Projet de robotique, séance 4 Conception de la carte électronique

Projet de robotique, séance 4
Conception de la carte électronique
(rév. 22)
7 mars 2008
Nous allons ajourd’hui concevoir la carte électronique de l’interface. Ce document (et la séance) se décompose(nt) en trois parties :
1. description de la carte à réaliser et de la méthodologie,
2. réalisation de toutes les phases de la conception d’une petite partie de la carte,
3. Schéma de la carte complète (vous la routerez lors des scéances suivantes).
1
Méthodologie pour la conception d’une carte électronique
1.1
Analyse fonctionnelle
Il s’agit d’étudier les besoins pour identifier les différentes fonctions qu’aura à réaliser la carte. Dans notre
cas :
1. contrôle des moteurs (couple, vitesse et position), ce que l’on peut décomposer :
– contrôle de la puissance fournie aux moteurs,
– mesure de la position et du couple des moteurs,
– contrôleur qui réalise l’asservissement en temps réel,
2. interaction avec l’utilisateur au moyen de leds (avertissement lorsque l’utilisateur sort de la zone de
travail) et de boutons poussoirs (clic gauche et droit),
3. communication avec l’ordinateur pour
– charger sur l’interface les consignes. (Trajectoire en mode contrôle de postion, carte du monde en
mode interface haptique.)
– Afficher à l’écran la position courante de l’interface.
1.2
Schéma de principe
Il s’agit de
– trouver des solutions techniques répondants aux différents besoins et
– d’identifier les sous-ensembles « indépendants » ainsi que la manière dont ils sont interconnectés.
Dans le cas de cette interface :
– l’asservissement et la gestion des entrées/sorties seront réalisés par un microcontrôleur,
– la communication avec l’ordinateur se fera par usb,
– la puissance fournie aux moteurs sera contrôlée par un pont en H,
– la mesure de position des axes se fera au moyen de roues codeuses,
– la valeur du couple moteur sera déduite d’une mesure de courant.
1
pont en H
microcontrôleur
commande MLI
LED
E/S
MLI
Bouton
E/S
CAN
PC
USB
E/S
mesure courant
commande sens
compteur
E/S
puissance
Moteur
MLI
courant
sens
incréments
sens
Codeur
Fig. 1 – Schéma de principe
Voir figure 1 pour plus de détails.
Il faut également
– alimenter le montage,
– pouvoir programmer le microcontrôleur.
1.3
Choix des composants et dessin du schéma
Il faut choisir les composants et dessiner le schéma. Les circuits intégrės ont souvent besoin de composants
annexes (capacités, résistances de pull-up etc.) ; les schémas d’utilisation classiques sont souvent fournis dans
leur documentation.
Le schéma est à dessiner dans un logiciel de routage (eagle) ce qui permet de l’utiliser pour router les
pistes.
1.4
Routage et réalisation du typon
Une fois le schéma dessiné il faut placer les composants et router les pistes (c’est-à-dire voir où elles
passeront) pour faire le plan de la carte.
1.5
1.5.1
Réalisation de la carte
Gravure
M. Perret s’en chargera.
1.5.2
Perçage
Vous le ferez par petits groupes, en parallèle avec l’usinage.
1.5.3
Soudage
idem
2
1.5.4
Test
Attention. le test doit être pris en compte dès la conception de la carte :
– Où vais-je pouvoir brancher la sonde ?
– Comment isoler (et tester) les sous-blocs séparément ?
2
Réalisation du sous-ensemble microcontrôleur, oscillateur et programmateur
1. Dessiner dans eagle le schéma électronique que vous avez câblé la semaine dernière et qui est rappelé
figure 2.Vous devrez lire les parties 1.1 et 1.2 du didacticiel eagle tutorial_eagle.pdf.
Fig. 2 – Branchement du microcontrôleur, du programmateur et de l’oscilateur
2. Router ce schéma pour obtenir un typon. Vous devrez lire la partie 1.3 du didacticiel eagle.
3. Imprimer le typon final.
3
Conception de la carte complète
Nous allons compléter le schéma précédant pour obtenir la carte complète. Attention vous pouvez repartir
du schéma mais pas du typon (schéma routé).
3.1
Régulateur de tension
La carte sera alimentée en 12V par une alimentation du commerce.
1. Ajouter au schéma précedant le connecteur d’alimentation et le régulateur. Vous trouvez dans sa
documentation le montage classique.
3
2. Ajouter au montage une diode avant le régulateur pour protéger le montage en cas d’inversion de la
polarité par l’utilisateur.
3. Ajouter au montage une LED pour signaler à l’utilisateur que le montage est correctement alimenté.
3.2
Pont en H
Pour contrôler les moteurs, nous allons les alimenter à l’aide d’un pont en H (H-bridge). Voir le document hbridge_theory-mcmanis.pdf (issu du site de M. McManis) pour une explication du principe de
fonctionnement.
Pour contrôler plus finement la puissance fournie aux moteurs, les commutations du pont en H seront
commandées avec des signaux modulés en impulsion (MLI, ou en anglais PWM pour pulse width modulation).
Voir le document pwm-wikipedia.pdf (issu de cette page wikipedia) pour une explication du principe de
fonctionnement. Le microcontrôleur dispose de circuits dédiés à la génération de ces signaux.
1. À partir du cours sur les ponts en H et de la documentation du pont en H (composant LN6205N, au
format powerDIP) expliciter ce que doivent valoir les entrées in1a, in1b, in2a, in2b en fonction du
sens de rotation au moyen d’une table de vérité.
2. Proposer un schéma, attention à la pompe de charge et aux composants annexes.
3. Les commandes MLI que nous allons générer devront être au dessus de 20 kHz (sinon elles provoquent
des sons audibles dans le moteur). Il est possible de programmer les entrées/sorties du microcontrôleur
pour gėnérer de tels signaux, mais pas à des fréquences si élevées. Le microcontrôleur dispose donc de
deux circuits dédiés qui fonctionnent de manière autonome (ie. sans mobiliser le CPU) à des fréquences
élevées. Ces circuits sont présentés dans la section 15 de la documentation du pic.
Comment générer les 4 signaux in1a, in1b, in2a, in2b à partir des deux modules ? Indications : utiliser
une sortie logique (par moteur) pour indiquer le sens de rotation et ajoutez des portes logiques (des
composants supplémentaires).
4. Ajouter au schéma la mesure des couples moteurs et les connecter à deux entrées CAN du microcontrôleur (voir la section 21 de la doc du pic).
3.3
USB
3.4
Encodeur
3.5
Boutons poussoirs et LEDs
4
Liste des composants
fonction
microcontrôleur
pont en H
régulateur
quartz
Vcc, Gnd
diode
LED
Bouton Poussoir
composant
pic 18F2455 (dip28)
lm7805
connecteurs
résistances, capactités et
inductances
8MHz
réf. eagle
con-lsta,
con-lstb,
jumper
rcl (exemple de capa
rcl/c-eu050-025x075)
crystal-hc18u-v
supply
1N4004
led5mm
switch-omron/10XX
4
documentation
microcontroller_pic18f2455.pdf
hbridge_l6205.pdf
regulator_lm7805.pdf