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[-Interface puissance système-]

[+Actionneur, Capteurs et Energie (ACE)+]

Description

• Objectifs : Ce module traite de l'interface entre un système numérique (microprocesseur, calculateur, ordinateur ...) et un système électromécanique (système asservi, robot, véhicule électrique, éolienne ...). On s'intéresse d'une part à l'actionnement (les moteurs) et d'autre part au retour d'information (les capteurs). Les objectifs de ce module sont triples :

  • Étudier les différentes technologies de moteurs utilisés en mécatronique, et leur principe de commande.
  • Aborder les problèmes d'alimentation des systèmes embarqués
  • Acquérir une connaissance synthétique de l'instrumentation afin d'être à même de concevoir et dimensionner une chaine d'acquisition, du capteur jusqu'à l'organe de traitement.

• Mode pédagogique : Ce module se compose d' :

  • Un cours d’instrumentation présentant la chaine d’instrumentation du capteur jusqu’au convertisseur analogique numérique (technologie des capteurs, conditionnement, amplification, filtrage, conversion).
  • Un cours sur les actionneurs (moteurs polyphasés ).
  • un cours sur les alimentations électroniques (alimentation linéaire ou à découpage),
  • Un projet d’instrumentation durant lequel les étudiants doivent réaliser entièrement une carte électronique, le code embarqué et une IHM pour visualiser les données expérimentalement acquises et les confronter aux modèles théoriques vus dans les semestres précédents (que ce soit des modèles vus en dynamique, en thermique ou en matériaux). Dans ce projet, les étudiants sont regroupés par groupe de 5 (par tirage aléatoirement) sur 5 sujets différents.
  • Un mini-projet (en binôme) sur la commande vectorielle des machines synchrones.

Acquis d'Apprentissage visés (AAv)

• AAv1 [heures: 5, C1] : Schéma fonctionnel et découpage en taches du projet. À l'issue de cet enseignement, l'étudiant du septième semestre sera capable, en groupe de 4 à 5 étudiants, de produire un schéma fonctionnel et un découpage prévisionnel du travail nécessaire en taches élémentaires, pour la réalisation d'un projet d'instrumentation basé sur un microcontrôleur. Le découpage en tache devra

  • ne pas oublier de taches critiques pour la réalisation du projet
  • faire apparaitre les taches séquentiellement liées
  • faire apparaitre les dates de rendus prévus

• AAv2 [heures: 14, B1, C2, C3, D1, D3, D4, G2] : CAO électronique. À l'issue de cet enseignement, l'étudiant du septième semestre sera capable, en groupe de 4 à 5 étudiants, de concevoir, monter, tester et valider une carte électronique doubles faces (sans trou métallisé) fonctionnelle. Pour être validée la carte électronique devra :

  • réaliser les fonctions électroniques attendues
  • être montrable (c.-à-d. que les empreintes de composants choisies correspondent au composant disponible à salle de Labo ou à la Forge.
  • [- ne pas être plus grande que nécessaire (ceci pour limiter les dépenses et les couts environnementaux inutiles) -] (deplacé dans un aav green)
  • présenter une bonne ergonomie d'utilisation au niveau des câbles de connexion avec l'extérieur.

• AAv3 [heures: 24, B1, C2, C3, D1, D3, D4] : Mise en oeuvre autonome d'un microcontrôleur pour une application d'instrumentation. À l'issue de cet enseignement, l'étudiant du septième semestre sera capable, en groupe de 4 à 5 étudiants, de mettre en oeuvre un système numérique permettant d'instrumenté un système physique (par exemple un moteur, chauffage, pendule, actionneur à alliage à mémoire de forme ...). Pour mettre en oeuvre cette chaine d'instrumentation, les étudiants devront être capable :

  • de prendre en main les IDE de développement du microcontrôleur fournis par le constructeur (sans que les enseignants ne leur fournissent un projet déjà préparé)
  • choisir les capteurs pour acquérir les grandeurs physiques nécessaires à leur application.
  • réaliser l'électronique d'interfaçage entre les capteurs choisis et le microcontrôleur.
  • de choisir les connexions avec le microcontrôleur en fonction de la nature des signaux à acquérir.
  • réaliser le code embarqué dans le microcontrôleur
  • réaliser une IHM sur un PC permettant de récupérer, visualiser et analyser les données acquises.

• [+ AAv3_bis [heures: 4, C4] Minimisation du coût écologique. À l’issue de cet enseignement, l’étudiant de septième semestre devra intégrer les contraintes de durabilité dans sa conception. La carte électronique et le code embarqué dans le microcontrôleur, développés lors des deux AAV précédents, devront être conçus en minimisant l’empreinte carbone du produit. +]

  • [+ Optimisation matérielle : La carte électronique ne doit pas être plus grande que nécessaire afin de limiter les dépenses et les coûts environnementaux superflus. Elle ne devra pas proposer plus de fonctions que requis. +]
  • [+ Optimisation logicielle : Le code embarqué devra utiliser des techniques économes en ressources. Il faudra privilégier les approches par interruptions ou DMA plutôt que le polling, qui mobilise inutilement le processeur. +]
  • [+ Sobriété des livrables : Enfin, la démarche d'éco-responsabilité s'appliquera également aux rendus (documents, photos et vidéos). Ces derniers devront témoigner d'une sobriété numérique rigoureuse : privilégiez les formats compressés, évitez les résolutions inutilement élevées et veillez à ce que le poids des fichiers soit optimisé sans nuire à la clarté de l'information. +]

• AAv4 [heures: 26, B2, B3] : Connaissances générales en instrumentation. À l'issue de cet enseignement, l'étudiant du septième semestre aura une culture générale en matière d'instrumentation. Pour être plus précis l'étudiant devra pouvoir expliquer :

  • les sources de parasite dans un circuit électronique, et les moyens de les réduire
  • les différents conditionneurs de capteur
  • l'utilité d'un amplificateur d'instrumentation et/ou d'isolement
  • les différentes solutions pour alimenter un circuit électronique et l'impact sur la chaine d'instrumentation.
  • différent type de technologie de capteurs pour les principales grandeurs liées à un système électromécanique

• AAv5 [heures: 12, B2, B3, B4, D3] : Comparaison de résultats expérimentaux avec des calculs théoriques ou des simulations. À l'issue de cet enseignement, l'étudiant du septième semestre sera capable, en groupe de 4 à 5 étudiants, de faire le lien entre des données expérimentales qu'ils ont produites et des résultats théoriques obtenus par calcul et/ou simulation numérique. Plus précisément les étudiants seront capables de

  • choisir les outils de calcul et/ou de simulation nécessaire à l'analyse théorique de leur système
  • avoir un regard critique sur les résultats numériques obtenus (c.-à-d. être capable de questionner les limites des modèles utilisés en fonction des hypothèses simplificatrices faites)
  • pouvoir expliquer les différences qu'il pourrait y avoir entre les valeurs mesurées et prédites par le calcul.

• AAv6 [heures: 5, E3, E4] : Travail en groupe dans un groupe non choisi. À l'issue de cet enseignement, les étudiants du septième semestre seront en mesure de démontrer leur capacité à travailler dans un groupe qu'il leur a été imposé par tirage au sort.

  Plus précisément les étudiants devront montrer leur capacité à

  • découper le travail en taches élémentaires, et de repartir ses taches au sein du groupe.
  • mettre en commun leur travail individuel pour contribuer à l'avancement du travail de groupe.
  • identifier des difficultés et/ou retards d'un membre du groupe
  • adapter et redéfinir les objectifs du projet pour produire les meilleurs résultats à l'échéance prévue.

• AAv7 [heures: 5, F1, F2] : Synthèse écrite (dans un format au choix, mais d'une taille limitée). À l'issue de cet enseignement, l'étudiant du septième semestre sera capable, en groupe de 4 à 5 étudiants, de produire un document de synthèse présentant le système de mesure qu'ils ont conçu, réalisé et testé. Le type de document est libre : article scientifique, poster, site web, vidéo mixant film et planche de texte. La seule contrainte est que le document doit être synthétique et présenter que les points marquant de leur réalisation.

  Le document devra

  • respecter les conventions classiques d'un écrit (introduction, positionnement du problème, réalisation, étude critique des résultats, conclusion ....)
  • présenter les résultats particuliers propres au projet réalisé. Le document ne devra pas être un document résumant la manière de travailler du groupe et les difficultés rencontrées, mais bien un document présentant les résultats obtenus et l'analyse critique des mesures faites en regard des connaissances théoriques vues dans les semestres précédents.

• AAv8 [heures: 5, F1, F2] : Synthèse orale en groupe. À l'issue de cet enseignement, les étudiants du septième semestre seront capable de synthétiser à l'oral en temps restreint (10min) le système de mesure qu'ils ont conçu, réalisé et testé.

  La présentation devra

  • respecter les conventions classiques d'une soutenance (introduction, positionnement du probleme, réalisation, étude critique des résuiltats, conclusion ....)
  • utiliser des transparents lisibles sur un vidéoprojecteur de salle de classe
  • présenté une démonstration du dispositif réalisé (soit une démonstration en direct, soit une vidéo préenregistrée)
  • la contrainte de temps doit être respectée
  • tous les membres du groupe doivent prendre la parole
  • présenter la comparaison entre les données expérimentales obtenues et théoriques prévues.

• [- AAv9 [heures: 13, B3, B4, D2, D3, D4] : Modélisation pour la commande vectorielle d'un moteur synchrone. À l'issue de cet enseignement, l'étudiant du septième semestre sera capable, en binôme, d'établir un modèle afin de mettre en oeuvre la commande vectorielle d'un moteur synchrone, avec les asservissements de courant et de vitesse. Le contexte de développement amènera à la maîtrise des outils de prototypage rapide afin de basculer d'un modèle simulé à un code fonctionnel pour la cible. -]

• [- AAv10 [heures: 12, C1, C3, D1, D2, D3, D4] : Variation de vitesse. À l'issue de cet enseignement, l'étudiant du septième semestre sera capable, en binôme, de concevoir un programme permettant de piloter un variateur de vitesse via un bus de terrain afin de respecter les différents modes de marche.-]

• [+ fusion des AAv9 et AAV10 [heures: 25, B3, B4, C1, C3, D1, D2, D3, D4] Commande vectorielle d'un moteur synchrone. A l’issue du semestre 7, l’étudiant sera capable de concevoir un variateur de vitesse pour moteur synchrone, et d’utiliser ce variateur avec un automate programmable supervisé. +]

Modalités d'évaluation

3 notes de quizz sur la partie cours et TD.

1 note de Labo sur la partie commande vectorielle des machines synchrones

1 note sur le projet d'instrumentation : note basée sur les notes des différents rendus intermédiares (schéma fonctionnel, découpage du projet en taches, CAO électronique), d'un document de synthèse final (poster, article scientifique, vidéo ou site web au choix) et d'une soutenance.

Mots clés

commande vectorielle, [- brushless, pas à pas, -] chaîne d'acquisition et de numérisation, instrumentation, capteurs, [+ alimentation linéaire +], [+ alimentation à découpage +].

Pré-requis

Électronique analogique, électronique numérique, microprocesseurs, moteur à courant continu, notions de base en physique, dynamique, thermique et résistance des matériaux.

Ressources

Hervé Buyse, Francis Labrique et Paul Sente. Introduction à l'électronique et à ses applications en instrumentation. Editions Technique & Documentation, 2001.

J. G. Kassakian, M. F. Schlecht, G. C. Verghese, Principels of Power Electronics, Addisson Wesley, 1991.

Pierre Mayé, Les alimentations électroniques, Dunod : 2012.

Michel Lavabre Fabrice Baudoin, Capteurs : principes et utilisations : DUT, BTS, Écoles d'ingénieurs : cours et exercices résolus, Casteilla : 2008 .

Georges Asch et collaborateurs, Acquisition de données : du capteur à l'ordinateur, Dunod : 2011.