement est maximal.

m = 1 kgk = 5000 N/mc = 71 N·s/mF = 10 N
tp = s

3Solutions

1.Moteurs à courant continu

Réponse: T = 3,183 N·m

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 en rad/s

ω = 2π·1500/60 = 157,1 rad/s

Couple

T = P/ω = 500/157,1 = 3,183 N·m

Réponse

T = 3,183 N·m
2.Moteurs à courant continu

Réponse: Pmax = 192 W

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.

Puissance en fonction de la f.c.é.m.

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 24 V

Puissance maximale

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 48²/(4·3) = 192 W

Réponse

Pmax = 192 W

En ce point, le rendement n’est que de 50 %, c’est pourquoi les moteurs réels tournent bien au-dessus de la demi-vitesse.

3.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: T1 = 26,34 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/151,8 = 26,34 N·m

Réponse

T1 = 26,34 N·m
4.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: nout = 345,6 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 = 1440·18/30 = 864 rpm = nC

Deuxième étage

nout = 864·12/30 = 345,6 rpm

Réponse

nout = 345,6 rpm

rapport total = 4,167 : 1

5.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.

Pas nécessaires

5000 mV/0,1 mV = 50000

Bits

log₂(50000) = 15,61
215 = 32768 < 50000 ≤ 216 = 65536
N = 16

Réponse

N = 16
6.Acquisition de données et échantillonnage

Réponse: fa = 260 Hz

Échantillonnage : un CAN mesure le signal fs fois par seconde. D’après le théorème de Nyquist–Shannon, une fréquence f n’est correctement captée que si f < fs/2, la fréquence de Nyquist (de repliement) ; la fréquence d’échantillonnage doit donc dépasser le double de la plus haute fréquence du signal. Une fréquence plus élevée n’est pas perdue : elle apparaît comme un alias à fa = |f − k·fs|, avec l’entier k qui ramène le résultat entre 0 et fs/2. Les échantillons ne permettent pas de distinguer les deux, donc un filtre anti-repliement analogique doit supprimer tout ce qui dépasse fs/2 avant le CAN.

Fréquence de l’harmonique

7f₁ = 7·180 Hz = 1,26 kHz

Multiple le plus proche de la fréquence d’échantillonnage

m = round(1,26) = 1

Fréquence d’alias

fa = |1260 − 1·1000| = 260 Hz

Réponse

fa = 260 Hz

L’alias tombe dans la bande du signal, où aucun filtre numérique ne peut l’éliminer. Seul un filtre analogique placé avant le CAN est efficace.

7.Pont de Wheatstone et jauges de contrainte

Réponse: Vab = 7,5 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.

Variation relative

ΔR/R = 0,75/300 = 0,0025

Sortie linéarisée

Vab ≈ 12·0,0025/4 = 7,5 mV

Réponse

Vab = 7,5 mV

La valeur exacte est 7,491 mV ; l’approximation est bonne tant que ΔR/R est petit.

8.Pont de Wheatstone et jauges de contrainte

Réponse: Vo = 2,46 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 = 2,05·400·10⁻⁶ = 0,00082

Sortie du pont

Vo = Vs·GF·ε = 3·0,00082 = 2,46 mV

Réponse

Vo = 2,46 mV
9.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: ess = 1,563

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

Kv = lim s·G(s) = 3,2

Partie échelon

Kp = ∞ → estep = 0

Erreur sur la rampe

ess = 5/3,2 = 1,563

Réponse

ess = 1,563
10.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: Kp = 2,8

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 + 2).

s² + (2 + 1Kp)s + 1Ki

Polynôme cible

s² + 2·0,6·4s + 4² = s² + 4,8s + 16

Identifiez les coefficients

2 + 1Kp = 4,8 → Kp = 2,8

Réponse

Kp = 2,8

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

11.Réponse indicielle

Réponse: tp = 0,3316 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 = 92 → ωₙ = 9,592 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·9,592) = 0,1564

Résultat

ωd = 9,592·√(1 − 0,1564²) = 9,474 rad/s → tp = π/ωd = 0,3316 s

Réponse

tp = 0,3316 s
12.Réponse indicielle

Réponse: tp = 0,05137 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 = √(k/m) = √(5000/1) = 70,71 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 71/(2·√(5000·1)) = 0,502

Résultat

ωd = 61,15 rad/s
tp = π/ωd = 0,05137 s

Réponse

tp = 0,05137 s

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