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Capteurs Cinématiques
Certains dessins ont été omis afin d'accélérer le chargement de la page
Les capteurs de grandeurs cinématiques : position, vitesse et accélération, tant en rotation qu'en translation, sont parmi les plus importants, puisque la plupart des procédés industriels présente des organes en mouvement.
ex : bandes transporteuses, chariots, ascenseurs.
ex : machines d'usinage.
ex : production d'énergie par machines tournantes.
ex : réglage de débits par la position de vannes, mesure de niveaux par la position de flotteurs.
Il existe une grande variété de présentation de ces capteurs, mais on la plupart d'entre eux utilisent une gamme limitée de principes physiques.
I. Capteurs résistifs de position : potentiomètres
Un potentiomètre est un capteur de position : à la position du curseur correspond une résistance bien définie.
Il existe des potentiomètres en translation et des potentiomètres en rotation.
La plupart du temps, le potentiomètre est polarisé sous une tension fixe Val. La représentation est la suivante :
La lecture de Vs est donc une image de r, proportion de la résistance totale. Si on choisit un potentiomètre linéaire, alors Vs est proportionnelle à x (système en translation) ou q (système en rotation).
Intrinsèquement simple dans son principe, le potentiomètre de mesure de position demande toutefois une attention particulière :
Œ La piste résistive sur laquelle glisse le curseur doit être d'excellente qualité, pour assurer une bonne répétabilité de la mesure.
G On prendra garde à lire la tension Vs par un dispositif à forte impédance, faute de quoi Vs ne serait plus proportionnelle à r.
Ž La présence du contact glissant est un facteur d'usure, et interdit l'emploi en atmosphère explosible.
La présence du contact glissant peut générer des parasites : on installe souvent un condensateur de filtrage, dont la valeur doit être choisie avec soin.
Dans la mesure des angles, q est obtenu modulo 2p. Vs subit en général un saut.
On rencontre de moins en moins de capteurs résistifs d'angles, mais ce type de capteur est toujours très utilisé pour mesurer les mouvements de translation. Le capteur se présente sous la forme d'un tube étanche dans lequel plonge la tige de mesure. Les longueurs s'échelonnent de quelques décimètres à plusieurs mètres. (Le prix est en conséquence.)
Ces capteurs peuvent être interfacés directement sur un module d'entrées analogiques d'automate.
II. Capteurs optiques de position
Les capteurs optiques, introduits pendant les années 70, sont omniprésents dans les systèmes de positionnement et les réglage de vitesse. Ils ont souvent supplanté les dynamos tachymétriques et les capteurs résistifs.
II.1 Principe général
Ces dispositifs fonctionnent sur la modulation d'un rayon lumineux par un obstacle mobile.
Le plus souvent, le faisceau incident est créé par une diode émettrice (LED). Le faisceau modulé est capté par un dispositif photo-sensible (photo-diode ou photo-transistor).
L'obstacle mobile est une plaque de verre ou autre matériau transparent portant des gravures opaques. Celles-ci sont obtenus par un procédé photographique et peuvent être très serrées.
Le signal de sortie est à deux niveaux : il s'agit d'un capteur à sortie logique.
Deux dispositions principales sont disponibles : les codeurs absolus et les codeurs incrémentaux
II.2 Codeurs absolus.
Ils comportent plusieurs pistes ; chacune, correspondant à un bit, est munie d'un photo-capteur. Le code binaire utilisé peut être quelconque, mais on trouve le plus souvent le code binaire réfléchi (code de Gray) et le code décimal codé binaire (BCD).
L'intérêt des capteurs absolus est de fournir directement la position (modulo 2p), autorisant un fonctionnement complet de l'automatisme dès la mise en service - et en particulier lors des reprises à la volée après une coupure d'alimentation -.
Leur inconvénient est qu'ils nécessitent autant de conducteurs que de bits, soit en général en 8 et 12.
Pour les systèmes comportant de multiples mouvements, on utilise des capteurs adressables, reliés à la partie commande par un bus. Sous le capot de protection se trouve un jeu de contacts d'adressage ; la partie commande interroge le bus en fixant l'adresse du capteur voulu. La liaison PC-PO comporte alors par exemple : 12 bits de données, 3 bits d'adresse (pour 8 capteurs), et les liaisons d'alimentations.
Les codeurs absolus sont chers : au moins 3000 F pour un codeur 12 bits.
II.3 Codeurs incrémentaux
Ils comportent une ou plusieurs pistes. En disposant sur une piste deux capteurs photo- sensibles décalés d' un quart de période spatiale, il est possible de discriminer le sens de marche en détectant l'antériorité des signaux de la voie A ou de la voie B.
Ces capteurs doivent être interfacés sur un automate par un module de comptage rapide.
ex: on désire mesurer la position d'un écrou entrainé par une vis. Le pas de vis est de 4 mm.
La vis est elle-même entrainée par un moteur muni d'un réducteur de rapport 1:15.
Un codeur incrémental 100 points par tour est installé sur l'arbre du moteur.
La précision du positionnement peut atteindre : (1/100) x (1/15) = 1/1500 tour, soit environ le 1/5ème de degré sur la vis. En terme de translation, la précision est : (1/1500) x 4 ~ 2,7.10-3 mm
Pour une vitesse de translation de 1600 mm.mn-1, la vitesse de rotation de l'arbre moteur est de :
(1600/4) x (15) = 6000 tr.mn -1. A cette vitesse, la fréquence des signaux du codeur est :
6000 x 100 / 60 = 10 kHz. Une interface de comptage rapide est nécessaire.
Si on suppose maintenant une course maximale de l'écrou de 12 m, alors le nombre maximal de points à compter est : (12000/4) x 15 x 100 = 4,5.106 : un compteur binaire à 23 bits est nécessaire.
Sur les compteurs à deux voies A et B en quadrature, il est possible de quadrupler la précision en comptant les fronts montants ET les fronts descendants de la fonction AÅB (OU exclusif). Cette possibilité est offerte sur la plupart des interfaces.
exercice : le démontrer sur un dessin
Enfin, de nombreux codeurs incrémentaux sont équipés d'une voie séparée Z, donnant un top par tour : le top zéro. Il permet d'initialiser la mesure pour une position précise définie par calage du codeur lors du montage.
Dans les procédés où le codeur fait plusieurs tours, on installe un capteur auxiliaire -dont la précision peut être faible- qui valide la détection du top zéro sur un certain parcours (moins d'un tour) : l'initialisation du compteur est donc faite en un point bien précis.
Un algorithme d'initialisation d'un codeur incrémental ressemble à l'un ou l'autre de ces GRAFCETs :
L'avantage des codeurs incrémentaux est la simplicité d'installation (peu de câblage) et la grande précision qui peut être obtenue pour un coût moindre qu'avec un capteur absolu (de l'ordre de 1500 F).
Le nombre de points par tour peut être quelconque, et n'estbpas limité aux puissances de deux ; les résolutions courantes sont 10, 50, 100, 180, 200, 360, 400, 1000 ...
De plus, le calcul de la vitesse est très simple : voir plus bas.
En revanche, le déplacement total est conservé dans le compteur, et non pas au niveau du codeur : une procédure de réinitialisation est nécessaire en cas d'interruption d'alimentation.
Comme les codeurs absolus, les codeurs incrémentaux ont un fonctionnement limité en température : les circuits électroniques fonctionnent seulement jusqu'à 125°C.
II.4 Mesure de vitesse avec les capteurs optiques
Il est possible de mesurer la vitesse de rotation avec les codeurs qui viennent d'être décrits.
1ère méthode : L'unité centrale mesure les positions à une cadence T. Soit x(t) la mesure de position à l'instant t, et x(t+T) la mesure à l'instant suivant.
La vitesse est alors simplement donnée par : V(t+T)=[x(t+T)-x(t)]/T, soit en prenant T=1,
V=x(t+T)-x(t).
Cette vitesse est bien sûr mesurée en nombre de points par unité de temps, par exemple : 123 points en 70 µs, si T=70 µs. La conversion en unités internationales est en général effectuée par l'unité de dialogue avec l'opérateur.
Cette méthode est utilisable avec les codeurs absolus, qui donnent directement x(t), et avec les codeurs incrémentaux dont le compteur associé donne aussi x(t).
2ème méthode : Lorsqu'on utilise un codeur incrémental, il est possible de connaître la vitesse en mesurant le temps entre deux impulsions du codeur, ou bien en comptant le nombre d'impulsions survenant en un temps donné.
II.5 Capteurs "linéaires"
Les deux types de codeurs étudiés plus haut existent aussi en version dite "linéaire", c'est à dire "en translation".
Un curseur portant les LED et l'électronique de détection se déplace en translation devant une règle graduée, en verre. Les signaux obtenus sont les mêmes : deux signaux A et B en quadrature, permettant de discriminer le sens de marche. Comme sur les codeurs rotatifs, ces signaux sont souvent doublés par leurs compléments logiques, afin d'assurer un fonctionnement correct même en cas de disparition de l'un des signaux.
Ces capteurs existent jusqu'à de grandes dimensions (plusieurs mètres), mais les versions de quelques décimètres sont les plus couramment utilisées.
III Un capteur haut de gamme : le résolveur sinus
Parmi les très nombreux autres capteurs de positions que l'on peut rencontrer, il nous faut citer le résolveur. Ce capteur déjà ancien a reçu une nouvelle jeunesse grâce aux apports de l'électronique moderne. La tenue à la température est l'un des atouts de ce capteur robuste.
Le principe est le suivant : le mouvement de rotation - ou de translation - modifie le couplage magnétique entre deux bobines. Cette modification du couplage est mesurée, on en déduit la position.
L'une des deux bobines est fixe et alimentée en courant alternatif ; l'autre bobine est mobile et la tension à ses bornes est directement liée à l'angle entre les deux axes magnétiques.
Le plus souvent, on trouve un enroulement primaire et deux enroulements secondaires disposés à 90°.
Le couplage magnétique étant soigné, le coefficient de mutuelle inductance entre primaire et une bobine secondaire varie comme un sinus. En alimentant l'enroulement primaire avec un courant sinusoïdal de pulsation w, on peut écrire :
v1(t) = Vmax.sin(q).sin(w.t+f)
et en appliquant une technique de démodulation d'amplitude, il est facile de retrouver l'information sin(q) - et cos(q) sur l'autre voie -.
Pour un fonctionnement correct, le courant primaire doit avoir une pulsation assez élevée (quelques kiloHertz en général) et sa forme doit être bien proche de la sinusoïde.
La génération de la porteuse et la démodulation sont opérées par une interface spécialisée. Les tensions démodulées peuvent être ensuite converties en code numérique : si un convertisseur 12 bits est employé, alors le résolveur équivaut à un codeur absolu 12 bits.
Le même principe est employé pour les translations : un noyau plongeur solidaire des parties mobiles modifie le couplage entre deux bobines.
On trouve ce type de capteur directement intégré dans certaines électrovannes asservies en débit ou en pression (électrovannes "proportionnelles").
IV La dynamo tachymétrique : un capteur de vitesse traditionnel
La mesure de vitesse par dynamo tachymétrique est une technique très ancienne, et on la trouve dans de nombreux systèmes. Sa robustesse et sa bonne tenue à la température en font une valeur sûre. Pourtant, la dynamo tachymétrique n'est pas sans défaut.
IV.1 Rappel : constitution
Le champ excitateur est produit par un aimant permanent, ce qui assure un flux bien défini à travers le rotor, qui porte les enroulements de l'induit.
Notons :
S la surface d'une spire
B l'induction
F le flux à travers cette spire
Fmax = B.S
q l'angle du plan de la spire par rapport à une position de référence
W = dq / dt , qui sera supposée constante
On peut écrire :
F(t) = Fmax.sin(q+q0) = Fmax.sin(W.t+q0)
dF/dt= (dF/dq). dq/dt
dF/dt = W.Fmax.cos(W.t +q0)
La force électro-motrice e(t) aux bornes d'une spire est donc alternative ; sa fréquence et son amplitude sont toutes deux proportionelles à W.
Les spires étant réparties régulièrement sur la périphérie du rotor, elles constituent un système polyphasé de tensions.
Pour obtenir un courant continu, on doit sélectionner les différentes spires de façon séquentielle. Un commutateur sélectionne la (ou les) spire(s) la mieux placée par rapport au champ permanent : un redressement polyphasé est donc réalisé.
Cette commutation peut se faire électromécaniquement à l'aide d'un collecteur. Celui-ci comporte des lames connectées aux différents enroulements rotoriques, et alimentant un jeu de balais fixes.
Le collecteur réalise trois fonctions :
fonction n°1 : mesurer la position du rotor
fonction n° 2 : commuter les tensions de l'induit tournant, pour assurer le redressement.
fonction n°3 : transporter l'énergie du rotor vers le stator
La force électro-motrice résultante est continue, et proportionnelle à la vitesse angulaire : e = k . W
Le paramètre k est appelé "constante de force électromotrice".
Il s'exprime en [V / rad.s-1] .
IV.2 Qualités de la dynamo tachymétrique
Œ La tension délivrée est proportionnelle à la vitesse angulaire
Elle n'a pas besoin d'être alimentée
Ž Elle existe en de nombreuses gammes : de 5V à 3000 tr.mn-1 à plusieurs centaines de Volts à 3000 tr.mn-1.
La dynamo tachymétrique est capable de délivrer une puissance faible, mais notable. Ceci lui permet d'intervenir directement comme grandeur de commande dans certains procédés.
Elle résiste bien aux températures élevées ( T>250°C), aux vibrations, aux champs magnétiques.
IV.3 Défauts
Œ La tension délivrée est ondulée, ce qui limite la précision .
Cette ondulation est lente à basse vitesse, ce qui complique le filtrage.
Ž Les balais sont un facteur d'usure, et interdisent l'emploi en atmosphère explosible.
Le prix : de 3000 à 6000 FF pour un modèle de milieu de gamme.
Les technologies modernes permettent la mesure de vitesse dans de meilleures conditions à moindre coût.
V Les capteurs d'accélération : une porte ouverte sur la dynamique
Les informations de position et de vitesse sont parfois insuffisantes, et des capteurs d'accélération sont alors souhaités. Malheureusement, la mesure de cette grandeur est plus délicate à obtenir, faute d'une dépendance physique directe entre accélération et une grandeur exploitable.
La dépendance la plus évidente repose sur le principe fondamental de la dynamique : l'accélération est reliée à une force. Aussi, les capteurs d'accélération sont ils en fait souvent des capteurs de force d'inertie, organisé de la manière suivante :
- une masselotte, appelée "masse d'inertie", est appliquée sur un capteur de compression.
- les accélérations de l'ensemble induisent un effort de la part de la masse envers le capteur de compression, qui émet alors le signal correspondant.
Le capteur de compression est le plus souvent un capteur piezzo-électrique : soumis à une force, un quartz se déforme et génère une force électromotrice.
Toute la difficulté réside dans le comportement de ce système identique à l'assemblage masse -ressort : des résonnances apparaissent à certaines fréquences, et le capteur doit être proprement amorti.
Les gammes disponibles s'échelonnent de quelques 10-4.G à 104.G () . Ces capteurs restent coûteux, et leur usage est limité par les difficultés d'installation. Leur emploi concerne essentiellement la navigation, l'étude des chocs et des vibrations.
ex : en maintenance préventive, des capteurs de vibrations installés sur les paliers des moteurs permettent de suivre l'usure des roulements et de prévenir les défaillances.
QQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQ
En l'absence de capteur d'accélération, il est possible de calculer celle-ci.
soit x(t) la position mesurée à l'instant t, soient x(t+T) et x(t+2.T) les deux mesures suivantes.
On a vu que : v(t+T) = [x(t+T) - x(t)]/T ; de même, v(t+2.T) = [x(t+2.T) - x(t+T)]/T
Enfin, l'accélération est donnée par :
g(t+2.T) = [v(t+2.T)- v(t+T)]/T , soit, en prenant T comme unité de temps :
g(t+2.T) = x(t+2.T) -2. x(t+T) + x(t)
La mesure est donnée en nombre de points par (unité de temps)², soit par exemple :
1253 points/(70µs)²
Cette mesure nécessite trois mesures de position.
FIN
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