Jury d’examen composé de :
- Mr Ezzedine Ben Braiek Président
- Mme Balkine Khaddoumi Rapporteur
- Mr Mourad Fathallah Enc...
1
1 Introduction
Moteurs pas à pas et leurs modes
d’alimentations et de commandes
Etat de l’art de l’implémentation de com...
Introduction
Automobile
Domaine médical
Automatisme
Le moteur pas à pas
Implémentation de commande de la
machine pas à pas...
3
1 Introduction
Etat de l’art de l’implémentation de commande
des moteurs pas à pas
Simulation et implémentation de l’arc...
Unité de
commande
Unité d’isolation
galvanique
Unité de
puissance
Moteur
pas à pas
Principe de commande d’un moteur pas à ...
Types de
moteurs pas à
pas
Moteur à
aimants
permanents
Moteur à
réluctance
variable
Moteur hybride
Différents types de mot...
D1 D3
D’3 D’1
E
0 V
T1
T’1
T3
T’3
T2 T4
T’4 T’2
Phase A Phase B
I
A
I
B
Phase B
D2
E
Phase C
D3
Phase A
D1
Phase D
D4
0 V
...
Circuits de
commande
Circuits intégrés
spécifiques
Circuits intégrés micro
programmables
(Flexibilité et fiabilité)
Circui...
modes de
commande
Commande
en pas entier
Commande
en pas réduit
Commande
phase par
phase
Commande
deux phases à
la fois
Co...
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
10
20
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
10
20
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
10
20
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 ...
Application : suiveur solaire
10
Moteurs pas à pas et leurs modes d’alimentations et de commandes
Paramètre Valeur
Pas angulaire 1.8 [°]
Courant nominal de phase 0.16 [A]
Résistance d’une phase 75 [Ω]
Inductance d’une ph...
Alimentation unipolaire
Phase B
D2
E
Phase C
D3
Phase A
D1
Phase D
D4
0 V
T1 T2 T3 T4
I
A I
B
I
C I
D
Mosfet IRF820
Struct...
- Flexibilité
- Rapidité
Circuits intégrés
micro
programmables
FPGA
Schéma boc de la carte de commande à base de FPGA
Choi...
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
10
20
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
10
20
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
10
20
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 ...
15
1 Introduction
Moteurs pas à pas et leurs modes
d’alimentations et de commandes
Etat de l’art de l’implémentation de co...
Implémentation sur FPGA
Commande en boucle ouverte avec contrôle
de courant
Boucle de régulation du courant utilisant un r...
Implémentation sur DSP
Commande en
boucle fermée
Capteurs mécaniques
 Augmentent la taille et le coût du
système
 Foncti...
Etude comparative des différents types d’implémentations
18
Implémentation
Hardware (ex : FPGA)
Implémentation
Software (e...
19
1 Introduction
Moteurs pas à pas et leurs modes
d’alimentations et de commandes
Etat de l’art de l’implémentation de co...
Principe de la commande en boucle ouverte d’un moteur pas à pas
Schéma synoptique de la commande en boucle ouverte du mote...
La modélisation du moteur pas à pas hybride unipolaire
LR
e
i
U
Equations électriques
Schéma électrique équivalent d’une p...
0 0.05 0.1 0.15 0.2
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
temps[s]
positionangulaire[rad]
0 0.05 0.1 0.15 0.2
-0.03
-0.02
-0...
Commande en pas entier :
deux phases à la fois
0 0.05 0.1 0.15 0.2
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
temps[s]
positionangulai...
Commande en demi-pas
0 0.05 0.1 0.15 0.2
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
temps[s]
positionangulaire[rad]
0 0.05 0.1 0....
Commande en quart de pas
Tensions d’alimentation des
quatre phases en Volts
Temps en secondes
Temps en secondes
Temps en s...
Carte de commande du
Moteur
pas à pas
FPGA
Acquisition des
signaux provenant
du codeur
incrémental
Acquisition des
tension...
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
positionangulaire(rad)
temps (s)
0 0...
Matériel utilisé : la carte de commande
Connecteurs d’expansion
type « PMOD »
Bouton de la remise à
zéro du FPGA
Interrupt...
Paramètre Valeur
Pas angulaire 1.8 [°]
Courant nominal de phase 0.16 [A]
Résistance d’une phase 75 [Ω]
Inductance d’une ph...
Le principe de la commande en binaire du moteur pas à pas hybride
Génération des signaux de
commande
Machine
d’état
Idée d...
Principe global de l’implémentation FPGA
--------
--------
--------
--------
--------
Hardware description
language (HDL)
...
Spécification La conception d’un
algorithme de commande
Conception à
base de
langage de
description
matérielle
VHDL VERILO...
Vérification
Simuler le code par la
création d’un fichier
test
Simulation fonctionnelle Simulation temporelle
simuler les ...
Placement et
routage
Placement Routage
c’est le processus de sélection
des modules ou blocs logiques
où les portes logique...
Résultats de simulation temporelle des signaux de commande
Simulation temporelle des signaux de commandes en mode pas enti...
Génération du
fichier de
programmation
Créer une configuration « Bitstream » pour
charger l’architecture de commande sur l...
5 V
1 s
5 V
1 s
5 V
50 ms
5 V
50 ms
Visualisation des signaux de commandes du moteur pas à pas en modes pas entier et demi...
Réalisation Pratique : le banc d’essai
(1)
(5)
(4)
(2)
(3)
Vue générale du montage de la commande en boucle ouverte du mot...
Essais Pratiques : mesure des tensions et courants de phases
5 V
1 s
5 V
0.5 s
0.2 V
1 s
0.2 V
1 s
Visualisation des coura...
Essais Pratiques : Reconstruction de la position angulaire
5 V
2.5 ms
ch1
ch2
Visualisation des signaux délivrés par le ca...
41
1 Introduction
Moteurs pas à pas et leurs modes
d’alimentations et de commandes
Etat de l’art de l’implémentation de co...
Conclusion
Perspectives
 Codage VHDL et validation expérimentale de la commande en BF
 Implémentation de commande en bou...
présentation
Prochain SlideShare
Chargement dans…5
×

présentation

137 vues

Publié le

0 commentaire
0 j’aime
Statistiques
Remarques
  • Soyez le premier à commenter

  • Soyez le premier à aimer ceci

Aucun téléchargement
Vues
Nombre de vues
137
Sur SlideShare
0
Issues des intégrations
0
Intégrations
3
Actions
Partages
0
Téléchargements
4
Commentaires
0
J’aime
0
Intégrations 0
Aucune incorporation

Aucune remarque pour cette diapositive
  • Merci Mr le président, merci messieurs les membres de jury, j’ai l’honneur de vous présenter mon travail de mémoire intitulé……. Ce mémoire a été élaboré à l’ESSTT sous l’encadrement de Mr Mourad Fathallah.
  • Le plan de la présentation est donné comme ci : on commence par introduire notre mémoire, en second lieu, on va parler des moteurs……, ensuite, on présente une étude bibliographique qui concerne l’état……., puis on passe à la simulation et…… et on finit par la conclusion et…….
  • Le mot….est un actionneur utilisé dans plusieurs apps industrielles comme à titre d’exemples :…….
    Ce mémoire intitulé :  ’……..’ ce divise principalement en trois parties org de la man suiv : la prem part introduit….., la 2ème partie présente une étude bib qui concerne….., et la dernière partie est consacrée à la sim……….
  • Le princ …….est indiqué comme ci, son fonctionnement nécessite la présence d’une unité…….
    Vit dépend ……pos est proportionnelle ….
  • On distingue principalement 3 types…
    Avec…….avec…..et…..
  • Selon la configuration d’un moteur pas à pas, on distingue 2 modes d’alim : une alim unip qui utilise un commut commandé pour chacune des phases, une alim bipolaire qui utilise la structure en double pont en H . La structure en 1/2pont…qui est utilisé pour le contrôle du courant par la technique MLI.
  • Il existe principalement 2 types de circuits de cde des mpp : les c….comme le L297 et le SAA1027 et les c…..carac par leurs….comme le PIC et le FPGA
  • On distingue deux md……: la cde …..qui englobe . Le 2ème mode est la cde…c’est-à-dire : cde…et la cde…..
  • On considère un sch……dont on va appliquer les diff mdes de cde pendant une péride électrique T avec le mde….., et le mode ½ pas qui est la combinaison en alternance des 2 mdes préc, et finalement le mde ¼ de pas qui utilise deux niveaux de tension.
  • On passe maintenant à l’application pour laquelle on désire appliquer cette commande, il s’agit d’un…..pour la traction de la puissance maximale.
  • Concernant le choix, on dispose d’un mpph….ayant….
  • La configuration unipolaire du mpp choisit impose l’utilisation d’une alim unipo ayant la struc……suivante.
  • les cir intg ……comme le FPGA sont favorisés pour la Cde des actionneurs pas à pas grâce à leurs fle et leurs rap…on dispose d’une carte de Cde à base de FPGA de la famille XILINX ayant le Sch……
  • Comme nous l’avons déjà indiqué, notre application est : ……..cette application nécessite ….., donc une Cde ……est tout à fait convenable.
  • On va maintenant présenter la deuxième partie de notre mémoire et qui concerne l’état…………………..
  • L’une des architectures de Cde souvent implémentées sur un FPGA on peut citer la ……., une boucle…..est insérée afin d’améliorer……
    Le 2ème exemple est l’arch……., cette commande a montré ………., l’arch……est indiquée comme ci
  • On va maintenant passer à l’implémentation sur DSP, une Cde…..nécessite la mise en place de cpt……mais ceci augmente…, ainsi que…..tels que…..,
    Ces limitations ont poussé les automaticiens à développer une nouvelle stratégie de commande moins…… tel que la Cde…qui utilise plusieurs méthodes comme à titre d’exemples....
  • Et enfin pour synthétiser cette partie, on présente une étude comparatives des 3 types d’implémentation : imp HW(FPGA), imp SW (DSP) et l’imp mixte
    L’mpl mix…regroupe les avantages des 2 autres types d’imlpl……..mais d’autre part, une impl mixte est confrontée à une diff….
  • La dernière partie de la présentation est consacrée à la sim……..
  • Le prin…….est présenté par le schéma…..suivant
  • On s’intéresse maintenant à établir une mod….., le shm élec….est donnée comme ci, à partir de la loi d’ohm app à ce circuit et en tenant compte du déphasage régulier entre les 4 phases, on écrit les éqs et à partir de la TL….on détermine les eqs des crts de phases
    Le cp elm tot est la somme des couples ém dév par chacune des phases, son expression est la suivante, l’éq de mvmt méc est :……à partir de la TL….on détermine l’expression de la vitesse angulaire ω…..
  • On présente ici les rés…..avec le mode ph…. Où le moteur franchit au total 4 pas complets /période électrique, les créneaux de courants atteignent une valeur maximale de 0.16A
    En général le mpp présente à son arbre des oscillations gênantes pour les appls de finesse et de haute précision donc on a corrigé ce comportement par l’utilisation d’un procédé de freinage électrique appelé la Cde….
  • Le mode de cde……nous a permis d’avoir de nouvelles positions d’équilibres intermédiaires et le couple em augmente d’un facteur de √2.
  • Le mode …….est la combinaison en alternance des deux mdes préc , ce mde permet d’obtenir 8 pos d’équi / pér élect. Lévolut des crts des ph est donné par les courbes suivantes.
  • Le mde de cde….utilise 2 niveaux de tensions et permet comme son nom l’indique de diviser le pas entier en 4 micro pas afin d’améliorer la précision, le moteur fait au total 16 micro pas/ pér élec
  • On présente ici….qui associe un cod…pour le retour d’information sur la pos inst du rotor, de plus les capteurs de crts pour le contrôle des courants de phases statoriques.
    L’arch….utilise 3 xrégul y compris un rég PI; H(p) = ……avec km= ..et taux m =….; La détermination des coefficients proportionnel et intégral notés respectivement Kp et Ki se fait par synthèse de régulateur moyennant la méthode de compensation du pôle en boucle ouverte; après synthèse du régulateur on trouve : Ki =…; Kp = ….; avec Taux bf:…
  • L’évo temp de la pos ang ainsi que le Cem pour un fct à vide sont indiqués par les figures suivantes : la pos suit sa réf avec un dép faible et une réponse assez rapide, le Cem oscille avant de s’établir à zéro. On présente ici les résultats de sim pour diff couples de charges, + on aug la valeur du Cr, + l’erreur de positionnement aug.
  • On va maintenant présenter le matériel utilisé pour la réalisation pratique de la Cde, concernant la carte de Cde il s’agit d’une carte de développement des systèmes numériques à base de FPGA, l’alim et la prog de cette carte se fait à travers un câble USB, elle possède un oscillateur 50MHz et une mémoire. Le capteur de pos utilisé est un codeur incrémental optique de tech ..
  • On va expliquer le princ….., l’dée de base pour la gén….. Est l’utilisation….., le tableau suivant indique…
  • On va maintenant expliquer le princ….., le des…rédigé en VHDL est implémenté sur Puce FPGA. L’ implémentation d’un algorithme de Cde nécessite l’exécution d’un certain nombre d’étapes un par un et dans un ordre bien déterminé. On commence par la ….puis…ensuite…et on termine par…
  • On présente ici les rés……dans les 2 mdes : pas entier et ½ pas. Le vecteur de sortie composé de 4 bits et noté ‘dout’’ représente les signaux de cde des 4 phase du moteur, un chang d’état du sig dirct qui vise la direction se manifeste par un changement de l’évol bin du vecteur de sortie donc physiquement le moteur change de direction,
    Dans le mde de cde en pas entier il n’y à aucun chevauchement entre les diff sign de Cde contrairement au mode ½ pas où on detecte un chevauchement temporel régulier entre les phases, cad on alimente tout d’abord une phase puis 2 phases à la fois.
  • Ces essais ont montré une concordance avec les courbes obtenues par simulation post synthèse.
  • On présente ici une vue générale du montage………………… Le montage comprend une carte d’alimentation………….
    Les trois interrupteurs glissants (1,2 et 8) permettent une commande souple et nécessaire du moteur pas à pas hybride, l’afficheur LED de la carte permet la lecture de la position angulaire du rotor d’une façon indirecte. L’interrupteur n°1 permet d’arrêter ou de faire tourner le moteur, le 2ème permet de changer la direction et le 8ème permet de changer le mode de commande.
  • La visualisation courants et tensions de phases du moteur…pour une faible vitesse a donné les résultats expérimentaux suivants.. Dans le mode de commande en pas entier, chacune des phases est alimentée successivement par un créneau en tension d’amplitude égale à 12 V. Dans le mode de commande en demi pas, les phases sont alimentées successivement chaque huitième de période électrique une fois par une seule tension, et ensuite par deux tensions . les allures de courants suivent celles de tensions avec une petite déformation en exponentielle au début et à la fin de chaque commutation en effet la phase du moteur pas à pas est équivalente à un circuit de type R-L et l’expression du courant i(t) pour une réponse à un échelon de tension doit être égale à E/R (1-exp(-t/taux)) avec taux = L/R =0.8ms.

    Dans notre cas puisqu’on ne dispose pas de capteurs de courants, une résistance de très faible valeur (0.47Ω) placée en série avec chacune des phases du moteur pas à pas permet d’obtenir une tension image de courant, il suffit par suite de diviser la valeur maximale de la tension aux bornes de cette résistance image de courant par sa valeur pour obtenir celle du courant. La valeur maximale de la tension aux bornes de Rs est ….. Ce qui correspond à une intensité de courant expérimental égale à …..qui est pratiquement égale au courant nominal du moteur.

    Concernant l’essai à vitesse moyenne, et à des fréquences des impulsions égales à 5 Hz pour le mode pas entier et 2.5 Hz pour le mode demi-pas, une petite déformation en exponentielle existe à la fin de chaque créneau de tension dans les deux modes de fonctionnement, cette déformation est due à la mise en place d’un condensateur polarisé aux bornes de chaque phase du moteur pas à pas et ceci afin de décharger lentement l’énergie magnétique due aux inductances de phases.
    Les pics de courant sont des courants transitoires de démarrage qui ne durent que quelques microsecondes avant de se stabiliser à sa valeur nominal (0.16A).
  • Le codeur incrémental permet d’obtenir 4 positions angulaires par pas entier, c'est-à-dire deux créneaux en quadrature par pas entier comme le montre la figure suivante qui présente la visualisation……
    Un programme écrit en MATLAB basé sur la formule teta = cnt_en * (2*pi)/Nc*X permet d’obtenir 4 positions angulaires par pas entier et avec une courbe d’interpolation d’ordre 11 on dessine l’allure approchée de la position angulaire où il apparait clairement la variation initiale (linéaire) ainsi que l’angle franchis pendant le régime permanent (0.0314 rad) .
  • A la fin de la présentation ; on va résumer les tâches principales effectuées dans le travail;
    Nous avons commencé par choisir ……., ensuite nous avons fait un étude …., puis on a pu modéliser ….., quatrièmement mous avons pu faire une simulation ….afin de valider et…., dernièrement on a mesurer ….. Pour valider….
    En perspectives, on souhaite à la suite de ce travail coder et …..
    En second lieu, une implémentation ….serait d’une utilité capitale afin de faire une étude…;
    Pour finir, la mise …..serait quelque chose appréciable surtout pour réduire le coût de conception.
  • présentation

    1. 1. Jury d’examen composé de : - Mr Ezzedine Ben Braiek Président - Mme Balkine Khaddoumi Rapporteur - Mr Mourad Fathallah Encadreur Ecole Supérieure des Sciences et Techniques de Tunis Présenté par : Chtioui Aymen Mémoire MASTERE DE RECHERCHE « Génie électrique » Parcours Conversion et traitement de l’énergie électrique Implémentation de commande de la machine pas à pas Département de génie électrique Equipe de recherche MSEME « Modélisation, Simulation et Expérimentation des Machines Electriques»
    2. 2. 1 1 Introduction Moteurs pas à pas et leurs modes d’alimentations et de commandes Etat de l’art de l’implémentation de commande des moteurs pas à pas Simulation et implémentation de l’architecture de commande Conclusion et perspectives 2 3 4 5
    3. 3. Introduction Automobile Domaine médical Automatisme Le moteur pas à pas Implémentation de commande de la machine pas à pas - Différents types des moteurs pas à pas - Modes d’alimentation et de commande - Application Etude bibliographique sur l’’implémentation de commande des machines pas à pas Simulation et l’implémentation de l’architecture de commande sur FPGA 1 2 3 2 Moteur synchrone
    4. 4. 3 1 Introduction Etat de l’art de l’implémentation de commande des moteurs pas à pas Simulation et implémentation de l’architecture de commande Conclusion et perspectives 2 3 4 5
    5. 5. Unité de commande Unité d’isolation galvanique Unité de puissance Moteur pas à pas Principe de commande d’un moteur pas à pas Vitesse de rotation ω Position du rotor Fréquence des impulsions Nombre d’impulsions Principe de commande d’un moteur pas à pas 4 Moteurs pas à pas et leurs modes d’alimentations et de commandes
    6. 6. Types de moteurs pas à pas Moteur à aimants permanents Moteur à réluctance variable Moteur hybride Différents types de moteurs pas à pas 5 Moteurs pas à pas et leurs modes d’alimentations et de commandes
    7. 7. D1 D3 D’3 D’1 E 0 V T1 T’1 T3 T’3 T2 T4 T’4 T’2 Phase A Phase B I A I B Phase B D2 E Phase C D3 Phase A D1 Phase D D4 0 V T1 T2 T3 T4 I A I B I C I D Circuit d’alimentation unipolaire Circuit d’alimentation bipolaire Modes d’alimentations des moteurs pas à pas Phase A D1 D2 0 V E T1 T’1 I A structure en demi-pont asymétrique Intensité de courantIntensité de courant (A) tempsun pas complet I max I min courbe de contrôle de courant par MLI 6 Moteurs pas à pas et leurs modes d’alimentations et de commandes
    8. 8. Circuits de commande Circuits intégrés spécifiques Circuits intégrés micro programmables (Flexibilité et fiabilité) Circuits de commande des moteurs pas à pas L297 SAA 1027 FPGAPIC 7 Moteurs pas à pas et leurs modes d’alimentations et de commandes
    9. 9. modes de commande Commande en pas entier Commande en pas réduit Commande phase par phase Commande deux phases à la fois Commande en demi pas Commande en micro pas Modes de commande des moteurs pas à pas 8 Moteurs pas à pas et leurs modes d’alimentations et de commandes
    10. 10. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 10 20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 10 20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 10 20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 10 20 Tensions d’alimentation des quatre phases Temps TT/20 E E E E V A V B V C V D 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 10 20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 10 20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 10 20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 10 20 Tensions d’alimentation des quatre phases Temps TT/20 E E E E V A V B VC V D 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 10 20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 10 20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 10 20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 10 20 Tensions d’alimentation des quatre phases Temps TT/20 E E E E V A V B V C VD Tensions d’alimentation des quatre phases en Volts Temps en secondes Temps en secondes Temps en secondes Temps en secondes V A V B V C V D 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 10 20 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 10 20 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 10 20 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 10 20 V A V B V C V D Mode : Pas entier phase par phase Mode : Pas entier deux phases à la fois Mode : demi pas Mode : quart de pas S N Phase A Phase C Phase D Phase B DV AV CV BV BI + DI CI AI Schéma simplifié d’un moteur pas à pas unipolaire quatre phases Modes de commande des moteurs pas à pas 9 Moteurs pas à pas et leurs modes d’alimentations et de commandes
    11. 11. Application : suiveur solaire 10 Moteurs pas à pas et leurs modes d’alimentations et de commandes
    12. 12. Paramètre Valeur Pas angulaire 1.8 [°] Courant nominal de phase 0.16 [A] Résistance d’une phase 75 [Ω] Inductance d’une phase 0.06 [H] Couple de maintien (unipolaire) 0.09 [Nm] Couple de détente 0.015 [Nm] Inertie du rotor 0.0000028 [Kgm2] Moteur pas à pas hybride ASTROSYN Y129 Choix du moteur pas à pas Caractéristiques principales du moteur hybride ASTROSYN Y129 11 Moteurs pas à pas et leurs modes d’alimentations et de commandes
    13. 13. Alimentation unipolaire Phase B D2 E Phase C D3 Phase A D1 Phase D D4 0 V T1 T2 T3 T4 I A I B I C I D Mosfet IRF820 Structure de convertisseur pour l’alimentation unipolaire Choix du mode d’alimentation et structure de convertisseur 12 Moteurs pas à pas et leurs modes d’alimentations et de commandes
    14. 14. - Flexibilité - Rapidité Circuits intégrés micro programmables FPGA Schéma boc de la carte de commande à base de FPGA Choix du circuit de commande 13 Moteurs pas à pas et leurs modes d’alimentations et de commandes
    15. 15. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 10 20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 10 20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 10 20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 10 20 Tensions d’alimentation des quatre phases Temps TT/20 E E E E V A V B V C V D 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 10 20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 10 20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 10 20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 10 20 Tensions d’alimentation des quatre phases Temps TT/20 E E E E V A V B V C VD Chronogramme d’alimentation des phases en mode pas entier Chronogramme d’alimentation des phases en mode demi pas Choix des modes de commande 14 Moteurs pas à pas et leurs modes d’alimentations et de commandes
    16. 16. 15 1 Introduction Moteurs pas à pas et leurs modes d’alimentations et de commandes Etat de l’art de l’implémentation de commande des moteurs pas à pas Simulation et implémentation de l’architecture de commande Conclusion et perspectives 2 3 4 5
    17. 17. Implémentation sur FPGA Commande en boucle ouverte avec contrôle de courant Boucle de régulation du courant utilisant un régulateur PI Améliorer les performances dynamiques du système par le contrôle du courant dans les phases statoriques Architecture de commande sans fil d’un moteur pas à pas implémentée sur FPGA + Grande précision de positionnement + Distance de séparation de 70 mètres + Idéale pour les applications sans fil Spartan 3 FPGA Contrôleur Bluetooth Contrôleur RS232 Gui Codeur du signal Algorithme de commande Unité de commande Moteur pas à pas Architecture générale du système 16 Etat de l’art de l’implémentation de commande des moteurs pas à pas
    18. 18. Implémentation sur DSP Commande en boucle fermée Capteurs mécaniques  Augmentent la taille et le coût du système  Fonctionnement influencé par les mauvaises conditions du milieu industriel : - température - haute vibration Commande sans capteurs Algorithme du « Filtre de Kalman Etendu » Méthode des « impulsions de tensions » 17 Etat de l’art de l’implémentation de commande des moteurs pas à pas Commande moins chère et plus robuste
    19. 19. Etude comparative des différents types d’implémentations 18 Implémentation Hardware (ex : FPGA) Implémentation Software (ex : DSP) Implémentation mixte + Flexibles, rapides (fréquence d’oscillateur allant jusqu’à 100MHz) + Compatibles avec la conversion en ASIC (pour la production en masse) + Débit de transfert de données plus élevé que le DSP (20-30 Mo/s) + Dédiés pour des tâches très répétitives et spécialisées - Quantité limitée de stockage interne - Reconfiguration un peu lente - Reconfiguration ne se fait pas dans un cycle de calcul : (nécessitée d’interruption) + Flexibles et rapides (1 GHz) + Plus de souplesse dans leur programmation par rapport aux FPGA + Reconfiguration très rapide + Implémentation plus facile (time to market) que l’implémentation Hardware + Reconfigurable même pendant un cycle de calcul + Implémentation plus facile des algorithmes adaptatifs (ex : FKE) - Débit de transfert de données moins élevé que le FPGA + Les structures les plus utilisées sont des circuits FPGA avec un cœur en microprocesseur (Applications SoC) + Performance améliorée + Rapidité [3] + Flexibilité [3] + Convenable pour les applications qui englobent plusieurs tâches de natures différentes - Difficulté au niveau de la conception + - + - + - -Commande de certaines machines -Suiveur solaire -Robotique - Militaire, Médical, Aéronautique -Commande en vitesse des moteurs pas à pas -Télécommunication -Robotique - Traitement d’image - Militaire (ex. guidage d’un missile) - Médical - Aéronautique Exemples d’applications Etat de l’art de l’implémentation de commande des moteurs pas à pas
    20. 20. 19 1 Introduction Moteurs pas à pas et leurs modes d’alimentations et de commandes Etat de l’art de l’implémentation de commande des moteurs pas à pas Conclusion et perspectives 2 3 4 5
    21. 21. Principe de la commande en boucle ouverte d’un moteur pas à pas Schéma synoptique de la commande en boucle ouverte du moteur pas à pas hybride Carte de commande du Moteur pas à pas FPGA Driver (optocoupleurs) Isolation galvanique commande/puissance Etage de puissance À base de Mosfets Moteur pas à pas hybride Codeur incrémental optique + Charge Alimentation continue en tension 12V DC Afficheur Led 4 digits 7 segments 20 Simulation et implémentation de l’architecture de commande
    22. 22. La modélisation du moteur pas à pas hybride unipolaire LR e i U Equations électriques Schéma électrique équivalent d’une phase du moteur pas à pas hybride A A A m m m m V i K sin( ) V i K sin( ) 2 V i K sin( ) 3 V i K sin( ) 2 B B B C C C D D D di R L N dt di R L N dt di R L N dt di R L N dt                                             1 ( ) sin( ) (1 ) 1 ( ) cos( ) (1 ) 1 ( ) sin( ) (1 ) 1 ( ) cos( ) (1 ) A A m B B m C C m D D m RI p V K N L p R RI p V K N L p R RI p V K N L p R RI p V K N L p R                                       TL à conditions initiales nulles Couple électromagnétique total em em A emB emC emDC C C C C     sin( ) cos( ) sin( ) cos( )em m A B C DC K i N i N i N i N        det arg 0 ( )em ch e f v d C C C C signe J K dt        Equation de mouvement mécanique La TL à conditions initiales nulles det arg 0 1 ( ) (1 ) v em ch e f v K C C C C signe J p K         21 Simulation et implémentation de l’architecture de commande
    23. 23. 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 temps[s] positionangulaire[rad] 0 0.05 0.1 0.15 0.2 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 temps[s] coupleelectromagnetique[Nm] 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 lescourantsdesphasesstatoriques[A] temps[s] --- courant de phase A / --- courant de phase B --- courant de phase C / --- courant de phase D Commande en pas entier : phase par phase Coupleélectromagnétique(Nm) Positionangulaire(rad) Courantsdesphasesstatoriques(A) Résultats de simulation de commande en boucle ouverte du moteur pas à pas hybride -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Signal 3 ay/Signal Builder1 : Group 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Signal 2 Time (sec) VB VA 1 t 2 t temps E E 0 0 Le principe de la commande Bang-Bang 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 positionangulaire[rad] temps[s] ----- commande pas entier sans correction ----- commande pas entier avec correction Bang-Bang Evolution temporelle d’un pas angulaire sans correction et avec correction Bang-BangPositionangulaire(rad) 22 Simulation et implémentation de l’architecture de commande
    24. 24. Commande en pas entier : deux phases à la fois 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 temps[s] positionangulaire[rad] 0 0.05 0.1 0.15 0.2 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 temps[s] coupleelectromagnetique[Nm] 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 positionangulaire(rad) temps (s) Comparaison entre les deux modes de commandes précédents en termes de dynamique --- mode phase par phase --- mode deux phases à la fois 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 Coupleélectromagnétique[Nm] temps (s) --- mode phase par phase --- mode deux phases à la fois Coupleélectromagnétique(Nm) Coupleélectromagnétique(Nm) Positionangulaire(rad)Positionangulaire(rad) 23 Simulation et implémentation de l’architecture de commande Résultats de simulation de commande en boucle ouverte du moteur pas à pas hybride
    25. 25. Commande en demi-pas 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 temps[s] positionangulaire[rad] 0 0.05 0.1 0.15 0.2 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 temps[s] coupleelectromagnetique[Nm] 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 courantsdephases(A) temps (s) --- courant de phase A / --- courant de phase B --- courant de phase C / --- courant de phase D Coupleélectromagnétique(Nm) Positionangulaire(rad) Courantsdesphasesstatoriques(A) 24 Simulation et implémentation de l’architecture de commande Résultats de simulation de commande en boucle ouverte du moteur pas à pas hybride
    26. 26. Commande en quart de pas Tensions d’alimentation des quatre phases en Volts Temps en secondes Temps en secondes Temps en secondes Temps en secondes V A V B V C V D 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 10 20 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 10 20 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 10 20 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 10 20 V A V B V C V D 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 temps (s) coupleélectromagnétique(Nm) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 temps (s) positionangulaire(rad) Positionangulaire(rad) Coupleélectromagnétique(Nm) 25 Simulation et implémentation de l’architecture de commande Résultats de simulation de commande en boucle ouverte du moteur pas à pas hybride
    27. 27. Carte de commande du Moteur pas à pas FPGA Acquisition des signaux provenant du codeur incrémental Acquisition des tensions image des courants mesurés Driver (optocoupleurs) Isolation galvanique commande/puissance Etage de puissance À base de Mosfets Moteur pas à pas hybride Codeur incrémental optique + Charge Alimentation continue en tension Capteurs de courants Schéma synoptique de la commande en boucle fermée du moteur pas à pas hybride θref ωref θ I PI ω C refem C em C charge P+ - - - - ++ Scénario de commande MLI iref i Etage de puissance Moteur pas à pas HybrideTensions de phases Signaux de commande Architecture de commande en boucle fermée du moteur pas à pas hybride Kp + Ki /p H(p) Cem(p)ωref ἐ ω(p) F(p) 1/( ) 1 ( ) ( ) . ( / ). 1 . 1 v m em v v m K Kp H p C p J p K J K p p          1/ ( / ) m v m v K K J K    Avec Kv : coefficient de frottement visqueux J : Moment d’inertie du rotor On note Après la synthèse du régulateur / / i v BF p BF K K K J      2 5 0.0001/ 0.01 10 0.0000028 / 0.01 28.10 v i BF p BF K K J K                Avec BF = 0.01s où BF : constante de temps en boucle fermée imposée par l’utilisateur 26 Simulation et implémentation de l’architecture de commande Résultats de simulation de commande en boucle fermée du moteur pas à pas hybride
    28. 28. 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 positionangulaire(rad) temps (s) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 coupleélectromagnétique(Nm) temps (s) Evolution temporelle de la position angulaire du rotor et la position de référence Evolution temporelle du couple électromagnétique du moteur pas à pas à couple de charge nul ---position de référence ---position réelle du rotor ---Cem de référence ---Cem du moteur pas à pas Simulations à vide Positionangulaire(rad)Coupleélectromagnétique(Nm) Simulations en charge 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 positionangulaire(rad) temps (s) Positionangulaire(rad) --- position de référence ---Cr = 0.01 Nm ---Cr = 0.02 Nm 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 coupleélectromagnétique(Nm) temps (s) Coupleélectromagnétique(Nm) ---Cr = 0.01 Nm ---Cr = 0.02 Nm 27 Simulation et implémentation de l’architecture de commande Résultats de simulation de commande en boucle fermée du moteur pas à pas hybride
    29. 29. Matériel utilisé : la carte de commande Connecteurs d’expansion type « PMOD » Bouton de la remise à zéro du FPGA Interrupteurs glissants Boutons poussoirs Afficheur LED 4 digits 7 segments Connecteur haute vitesse de type «FX2» SDRAM Mémoire ROM FPGA xc3s-500e Oscillateur 50MHz Vue générale de la carte de commande FPGA « NEXYS2 » Matériel utilisé : Le capteur de position Structure et disque du capteur de position HEDS 5605 Caractéristiques générales Technologie résolution TTL 200 cycles/tour 28 Simulation et implémentation de l’architecture de commande
    30. 30. Paramètre Valeur Pas angulaire 1.8 [°] Courant nominal de phase 0.16 [A] Résistance d’une phase 75 [Ω] Inductance d’une phase 0.06 [H] Couple de maintien (unipolaire) 0.09 [Nm] Couple de détente 0.015 [Nm] Inertie du rotor 0.0000028 [Kgm2] Moteur pas à pas hybride ASTROSYN Y129 Matériel utilisé : le moteur pas à pas hybride Matériel utilisé : La carte de puissance Montage de réalisation de la carte de puissance du moteur pas à pas hybride sur ISIS Carte de puissance Isolation galvanique entre la commande et la puissance grâce à quatre optocoupleurs. Alimentation unipolaire du moteur pas à pas hybride grâce à quatre MOSFETS connectés chacune à une diode de roue libre. Caractéristiques techniques du moteur pas à pas hybride ASTROSYN Y129 29 Simulation et implémentation de l’architecture de commande
    31. 31. Le principe de la commande en binaire du moteur pas à pas hybride Génération des signaux de commande Machine d’état Idée de base Séquences de commande en binaire sur 4 bits Tension de la phase A Tension de la phase B Tension de la phase C Tension de la phase D 1000 12V 0V 0V 0V 1100 12V 12V 0V 0V 0100 0V 12V 0V 0V 0110 0V 12V 12V 0V 0010 0V 0V 12V 0V 0011 0V 0V 12V 12V 0001 0V 0V 0V 12V 1001 12V 0V 0V 12V Différents niveaux logiques appliqués aux phases du moteur pas à pas durant une période électrique pour un fonctionnement en demi-pas Sensantihoraire Senshoraire 30 Simulation et implémentation de l’architecture de commande
    32. 32. Principe global de l’implémentation FPGA -------- -------- -------- -------- -------- Hardware description language (HDL) Spécification Synthèse ---- ---- Netlist Simulation 01 10 11 Vérification Les vecteurs de test Placement et routage Création du fichier de programmation (.bit) Implémentation FPGA Fitting Organigramme de programmation d’un FPGA Puce FPGA Design de la commande micro programmable Implémentation VHDL Etapesdel’implémentationd’unalgorithmedecommande 31 Simulation et implémentation de l’architecture de commande
    33. 33. Spécification La conception d’un algorithme de commande Conception à base de langage de description matérielle VHDL VERILOG Conception schématique Les étapes d’implémentation d’un algorithme de commande Synthèse Synthétiser le code de programmation Concevoir un circuit logique avec des portes logiques Générer un fichier NETLIST ------------- ----------- ----- ------------ ----- ------------ Rapport de synthèse Chemin critique Les ressources utilisées sur le composant FPGA 15% des ressources disponibles 32 Simulation et implémentation de l’architecture de commande
    34. 34. Vérification Simuler le code par la création d’un fichier test Simulation fonctionnelle Simulation temporelle simuler les fonctions sans avoir intérêt aux délais de propagations des signaux à travers le composant cible FPGA et ses connexions Simuler des circuits logiques tout en considérant les décalages temporelles entre les entrées et les sorties du circuit FPGA Les étapes d’implémentation d’un algorithme de commande Fitting C’est la répartition la plus performante possible du circuit synthétisé sur les éléments logiques du composant cible FPGA 33 Simulation et implémentation de l’architecture de commande
    35. 35. Placement et routage Placement Routage c’est le processus de sélection des modules ou blocs logiques où les portes logiques seront placées C’est l’interconnexion physique entres les différents blocs logiques du composant cible FPGA Placement et routage • Exécutée avec succès Simulation temporelle : « Post-Route Simulation » • une simulation du circuit logique du design Les étapes d’implémentation d’un algorithme de commande 34 Simulation et implémentation de l’architecture de commande
    36. 36. Résultats de simulation temporelle des signaux de commande Simulation temporelle des signaux de commandes en mode pas entier Simulation temporelle des signaux de commandes en mode demi pas 35 Simulation et implémentation de l’architecture de commande
    37. 37. Génération du fichier de programmation Créer une configuration « Bitstream » pour charger l’architecture de commande sur le composant cible FPGA Extension : « .bit » Programmation du circuit FPGA Programmation JTAG Programmation PROM c’est une programmation volatile qui se fait à chaque fois à travers un ordinateur connecté à la carte de commande c’est une programmation qui reste en mémoire même après coupure d’alimentation, le fichier de programmation « fichier.bit » est enregistré dans la mémoire morte « ROM » Les étapes d’implémentation d’un algorithme de commande • Programmation JTAG Programmation du composant cible FPGA • Vérifier l’ordre logique des signaux de commande Effectuation des tests sur les voyants LED de la carte de commande • vérifier la fréquence des impulsions et leurs formes rectangulaires • vérifier le décalage temporel entres les différents créneaux de commande Visualisation des signaux de commande sur un oscilloscope 1 2 3 36 Simulation et implémentation de l’architecture de commande
    38. 38. 5 V 1 s 5 V 1 s 5 V 50 ms 5 V 50 ms Visualisation des signaux de commandes du moteur pas à pas en modes pas entier et demi pas à basse vitesse pour deux fréquences des impulsions égales respectivement à 0.25 Hz et 0.125 Hz Visualisation des signaux de commandes du moteur pas à pas en modes pas entier et demi pas à vitesse moyenne pour deux fréquences des impulsions égales respectivement à 5 Hz et 2.5 Hz pas entier Demi pas pas entier Demi pas Visualisation des signaux de commande 37 Simulation et implémentation de l’architecture de commande
    39. 39. Réalisation Pratique : le banc d’essai (1) (5) (4) (2) (3) Vue générale du montage de la commande en boucle ouverte du moteur pas à pas hybride par la carte FPGA (1) : carte d’alimentation unipolaire à base de MOSFETS (2) : Le moteur pas à pas hybride unipolaire à quatre phases (3) : Le capteur rotatif incrémental de position (4) : la carte d’alimentation stabilisée 12V, 5V, 0.5 A (5) :la carte de commande FPGA « NEXYS2 » Réalisation Pratique : la carte de commande Connecteurs d’expansion type « PMOD » Bouton de la remise à zéro du FPGA Interrupteurs glissants Boutons poussoirs Afficheur LED 4 digits 7 segments Connecteur haute vitesse de type «FX2» SDRAM Mémoire ROM FPGA xc3s-500e Oscillateur 50MHz Vue générale de la carte de commande à base de FPGA « NEXYS2 » Numéro de l’interrupteur S’il est dans la position ‘0’ S’il est dans la position ‘1’ 1 Arrêter la rotation du moteur pas à pas Le moteur pas à pas peut tourner 2 La rotation du rotor est dans la direction horaire La rotation du rotor est dans la direction antihoraire 8 Le moteur pas à pas est commandé en mode ‘pas entier’ Le moteur pas à pas est commandé en mode ‘demi pas’ 38 Simulation et implémentation de l’architecture de commande Les fonctions des interrupteurs 1, 2 et 8 de la carte « NEXYS2 »Légende du montage de la réalisation pratique
    40. 40. Essais Pratiques : mesure des tensions et courants de phases 5 V 1 s 5 V 0.5 s 0.2 V 1 s 0.2 V 1 s Visualisation des courants de phases du moteur pas à pas hybride dans les modes de commande en pas entier et demi pas à faible vitesse pour des fréquences des impulsions égales respectivement à 0.25 Hz et 0.125 Hz pas entier Visualisation des tensions de phases du moteur pas à pas hybride dans les modes de commande en pas entier et demi pas à faible vitesse pour des fréquences des impulsions égales respectivement à 0.25 Hz et 0.125 Hz 5 V 50 ms 5 V 50 ms 0.2 V 50 ms 0.2 V 50 ms Visualisation des courants de phases du moteur pas à pas hybride dans les modes de commande en pas entier et demi pas à vitesse moyenne pour des fréquences des impulsions égales respectivement à 5 Hz et 2.5 Hz Visualisation des tensions de phases du moteur pas à pas hybride dans les modes de commande en pas entier et demi pas à vitesse moyenne pour des fréquences des impulsions égales respectivement à 5 Hz et 2.5 Hz IExpérimental = Us/Rs = 0.075/0.47 = 0.159A Inominal = 0.16A IExpérimental ≈ Inominal 39 Simulation et implémentation de l’architecture de commande V VV V I II I pas entier pas entier demi pas demi pas demi pas demi paspas entier Rs = 0.47 Ω Us = 0.075 V
    41. 41. Essais Pratiques : Reconstruction de la position angulaire 5 V 2.5 ms ch1 ch2 Visualisation des signaux délivrés par le capteur de position pour un fonctionnement en pas entier à une fréquence de commutation égale à 12.5 Hz 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 temps(s) positionangulaire(rad) Courbe expérimentale,courbe d interpolation d ordre 11 Evolution temporelle approchée de la position angulaire 40 Simulation et implémentation de l’architecture de commande
    42. 42. 41 1 Introduction Moteurs pas à pas et leurs modes d’alimentations et de commandes Etat de l’art de l’implémentation de commande des moteurs pas à pas Simulation et implémentation de l’architecture de commande Conclusion et perspectives 2 3 4 5
    43. 43. Conclusion Perspectives  Codage VHDL et validation expérimentale de la commande en BF  Implémentation de commande en boucle fermée sur des cibles logicielles et mixtes ----> d’une étude comparative  Mise en place d’une plate-forme de Co-simulation ----> réduire coût de conception 42 Choix du moteur et ses modes d’alimentations et de commande 1 Etude bibliographique sur l’implémentation de commande des moteurs pas à pas 2 Modélisation du moteur et simulation de fonctionnement sous MATLAB/SIMULINK 3 Simulation fonctionnelle et temporelle des signaux de commande 4 Visualisation et validation des modes de commande Mesure de tensions, courants et position du moteur 5 Validation expérimentale Conclusion et perspectives

    ×