MAQUETTE D’AUTOMATISME REALISATION D’UN CAPTEUR DE ROTATION PERMETTANT D’ETUDIER DE LA MISE EN MARCHE D’UN MOTEUR A COURANT CONTINU

 

I.       INTRODUCTION

La réalisation de cette petite maquette d’automatisme a été envisagée pour atteindre les objectifs techniques et pédagogiques suivants :

Objectifs techniques :

- pouvoir réaliser la commande (dans les deux sens de rotation) d’un petit moteur à courant continu et disposer d’un capteur de rotation tout ou rien (appelé retour contacteur) permettant de savoir si le moteur tourne ou s’il est en défaut (rupture d’un fil du circuit d’alimentation, charge trop importante, enroulement électrique défectueux, blocage mécanique...).

- construire une maquette dont le prix de revient est peu élevé (380 francs).

Objectifs pédagogiques :

- disposer d’une maquette à partir de laquelle, des élèves de terminale STL (options mesures physiques ou contrôle et régulation) pourront appendre à câbler les entrées et les sorties d’une partie opérative sur un automate programmable industriel.

- pouvoir illustrer, à partir de la même maquette, plusieurs points du programme d’automatisme des classes de terminales STL (mémoires, temporisations, compteurs, GRAFCET avec divergences en OU).

- permettre aux élèves de comprendre qu’il est important de vérifier le bon fonctionnement d’un programme (partie simulation) avant d’implanter le programme dans un automate pilotant une partie opérative.

 

II.      DESCRIPTION DE LA FACE SUPERIEURE DU BOITIER DE LA MAQUETTE

 

  

III.    REALISATION DU CAPTEUR ROTATION

3.1.    Description du disque monté sur l’axe du moteur

Ce disque a été usiné dans une plaque d’aluminium

de 2mm d’épaisseur afin qu’il puisse tourner

librement entre les deux branches de l’Optocoupleur.

3.2.    Montage électronique réalisant la détection de la rotation du moteur 

CARACTERISTIQUES DES COMPOSANTS :

DE : Diode émettrice de l’Optocoupleur (reliée au circuit électronique par 2 bornes).

TR : Transistor récepteur de l’Optocoupleur (relié au circuit électronique par 2 bornes).

R1 = 1 kW

R2 = 1,5 kW

R3 = 220 kW

C1 = 0,47 mF

C2 = 0,47 mF

D1et D2 : Diodes de signal.

4050 : Porte logique non inverseuse CMOS (étage d’adaptation de tension).

7406 : Porte logique TTL inverseuse à collecteur ouvert.

Principe de fonctionnement

Le disque monté sur l’arbre du moteur se situe entre la diode émettrice (DE) et le transistor récepteur (TR) de l’Optocoupleur. Le transistor est saturé (Vce=0) lorsque le disque laisse passer le signal émis par la diode. Le transistor est bloqué (Ic=0) lorsque le disque ne laisse pas passer le signal émis par la diode.

Si le moteur est arrêté : la tension Vce aux bornes du transistor TR est constante (0V si le transistor est saturé ou 12V si le transistor est bloqué). La tension aux bornes de R3 est nulle (car C1 se comporte comme un circuit ouvert en continu). La sortie du 7406 est à l’état haut
(12 V). Le transistor de sortie du 7406 est bloqué (comportement en circuit ouvert). Aucun courant ne circule dans la bobine du relais 12V et son contact NO reste ouvert (information moteur arrêté).

Si le moteur tourne : la tension aux bornes du transistor à la forme d’un créneau 0-12V. Sa fréquence f est le double de la fréquence de rotation du moteur (car le disque comporte deux secteurs pleins et deux secteurs évidés). La valeur de son rapport cyclique dépend de l’angle a. Lorsque R3.C2 >> 1 / f , alors la tension aux bornes de R3 est une tension continue. La sortie du 7406 est à l’état bas. Le transistor de sortie du 7406 est passant. Un courant circule dans la bobine du relais 12V et son contact NO se ferme (information moteur en rotation).

3.3.    Obtention des tensions +5V et +12V

Ces deux tensions sont obtenues grâce à deux régulateurs de tension 7805-1A et 7812-1A. Ces deux régulateurs sont alimentés par une alimentation extérieure 15 à 18 Vcc branchée sur les deux bornes de la face supérieure du boîtier de la maquette.

IV.    REALISATION DE LA COMMANDE DU MOTEUR

4.1.      Caractéristiques du moteur

C’est un petit moteur à courant continu 3 - 6 Volts. Il est alimenté par le régulateur de tension +5V. En inversant la polarité de sa tension d’alimentation, il est possible de le faire tourner dans les deux sens de rotation. Sa vitesse de rotation est de 5000 tr/mn (1000 tr/V). Sa consommation à vide en régime permanent est de 250 mA.

4.2.      Réalisation de la commande des deux sens de rotation

Les ordres de commande des deux sens de rotation émanent d’une carte de sortie de l’automate. Les sorties de l’automate doivent être câblées sur les bornes (repérées commande de sens 1 et commande de sens 2) de la face supérieure du boîtier.

Chaque ordre de commande pilote un relais 24Vcc (la commande de sens 1 pilote le relais 1, la commande de sens 2 pilote le relais 2).

Lorsque le relais 1 est piloté, ses contacts associés (NO) mettent la borne 1 du moteur à +5V et la borne 2 du moteur à 0V. Le moteur tourne alors dans le sens 1.

Lorsque le relais 2 est piloté, ses contacts associés (NO) mettent la borne 2 du moteur à +5V et la borne 1 du moteur à 0V. Le moteur tourne alors dans le sens 2.

Les deux relais n’étant pas verrouillés mécaniquement, il est nécessaire de réaliser un verrouillage électrique. Ceci évitera qu’un GRAFCET erroné pilote les deux relais en même temps (ce qui provoquerait un court circuit de l’alimentation +5Vcc).

Un contact NF du relais 2 () est donc mis en série dans le circuit de commande du relais 1 et un contact NF du relais 1 () est mis en série dans le circuit de commande du relais 2.

Un interrupteur est rajouté dans le circuit d’alimentation du moteur. Il permet de simuler un défaut moteur (rupture fil, charge trop importante).

Les schémas de câblages sont donc les suivants

Kr11 et Kr12 sont deux contact NO associés au relais 1.

Kr21 et Kr22 sont deux contact NO associés au relais 2.

NB : le circuit électronique qui réalise la fonction de capteur tout ou rien de rotation ainsi que le circuit de commande des deux sens de rotation sont implantés sur un typon.

Le typon est fixé sur le fond du boîtier de la maquette. Les éléments se trouvant sur la face supérieure du boîtier de la maquette (bornes d’alimentation 15 à 18 Vcc, Optocoupleur, bornes de commande des sens 1 et 2, bornes du capteur de rotation, interrupteur de simulation de défaut moteur et fils d’alimentation du moteur) sont reliés aux bornes femelles du typon par des fils électriques munis de bornes mâles. Ceci permet de désolidariser le boîtier de sa face supérieure.

Le typon utilisé pour réaliser cette maquette est donné à la fin de cet article.

Vous trouverez également un plan d’implantation des différents composants électroniques sur le typon.

V.      LISTE DU MATERIEL NECESSAIRE POUR REALISER LA MAQUETTE

DESIGNATION	PRIX TTC
1 boite plexo 220 x 170 x 80	65 F
1 optocoupleur (H21A1)	20 F
2 relais 24 VDC PR16-4RT-R	50 F
2 supports relais pour PR16-4RT-R	25F
1 moteur à courant continu 3-6 V	40 F
1 relais OMRON 12 VDC (HB1)	20 F
16 douilles femelles Ø 4 mm à fixer sur le typon	32 F
16 fiches bananes mâles Ø 4 mm pour liaison face supérieure boîtier - typon	32 F
8 douilles de sécurité femelles à fixer sur la face supérieure du boîtier	24 F
1 circuit intégré 4050	2.50 F
1 circuit intégré 7406	2.50 F
2 supports CI pour 4050 et 7406	2 F
1 régulateur de tension 7805 (TO 220)	3 F
1 régulateur de tension 7812 (TO 220)	3 F
2 dissipateurs de chaleur pour TO 220	5 F
2 condensateurs	3 F
2 diodes de signal	2 F
3 résistances	1 F
1 interrupteur	5 F
1 circuit imprimé	15 F
1 gravure de circuit imprimé	25 F
Du Plexiglas pour construire la cage de protection entourant le moteur	5 F
	TOTAL TTC = 380 F

VI.    APPLICATION : ETUDE DE LA MISE EN MARCHE D’UN MOTEUR

Dans l’industrie, les moteurs sont très souvent utilisés. Leur prix étant assez élevé, il est nécessaire de prendre quelques précautions lors de leur mise en marche. Pour cela, on demande à l’automaticien de respecter le cahier des charges suivant :

CAHIER DES CHARGES

Un moteur M est équipé d’un capteur (dr) qui détecte sa rotation. M est mis en marche (M=1) par un bouton poussoir marche (m), et arrêté par un bouton poussoir arrêt (ar). L’arrêt est prioritaire sur la demande de marche. Lors d’une demande de mise en marche du moteur, trois cas peuvent se présenter :

1- Deux secondes après la demande de marche, le moteur tourne bien (dr=1), on peut alors continuer à le piloter.

2- Deux secondes après la demande de marche, le moteur ne tourne toujours pas (dr=0), on arrête alors de piloter le moteur afin de ne pas le détériorer et on allume une lampe de défaut (LD) afin de prévenir l’opérateur que le moteur est en panne. Lorsque l’opérateur a trouvé la panne et qu’il l’a réparée, il appuie sur un bouton poussoir d’acquittement (acq), ce qui a pour effet d’éteindre la lampe LD et de permettre une nouvelle demande de mise en marche du moteur.

3- Au cours des deux premières secondes qui suivent une demande de marche, toute demande d’arrêt doit être prise en compte prioritairement.

Tant que l’on pilote le moteur, on doit allumer une lampe verte de signalisation (LS).

1/ Citez les causes qui peuvent conduire à la situation où M=1 et dr=0.

2/ Donnez la liste et l’affectation des entrées / sorties sous forme de schéma bloc.

3/ Le cahier des charges peut être satisfait par le GRAFCET ci-dessous :

 

Complétez ce GRAFCET en remplaçant les points d’interrogation par des actions ou par des réceptivités.

4/ Programmez l’automate puis simuler le fonctionnement de la machine.

5/ Câblez les entrées et les sorties de l’automate sur la maquette.

Faites vérifier votre montage par votre professeur puis faites fonctionner l’installation.

6/ Que se passe-t-il si un fil d’alimentation du moteur vient à se rompre alors que l’étape 2 du GRAFCET est active ? Quel est alors l’inconvénient ?

7/ Pour remédier à cet inconvénient, on propose le GRAFCET ci-dessous :

8/ Programmez ce nouveau GRAFCET et vérifiez son fonctionnement grâce à la maquette.

9/ On veut maintenant pouvoir piloter le moteur dans les deux sens de rotation.

Un commutateur à trois positions permet de choisir entre la rotation dans le sens 1 (ddes1=1) ou la rotation dans le sens 2 (ddes2=1). Les deux entrées ddes1 et ddes2 ne peuvent pas être à 1 en même temps. Le bouton poussoir m sert toujours à mettre le moteur en marche, mais à condition qu’un sens de rotation ait été sélectionné.

Le bouton poussoir ar sert toujours à arrêter le moteur. On pilotera la sortie M1 pour faire tourner le moteur dans le sens 1 et la sortie M2 pour faire tourner le moteur dans le sens 2.

On pilotera la lampe de signalisation LS1 lorsque le moteur tournera dans le sens 1 et lampe de signalisation LS2 lorsque le moteur tournera dans le sens 2.

En cas de défaut sur le moteur on doit effectuer le même traitement que précédemment.

9.1/ Donnez la liste et l’affectation des entrées et des sorties sous forme de schéma bloc.

9.2/ A partir du nouveau cahier des charges, modifiez le GRAFCET précédent afin qu’il puisse gérer le pilotage du moteur dans le sens 1.

Donnez un second GRAFCET pour gérer le pilotage du moteur dans le sens 2.

9.3/ Simulez le fonctionnement de vos deux nouveaux GRAFCET.

9.4/ Câblez la maquette puis vérifiez le fonctionnement de la machine.

TYPON DU CIRCUIT ELECTRONIQUE

PLAN D’IMPLANTATION DES DIFFERENTS COMPOSANTS SUR LE TYPON

b1 et b2           : bornes de câblage de l’interrupteur simulant un dysfonctionnement.

b3 et b4           : bornes du contact du relais 12 V donnant l’information "le moteur tourne".

b5 et b6           : bornes de connexion de la diode émettrice de l’optocoupleur.

b7 et b8           : bornes de connexion du transistor récepteur de l’optocoupleur.

b9 et b10        : bornes de commande du relais 1 (sens 1).

b11 et b12      : bornes de commande du relais 2 (sens 2).

b13 et b14      : bornes de câblage du moteur.

Les traits de couleur rouge représentent les liaisons électriques à réaliser par fils sur le typon.

Pour tout renseignement concernant la fabrication de cette maquette, vous pouvez contacter :

Vincent CASSABOIS - Lycée Jules HAAG - 1 rue Labbé - 25041 BESANCON CEDEX

(( 03.81.81.01.45 poste 1520 ou par e-mail : cassabois_vincent@yahoo.fr)