COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012Université Mohamed Premier. Ecole Nationale des Sciences Appliquées - Oujda Département : Génie Electrique. Niveau : 5éme année COMMANDE EN VITESSE ET EN POSITION DE MOTEUR PAS à PAS Réalisé par : encadré par : BOUAMOUD Omar et NHARI Mohammed Mr .HAJJI 1 COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012 PLAN INTRODUTION GENERALE CH I : CIRCUITS LOGIQUES PROGRAMMABLES FPGA 1) Structure des FPGA 2) Les ressources de FPGA 3) Carte Altéra DE2-70 4) Synoptique de la méthode de conception d’un circuit numérique FPGA CH II : LE MOTEUR PAS A PAS 5) INTRODUCTION 6) Présentation 7) Généralités 8) Les différents types des moteurs pas à pas : 9) Etude comparative 10) Etude du courant dans un enroulement (phase) du moteur 11) Les avantages et les inconvénients des moteurs pas à pas CH III : LA PARTIE PRATIQUE 12) Générateur de phases et la machine d’état synchrone de Moore 13) Commande en vitesse du moteur 14) Commande en position 15) Circuit de puissance 16) Simulation électrique sous Porteuse Professionnel CH V : CONCLUSION 2 Enfin. nous citerons le programme VERILOG qui permet de générer les signaux permettant de commander le moteur pas à pas avec ses option de sens de rotation . la gestion de la complexité avec les outils d’aide à la conception traditionnels devient une tache pénible. la carte de commande et de puissance. Dans de telles circonstances. la présentation sera détailler pour le circuit logique programmable(FPGA) .COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012 INTRODUTION GENERALE L’évolution de l’industrie des circuits intégrés durant la dernière décennie a été tellement rapide qu’il est maintenant possible d’intégrer plusieurs systèmes complexes sur une seule puce. quand on considère les contraintes de mise en marché d’un produit. 3 . coûteuse voire impossible. Cette évolution vers des niveaux d’intégration de plus en plus élevés est motivée par les besoins de systèmes plus performants. la partie commande du moteur. ce rapport traitera. en couple et en position en utilisant un circuit programmable FPGA. de couple et de position . Nous avons consacré Troie thèmes à savoir : le circuit FPGA le moteur pas à pas Le circuit de commande Entre autre. Ce rapport présente notre projet qui vient d’être réalisé et qui consiste à commander un moteur pas à pas en sens. légers. compacts et consommant un minimum de puissance. COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012 CH I : Circuits logiques programmables FPGA 1) Définition : Les FPGA (abréviation anglaise de qui signifie réseau des portes programmables sur site) sont aussi des circuits logiques programmables par l’utilisateur. soit 3-états. et il n’y a pas de matrice ET et OU. ils offrent un niveau d’intégration très élevé par rapport aux CPLD. L’ensemble des points de connexion est appelé PIP. 2) Structure des FPGA : Un circuit FPGA contient un très grand nombre de macro cellules (environ 32*32 CLB) avec une très grande souplesse d’interconnexion entre eux. Fig. 1 : structure des FPGA 3) Les ressources de FPGA : Entrées-sorties : elles sont indépendantes des macros cellules et de groupes de macro cellules. abréviation anglaise de « Programme InterConnect Points ». Macro cellules : elles sont très nombreuses. l’incorporation d’une résistance de rappel à la tension d’alimentation pour fixer le niveau de tension d’une broche. C’est une évolution des CLPD mais avec un concept différent. 4 . Elles ont comme élément de base la porte 3-états. Elles peuvent intégrer beaucoup des éléments comme le choix du temps de montée. le temps de propagation dans les couches logiques du circuit dépend de l’organisation et de la distance entre les macros cellules interconnectées. Dans le FPGA. Réseaux d’interconnexion : il doit permettre de connecter n’importe quelle CLB à une autre ou à une cellule d’entrée-sortie. le choix de type de sortie : soit collecteur ouvert. La macro cellule est constituée d’une partie combinatoire et d’une partie séquentielle. Le FPGA ne contient pas de processeurs en dur (hard-core processor). L’intérêt est donc qu’une même puce peut être utilisée dans de nombreux systèmes électroniques différents. afin de réaliser la ou les fonctions voulues. Cela permet de changer à volonté le circuit logique réalisé par le FPGA. Le FPGA de la carte va donc nous permettre de mettre en œuvre le système que l’on aura préalablement défini à l’aide des outils Altéra. Celles-ci sont connectées de manière réversible par programmation. La carte est basée sur un circuit : le FPGA (Field-Programmable Gate Arrays). c’est pour quoi le processeur utilisé sera défini logicielle ment (soft-core processor). Un FPGA est un réseau des portes logiques. La configuration d’un FPGA peut-être modifiée en mettant à jour la matrice d’interconnexion des portes logiques. 5 .COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012 4) Carte Altéra DE2-70 : La carte Altéra DE2 est une carte de développement à base de logique programmable permettant la mise en œuvre de circuits complexes (plusieurs centaines de milliers de portes logiques) tels que les microprocesseurs. Schéma .Equation .COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012 5) Synoptique de la méthode de conception d’un circuit numérique FPGA Application .Graphe d’état Saisie de l’application Générateur des vecteurs de tests 1ère phase indépendante du composant VHDL VERILOG Synthèse Simulation fonctionnelle Routage Simulation temporelle Logiciel de simulation Programmation physique Bibliothèque de fonctions du circuit constructeur 2ème phase dépendante du composant Circuit Tests électriques 3ème phase indépendante du composant 6 . comme par exemple : l’automobile. le médical. leur véritable développement est lié à l’événement de la micro-informatique (microprocesseur). D’autre part. le textile…etc. le moteur exécute des pas quand des impulsions de tension sont appliquées à ses phases. 2) Généralités : Les moteurs pas à pas sont des moteurs spéciaux. 7 . le moteur pas à pas utilise seulement 50% de son couple maximal.la simplicité de cette commande entraine plusieurs dans le domaine ou une grande précision de positionnement est exigée. la climatisation. Le caractère synchrone du moteur pas à pas permet de faire fonctionner sans boucle de retour. le reste est réservé pour vaincre toute variation de charge. composés simplement d’un stator réunissent des pièces polaires et des bobinages. Le moteur pas à pas peut remplir deux fonctions : Conversion d’énergie électrique en énergie mécanique (c’est le moteur classique) Conversion de l’information numérique en un positionnement angulaire ou linéaire. Les premiers moteurs pas à pas datent de 1930. le moteur peut perdre des pas. et utilisés pour commander avec grande précision le déplacement et la position d’un objet. le chauffage.COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012 CH II : LE MOTEUR PAS A PAS 1) Présentation Le moteur pas à pas est utilisé dans plusieurs domaines d’application. Ces moteurs sont conçus pour être utilisés en boucle ouverte comme son nom l’indique. Si les mouvements ou les variations de la charge sont rapide. Moteur à aimant permanant : 8 .La fréquence de rotation. ces moteurs tournent par incrément discret. Ceci traduit le fait qu’on transforme une grandeur numérique en une grandeur analogique . Le principe de base est donc toujours la création d’un champ tournant comme dans les moteurs triphasés industriels ou dans les petits moteurs équipant les programmateurs mécaniques : les pôles magnétiques de rotation de même nom se repoussent et les pôles des noms contraires s’attirent. Chaque incrément de rotation est provoqué par une impulsion de courant fournie à l’un des enroulements du stator Le moteur pas à pas est l’organe de positionnement et de vitesse travaillant généralement en boucle ouverte. le champ magnétique entraînera le rotor alimenté dans le même sens. ou vitesse est donc commandée par des impulsions (consigne de rotation) contrôlées elle-même par un dispositif électronique en technologie câblée programmée.COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012 Comme leur nom l’indique. 3) Les différents types des moteurs pas à pas : Il y a trois types : Les moteurs à aimant permanent Les moteurs à réluctance variable Les moteurs hybrides Dans notre projet on s’intéresse au premier type. Les moteurs à aimants permanents se subdivisent en deux types principaux : Les moteurs bipolaires Les bobines d’un moteur bipolaire sont alimentées une fois dans un sens. Fig.COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012 Un aiment permanent est solidaire de l’axe du moteur (rotor) . Ils créent une fois un pole nord.Des bobines excitatrices sont placées sur les parois du moteur (stator) et sont alimentées chronologiquement. Le rotor s’oriente suivant le champ magnétique crée par les bobines. une fois un pole sud d’où le nom de bipolaire. 1 : moteur à aiment permanent bipolaire Le moteur unipolaire Les bobinages d’un moteur unipolaire sont alimentés toujours dans le même sens par une tension unique d’où le nom d’unipolaire fig2 : moteur à aiment permanent unipolaire 9 . une fois dans l’autre sens. COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012 . di/ dt + ri L : L’inductance d’un enroulement du moteur r : Résistance du moteur Solution générale de l’équation sans second membre: 10 . 4) Etude comparative Nous effectuons une étude comparative entre les moteurs à aimant et le moteur à réluctance variable (les moteurs les plus utilisés) Le tableau ci-dessous présente les avantages de l’un par rapport à l’autre : Type de moteur Moteur à aimant permanent Moteur à réluctance variable Bonne Moteur hybride Résolution (nb de pas/tour) Couple moteur Sens de rotation Moyenne Elevée Elevé Il dépend : -du sens du courant pour les moteurs bipolaires -L’ordre d’alimentation des bobines Faible Il dépend uniquement de l’ordre d’alimentation des bobines Elevé Il dépend : -du sens du courant pour les moteurs bipolaires -L’ordre d’alimentation des bobines Fréquence de travail Faible grande grande 5) Etude du courant dans un enroulement (phase) du moteur E = L. COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012 Solution particulière de l’équation avec second membre: Solution générale de l’équation avec second membre: Détermination de la constante K2: Equation finale 11 . la résistance additionnelle dissipe inutilement une puissance 6) Les avantages et les inconvénients des moteurs pas à pas : L’avantage le plus important du moteur pas à pas est très simplifié puisqu’il existe des intégrés qui transforment directement un train d’impulsion en commande des phases. et que son usure est faible. Pour le rétablir.démarrage et fréquence maximale de survitesse) sont considérablement améliorées. en tenant compte du sens désiré. il faut augmenter la tension d’alimentation du moteur. Le couple moteur est donc diminué. De plus.COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012 Fig3 • Réduction de la constante de temps On constate que la constante de temps τ = L/r peut être diminuée par l’addition d’une résistance r’ en série avec l’enroulement. il faut noter que la rotation se fait par coups et à une base vitesse. On constate que la vitesse de montée du courant dans l’enroulement est plus élevée avec une résistance additionnelle r’. la valeur du courant (régime permanent) est réduite. Le couple moteur s’établit donc plus rapidement. il est possible de bloquer l’arbre sous tension sans que ceci ne nuise au moteur. 12 . qu’il oscille lorsqu’il passe d’un pas à l’autre et que si le couple de charge est supérieur au couple moteur. P=E²/r’. Les performances du moteur (fréquence maximale d’arrêt . Un autre avantage réside dans le fait que le moteur pas à pas ne nécessite trop d’entretien. Comme inconvénients. Cependant. Cependant. Le générateur de phases est le bloc principale de ce projet Voici ci-dessous les entrées sorties de ce bloc : Entrées clock reset sens couple varpos varneg Pause Enable_position Start vecteur_pos Horloge 50MHz Initialisation Sens de rotation du moteur Validation du couple maximale Accélération de vitesse Décélération de vitesse Pause du moteur à l’état actuel Validation de la commande en position Début de cycle vers la position désirée La consigne de position sur 10bit Sorties 13 .COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012 CH III : LA PARTIE PRATIQUE 1) Générateur de phases et la machine d’état synchrone de Moore : Le générateur de phases est un système séquentiel synchrone qui doit produire les 4 signaux commandant les 4 phases du moteur. Voir la figure ci-dessous : Fig. Ph1_2. IN1_2. IN2_1. IN2_2 4 Sorties des séquences vers les LEDS Sorties masse du FPGA 4 Sorties vers les phases du moteur NB : La fréquence de système varie de 1Hz jusqu’à 1KHz.COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012 Ph1_1. alors il faut un diviseur de fréquence pour avoir cette marge de fréquence Le générateur de phases est obtenu grâce à une machine d’état synchrone suivant le modèle de Moore. La figure ci-dessous montre la machine à état complète du système : 14 . Ph2_1. 1 : Machine à états finis de Moore Le programme HDL est généré à votre choix après la configuration de la machine. Ph2_2 IN0 IN1_1. COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012 Fig2 : La machine d’état du générateur de phases Création de la machine d’état : Comme toujours et après la création du projet il faut spécifier le langage de programmation : Fig3 : State Machine File 15 . COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012 Maintenant on passe aux démarches de programmation de la machine de manière graphique ou en utilisant l’outil disponible sur Quartus « Wizard ».swf) pour voir les séquences pas. Fig. 4 : créer la machine à état Pour construire la machine à états de manière correcte il faut bien comprendre les états des phases du moteur : Appuyiez sur le lien hypertexte (pas. swf Etats des phases dans le fonctionnement sans couple maximale 16 . 1) Commande en vitesse du moteur : Pour commander le moteur en vitesse il faut augmenter la vitesse de déroulement de la machine à états conçu.le compteur s’incrémentera à chaque front montant de l’horloge (50MHz) . est défini par un autre programme appelé (variateur) . Le travail réside sur le changement de la fréquence de l’horloge de la machine selon le désire de l’utilisateur. Pour cela on a conçu un programme appelé dans le projet (diviseur) qui se base sur un diviseur de fréquence initialement (50MHz1Hz). Deux entrées de (accélération/décélération) change la valeur maximale de comptage en respectant l’échèle suivant : 25E3 | 25E4 | 25E5 || 25E6 Incrément 25E3 Incrément 25E4 Incrément 25E5 La même chose pour la décrémentation.La valeur maximale du compteur.COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012 Etats des phases dans le fonctionnement avec couple maximale Remarque : le couple maximale exige l’alimentation des deux bobines à la fois en respectant le sens de rotation du moteur.Ce programme change la valeur d’un registre selon le désir de l’utilisateur (augmenter la valeur de registre conduit à diminuer la fréquence . 17 .L’inverse est vrais ). COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012 Algorithme du Programme • V0=Vitesse initiale avec F0=1Hz • V-MAX=Vitesse maximale • VP=front descendant de l’entrée plus de vitesse • VM=Front descendant de l’entrée moins de vitesse • V’=quantité de vitesse à ajouter/diminuer 18 . La consigne dans notre projet est un registre 10bits contrôlé par 10 Switch . et comme notre moteur ne possède que 200 pas/tours les 1024 pas nous donne la possibilité de choisir aussi le nombre de tours qu’on veut. Le moteur commence à tourner vers la position désirée en prenant comme référence le dernier état avant l’activation de l’algorithme de position 5) CIRCUIT DE PUISSANCE Le Circuit de puissance est la partie intermédiaire qui relie notre moteur et notre circuit de commande (FPGA).COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012 Algorithme de la commande en vitesse 4) Commande en position La commande en position consiste à faire tourner le moteur vers une position défini par une consigne .10 bits nous donne 1024 position possible. Le circuit de puissance doit assurer la protection du kit à FPGA 19 . L’utilisation de l’algorithme de la commande en vitesse dans l’algorithme de la commande en position reste valable. ALGORITHME DE POSITION : ALGORITHME DE LA COMMANDE DE POSITION Remarque : On peut augmenter le nombre de tours en augmentant la taille du registre. donc le sens du courant.COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012 contre tout retour de courant vers le kit. on change le sens de l'alimentation. par utilisation de la totalité des enroulements C'est le principe du Pont en H. Dans notre Circuit on va utiliser deux ponts en H à base de transistor NPN BD242 pour alimenter les deux bobines du moteur comme le schéma ci-dessous. soit on alimente en T2 et T3. Le pont H : Le pont H est un pont très utilisé dans l’électronique de puissance .pas sens anti-horaire 2 0 0 0 0 1 1 0 0 3 4 5 6 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 20 .Sa utilité est d’alimenter un récepteur en deux sens différents ainsi shunter le récepteur pour un fonctionnement en roue libre. Elle permet d'augmenter le couple moteur. Variante 1 : commande par pas entiers sens anti . alors on alimente dans un sens. L’utilisation des optocoupleurs reste parmi les solutions les plus utilisées.horaire Position 1 2 3 4 T1 1 0 0 1 T2 T3 1 0 0 1 0 1 1 0 T4 0 1 1 0 T'1 T'2 1 1 0 0 1 1 0 0 T'3 T'4 0 0 1 1 0 0 1 1 Variante 2 : Position T1 T2 T3 T4 T'1 T'2 T'3 T'4 commande par 1 1 1 0 0 1 1 0 0 demi . si on commande T1 et T4. 21 .COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012 7 8 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 6) Simulation électrique sous Porteuse Professionnel Schéma de simulation électrique sous ISIS : On a réalisé la simulation sur le logiciel Isis Proteus avec un Pic16F84A (absence du FPGA sur le simulateur) pour tester le fonctionnement de circuit de puissance. Vous trouverez en joint le fichier de simulation sur Poteus. pour voir le fonctionnement du système. et vous trouverez en joint le fichier Flow code qui détaille le programme implémenté sur le microprocesseur PIC16F84A. COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012 TYPON ASSEMBLE : Fig3 : typon assemblé 22 . 23 .COMMANDE MOTEUR PAS à PAS 2012 CONCLUSION : L’étude de la réalisation de notre commande avec un circuit FPGA est donc une perspective immédiate. Le travail portera essentiellement sur la mise en œuvre et l’adaptation de notre algorithme à cette nouvelle architecture matérielle. L’objectif est de proposer une solution performante et fiable et à un cout moindre que l’usage d’un capteur mécanique dans le cas de l’utilisation d’un moteur pas à pas à réluctance variable pour le contrôle en vitesse et en position.
Report "Commande Moteur Pas a Pas Bipolaire Par Fpga (Altera Cyclone 2)"