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Séminaire à l'Ecole Le Fresnoy - Studio National d'Arts Contemporains, Tourcoing, 20 novembre 2002.
Table asservie
Robocup
Electrocardiogramme USB
L’œuvre du point de vue de l’ingénieur
Œuvre interactive : chercher à créer des sens à une oeuvre
Actionneurs
- mécaniques
- optiques
- sonores
Pour chaque sens humain, on cherche des actionneurs qui lui sont dédiés
Description / pilotage / défauts
- Actionneurs linéaires
:
vérins électromécaniques, électroaimant
- Moteurs :
moteurs à Courant Continu, moteurs pas à pas,
servo moteurs, brushless
- Eclairages
- Projection
- Sonorisation
Electroaimant = une bobine
et un noyau fixe
Exemple : ventouse magnétique
Vérin = une bobine
et un noyau mobile, qui est l’actionneur
Exemple : actionneur de flipper
- Facile à piloter
- Deux positions seulement
- Course réduite
- Servent parfois d’actionneurs intermédiaires pour contrôler
des signaux électriques ou des fluides
- Nécessité d’un montage adapté (étincelle
de rupture)
- Source de parasites
- Deux paramètres : force de maintien et force de levage
- Vitesse de réaction dépendant de la charge
- Coût modique
Deux éléments
dans un moteur :
- un fixe : stator
- un en rotation : rotor
Principe de fonctionnement : attirance de deux aimants
- Alimenter de multiples
bobines au stator pour simuler un aimant tournant qui va attirer l’aimant
du rotor
- moteur synchrone
- moteur pas à pas
- Alimenter la bobine du rotor pour simuler un aimant fixe décalé
par rapport à l’aimant fixe du stator
- moteur à courant continu
- Utiliser le fait qu’un aimant en mouvement devant une bobine engendre
du courant et crée un aimant virtuel
- moteur asynchrone
Quel que soit le moteur,
sa documentation comporte les informations suivantes :
- Couple nominal
- Couple de démarrage
- Tension nominale
- Courant nominal
- Vitesse nominale
- Résistance de bobinage
- Vitesse à vide
- Courant à vide
Capacité de lever une charge au bout d ’un bras de levier
Unité = Newton.mètre
= 9,81 x kg x m
Ordre de grandeur : 100 mN permettent de lever 10g au bout d’1m ou 100g
au bout de 10cm
Plus le couple est fort, plus le moteur est capable d’accélérer rapidement, malgré la charge connectée sur l’arbre (volant d’inertie)
Angle dont le moteur tourne par unité de temps
Unité officielle
= Radian / seconde
Unité pratique = tour / minute ; 1tr = 2.Pi.Rad
Puissance mécanique
:
Couple x Vitesse
N.m Rad/s
kg.cm tr/min
Accélération
du moteur :
C = J x Variation de vitesse
Durée
J = inertie
C = couple
S’effectue d’après la documentation, pour vérifier si le moteur est adapté à l’usage souhaité par l’artiste
La puissance électrique
fournie au moteur est transformée en
- puissance mécanique utile
- pertes diverses (chaleur, frottements, réducteurs)
- Source de parasites
(alimentation, électromagnétisme)
- Très fort couple de démarrage
- Nécessite une alimentation continue
- Vitesse quasi proportionnelle à la tension d’alimentation
- Couple quasi proportionnel au courant
- Simple à mettre en œuvre
- Contrôle en vitesse/position délicat, nécessité
d’asservissements complexes
- Changement de sens simple
- Coût très variable selon la qualité du moteur
- Parfois bruyant (moteur ou contrôleur de mauvaise qualité)
- Relai mécanique
- Double relai, pour le changement de sens
- Variateur de vitesse par hachage
- Boucle d’asservissement avec capteur de vitesse
- Peu de parasites
- Très faible couple de démarrage
- Nécessite une alimentation alternative (220V) mono ou tri
- Destiné à travailler sur une faible gamme de vitesse
- Couple sans à-coups
- Simple à mettre en œuvre (marche/arrêt)
- Contrôle en vitesse/position très complexe (Altivar)
- Changement de sens délicat
- Coût peu élevé
- Relais mécanique, relais statique
- Changement de sens par commutation d’un bobinage (réalisable
par relais mécanique, comme pour le moteur CC)
- Variateur de vitesse par module spécifique Altivar
- Boucle d’asservissement extrêmement complexe
- Peu de parasites
- Très puissant
- Pas de couple de démarrage (incapable de démarrer)
- Procédure de démarrage complexe
- Couplé avec un moteur soit CC soit asynchrone
- Nécessite une alimentation alternative (220V) tri
- Destiné à travailler à une seule vitesse
- Couple sans à-coups
- Changement de sens impossible
- Coût élevé
Moteur synchrone incorporant l’électronique de commande permettant
de le considérer comme un moteur à courant continu
Inconvénients et avantages
- Les avantages du moteur synchrone sans les inconvénients - Coût
élevé
- Fragile au niveau de la commande
Un aimant permanent (rotor) est attiré en différentes positions
par deux circuits magnétiques (aimants bobines) (stator) au moins.
Il est nécessaire d’alimenter successivement les bobines pour attirer
le rotor dans différentes positions.
-> Il y a donc un cycle de commande.
Pour changer le sens de rotation du moteur, il suffit de parcourir le cycle
de commandes à l’envers.
Deux types
Pour que l’aimant du rotor puisse parcourir plus d’un demi-tour,
il faut inverser à un moment du cycle l’aimantation des bobines
- Moteur bipôlaire : inversion réalisée par inversion du
courant dans la bobine
- Moteur unipolaire : chaque circuit magnétique est en fait entouré
de deux bobines, l’une générant Nord-Sud, l’autre
Sud-Nord
- Beaucoup de parasites lors du cycle de commandes
- Réservé aux faibles puissances, mauvais rendement
- Couple diminuant rapidement avec la vitesse
- Nécessite une carte spécifique pour alimentation et pilotage
- Permet de travailler en statique (positionneur)
- Asservissement simple en vitesse/position
- Rotation saccadée, source de vibrations
- Changement de sens facile
- Coût moyen
- Bruyant
Moteur CC intégrant l’électronique de contrôle pour
faire un asservissement de position angulaire
Inconvénients et avantages
- Source de parasites
- Fort couple grâce au réducteur intégré
- Nécessite une alimentation continue 5 V
- Vitesse de réaction lente (0,5s pour pleine course, maximum 50 commandes
par seconde)
- Peu simple à mettre en œuvre sans carte spécifique
- Extrêmement pratique pour les réalisations mécaniques
- Course de 120 à 180 degrés
- Contrôle en position automatique
- Coût très variable selon la qualité du moteur
- Parfois bruyant (moteur ou contrôleur de mauvaise qualité)
- Traditionnelle,
- Halogène,
- Ampoule basse tension
-> Lampes chaudes
Caractéristiques :
Lenteur à l’allumage et à l’extinction
Variation de l’intensité lumineuse facile par un montage spécifique
: - gradateur 220V (dimmer)
- redressement/découpage pour les basses tensions
Spectre assez large
Fluo, néon,
lampe à charbon, lampe à mercure, lampe à xénon
Excitation/désexitation d’un gaz
Elles diffèrent par les raies de leur spectre d’émission
Caractéristiques :
Nécessité d’une haute tension pour amorcer l’arc électrique
Mise en œuvre : starter + ballast pour le fluo
montage spécifique pour le néon
Sources de parasites
Délicats à faire varier
Le fluo est parfois difficile à amorcer
- Plusieurs couleurs
- Plusieurs intensités
- Hautes luminosités très économiques en énergie
Le coût varie en fonction de la couleur et de la luminosité
Lumière directive
Très longue durée de vie
Alimentation continue basse tension
Ecran cathodique / LCD / Vidéoprojecteur
Plusieurs paramètres importants :
- Respect des couleurs
- Luminosité
- Niveau de noir
- Résolution
- Dynamique
Hauts-parleurs, ampli, ….
Nécessité d’électrovannes pour les piloter
- Actionneurs linéaires : vérins pneumatiques
- Actionneurs rotatifs : turbines
- Débit
- Pression
- Surface (diamètre)
Force dégagée = Pression x Surface
1 bar = pression de 10 m d’eau = 1 kg/cm2
- peu de limitation de course
- parasites sonores et ultrasonores
- nécessité d’un compresseur
- nécessité d’électrovannes
- grande efficacité
- robustesse
- coût élevé
- contrôle en position/vitesse délicat
Alliages dont les propriétés mécaniques varient en fonction
de la température
Réaction directe
Tout analogique
Chaîne d’acquisition
Microcontrôleurs
Ordinateurs
Port série
Port parallèle
Port midi - carte midi
Port USB
Port firewire
Sans fil
Midi, DMX
I2C, RS232, RS485
CAN
Ethernet
Cartes commerciales E/S
Coût moyen
Connectique : port parallèle, port série ou carte enfichable
Cartes d’adaptation externes
Sur port série, parallèle
Sur port Midi, connectique directe sur les Atari
Sur port SCSI, USB, firewire
Cartes réseau
Modem, Ethernet, ADSL …
- Proportionnel
- Intégral
- Dérivé
- Anticipateur
Parasites se propageant
le long des fils conducteurs
Moteurs, réfrigérateurs, variateurs halogènes, alimentation
d’ordinateur, relais, bobines, …
FIltrage d’alimentation, séparation électrique des sources
parasites et des capteurs sensibles
Surcharges électriques
Variations de la tension du secteur, rallonges trop longues ou surchargées
(câbles chauds)
Puissance du compteur suffisante
Câblage en étoile de mer
Fil de terre de mauvaise
qualité
Mise aux normes électriques indispensable
Mesures de qualité de terre
Deux types :
Ondes radio et phénomènes de proximité
Les sources classiques :
Secteur, tous les câbles, écrans, téléphones, néons, lignes haute tension, ordinateurs, objets sans fil …
Fils d’alimentation
rangés, tressage des câbles sensibles
Séparation des différents types de câbles
Blindage par adhésif conducteur
Blindage métallique
Prévoir des chemins
de câbles différents pour :
Alimentation 240 V
Alimentation basse tension
Connectique son
Connectique lumière
Réseau informatique
Traquer les sources parasites
Armoires électriques
Appareils électroménagers
Mettre l’installation électrique aux normes
Prévoir un budget
pour une boîte à outils
Gestion des problèmes techniques par les techniciens
Sécurité
des personnes
- risques électriques
- risques auditifs
- risques visuels
- risques mécaniques
Possibilité de capteurs spécifiques à la sécurité
et de systèmes d’arrêt d’urgence
Sécurité
de l’installation et du matériel
- procédure de démarrage/arrêt automatisée
- choix des conditions d’exposition
- protection vis-à-vis du public
- autodétection des pannes et dysfonctionnements
Préférer des
systèmes à commande hiérarchisée
- Sécurité de haut niveau (détecteurs divers)
- Sécurité au niveau de l’interface de commande (détection
de forçage, surconsommation, sécurité électrique…)
- Sécurité au niveau des actionneurs (arrêt d’urgence,
fin de course, …)
Notion de watchdog
Contrôleurs Midi
-> Actionneurs d’Interface-Z
:
- Commande de Relais électriques
ou mécaniques
- 8 servomoteurs
- Gradateur 220V par Midi vers DMX
- Variateur pour mini-néon
A venir : asservissement pour deux moteurs
CC
Autres modules : capteurs -> Midi, communication Midi