CI8 Commande en vitesse variable du chariot de Golf

CI8 Commande en vitesse variable
du chariot de Golf
CHARIOT DE GOLF
Problématique
Comment réaliser la commande en vitesse variable du chario de golf ?
Situation Pédagogique
Centres d’intérêt
1
2
3
4
5
6
AF1
R1
E1
E8
E11
E13
AF2
R2
E2
E9
E12
AF3
R3
E3
E10
E15
E14
E17
Savoirs
7
A
B
C
D
A1
B11
C11
D1
A2
B12
C12
D2
I7
B21
C21
I8
B22
C22
I9
B31
C23
I10
B32
C24
8
9
10
11
12
E4
E5
I3
I1
I6
I12
E18
E7
E6
I4
I2
E19
E16
I11
Thèmes associés
R4
I5
I13
R5
R6
B41
R7
B42
R8
B51
R9
B52
Compétences attendues
-
Identifier les éléments transformés et les flux (physique, énergie, information
Associer à sa représentation schématique chaque constituant des chaines de
puissance et de commande
Identifier et régler les paramètres de commande liés à la variation de vitesse.
Identifier les protections mises en place dans les circuits de puissance.
Condition de travail
Durée : 2 heures
Matériel :
 Chariot de golf ou maquette hacheur
 Oscilloscope, multimètres, GBF
 Dossier sur le MOS
Evaluation
Pendant la séance sous forme de discussions analytiques avec le professeur à
l'occasion de chaque relevé.
Exactitude des câblages.
Exactitude des relevés et des calculs.
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du chariot de Golf
MODULATION DE L’ENERGIE DE PUISSANCE
Table des matières.
1
Présentation de l’étude.
2
Rappel sur le principe du hacheur série.
3
A- Analyse de la structure électronique.
A1.Etude du hacheur série.
A2.Caractéristiques du dispositif de commutation de puissance.
4
B- Vérification du fonctionnement de la carte puissance.
B1.Mesures sur la carte puissance "hacheur. série".
B2.Analyse des résultats.
4
C- Vérification des performances de vitesse du chariot.
C1.Variation de la fréquence de rotation des roues.
Document réponse.
5
Schéma électrique carte puissance
6
Mesures possibles à l’oscilloscope
7
Utilisation boîtier de puissance
8
Diagramme Partie commande niveau A3
9
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- Présentation de l'étude : 0h15 Problème technique: A PARTIR D'UN SIGNAL DE COMMANDE EXISTANT,
OBTENIR UNE LOI DE VITESSE POUR LE DEPLACEMENT DU CHARIOT
Pour permettre un déplacement plus ou moins rapide du chariot, il est nécessaire de faire varier la
vitesse de rotation du moteur à courant continu alimenté à l'aide de la batterie de 12v. On doit donc
adapter en puissance et en niveau les signaux de commande du moteur à ceux de la partie commande.
Rappel :
La vitesse de rotation d'un moteur à courant continu à aimants permanents est
directement « proportionnelle » à la tension d'alimentation de l'induit.
Le schéma fonctionnel (niveau A3 page 9) fait apparaître une fonction A35 "moduler l'énergie".
Cette fonction réalisée par la structure électronique "hacheur série" va fournir au moteur une
tension moyenne variable permettant de faire varier la vitesse de rotation et de ce fait la vitesse de
déplacement du chariot.
Rappel sur le principe du hacheur série :
Voir le site : http://www.stielec.ac-aix-marseille.fr/cours/bonnet/hacheurs.htm
http://physiquenetappliquee.free.fr/hacheur.php
annimation Flash : http://fisik.free.fr/ressources/hacheurserie.swf
+ Bat
Uc
9v
D
Um
M
Um
t1
T
t (µs)
UmMax
Ummoy
Partie
Commande
K
UC
t (µs)
Ummoy = UmMax
- Bat
t1
sur ce graphe
T
K : Dispositif de commutation de puissance
: Rapport cyclique
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33%
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du chariot de Golf
A - Analyse de la structure électronique : 0h30 A.1. ETUDE DU HACHEUR SERIE.
A.1.1
Compléter sur le document réponse, l'état du commutateur K et celui de D (ouvert ou
fermé).
A.1.2
Pour chaque phase de Uc (9V ou
0V), compléter le schéma du
document réponse en remplaçant le
commutateur K et la diode D par
Documents à consulter :
Schéma structurel de la carte puissance
page 7
un interrupteur ouvert ou fermé.
A.1.3
Citer le(s) composant(s) qui
constitue(nt) le commutateur K
dans le cas du chariot de golf.
A.2. CARACTERISTIQUES DU DISPOSITIF DE COMMUTATION DE PUISSANCE.
Ne traiter cette partie que si vous
avez fait tout le reste du TP
A.2.1
Donner les valeurs limites de fonctionnement :
- Vclamp (tension VDS maximale admissible)
- Ilim (courant maximal admissible)
Remarque :
Documents à consulter :
Documentation constructeur sur
le transistor MOS VNP49N04
Ce composant est appelé "transistor MOS intelligent". Un dépassement des valeurs
maximales admissibles trouvées ci-dessus, ne signifie pas la destruction du
composant comme pour un transistor MOS classique. Un système de protection
rapproché (intégré dans le transistor), stoppe le fonctionnement du composant en cas
de dépassement des valeurs maximales et évite ainsi sa destruction.
A.2.2
Conditions de conduction (interrupteur fermé = transistor passant)
Déterminer le type de transistor et la
condition sur la tension de commande VGS
Documents à consulter :
pour que le transistor soit passant.
Fiche ressource sur les
Rechercher la valeur max de Vgsth
transistors MOS
(appelée Vin(th) par le constructeur).
Documentation constructeur
sur le transistor MOS
Noter la valeur de la résistance RDS(on)
VNP49N04
donnée par le constructeur pour les
conditions d'utilisation :
Vin = 10v et ID = 25A.
A.2.3
A partir de la valeur Vin(th) trouvée ci-dessus, indiquer pour chaque valeur de la
tension de commande (Uc = 0v et Uc = 9v) l'état du transistor et représenter l’allure du
signal attendu aux bornes du moteur.
Vérifier que les résultats correspondent bien au graphe de la question A.1.1 sur le
document réponse.
A.2.4
Compte tenu des grandeurs citées précédemment (A.2.1 et A.2.3), et sachant que le
moteur ne demande pas plus de 10A en fonctionnement normal lorsque le transistor
conduit, indiquer si les 2 transistors associés sont capables de contrôler le moteur
(justifier la réponse).
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du chariot de Golf
B - Vérification du fonctionnement de la carte puissance : 0h50 Faites un schéma de mesure montrant
les appareils de mesure (GBF, Oscillo,
multimètres,…)
B.1. MESURES SUR LA CARTE PUISSANCE "HACHEUR. SERIE"
B.1.1 Débrancher le connecteur provenant de la poignée. Le signal de commande sera réalisé
par un générateur externe GBF appliqué sur l'entrée Uc de la carte de puissance. Le
chariot sera utilisé sur cale, à vide (sans charge).
Appliquer sur l'entrée Uc de la carte de puissance une tension de 0v puis de 9v à l'aide
d'une alimentation continue. Vérifier le fonctionnement du transistor MOS.
Ne pas dépasser 9V, cela endommage irrémédiablement le matériel !!!
B.1.2
Régler le GBF à l'aide de l'oscilloscope pour obtenir le signal Uc du document réponse.
Faire vérifier le réglage du signal par le professeur.
B.1.3
Appliquer le signal du GBF sur l'entrée Uc de la carte de puissance. Visualiser à l'aide
de l'oscilloscope Um et Im. Compléter les graphes du document réponse.
B.1.4
Mesurer à l'aide d'un multimètre Um moyen et Im moyen. Tracer ces valeurs sur les
graphes .
B.1.5
Freiner légèrement les roues, constater l'évolution de Um moyen et Im moyen.
Expliquer qualitativement (sans donner de valeurs) les relations entre grandeurs
mécaniques (couple et vitesse) et électriques (courant et puissance électrique).
B.2. ANALYSE DES RESULTATS.
Compléter le tableau du document réponse avec les réponses aux questions suivantes:
B.2.1
Lorsque la tension Uc = 9v. Quel est l'état des transistors et de la diode.
Lorsque la tension Uc = 0v. Quel est l'état des transistors et de la diode.
B.2.2
Pour chaque cas indiquer sur votre copie quels sont les composants traversés par le
courant moteur Im. Quel nom donne-t-on à la diode D ?
C - Vérification des performances de vitesse du chariot : 0h25 C.1. VARIATION DE LA FREQUENCE DE ROTATION DES ROUES.
C.1.1 Faire varier le rapport cyclique du signal de commande fourni par le GBF mesurer Um
moyen et contrôler l'évolution de la vitesse de rotation du moteur.
C.1.2
Déconnecter le GBF et connecter la poignée de commande. Visualiser à l'oscilloscope le
signal Uc. Faire varier le potentiomètre de consigne de vitesse, constater le même
fonctionnement du chariot.
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Document réponse Uc
9v
Question A.1.1
80
40
Um
120
160
t (µs)
UmMax= +Bat
t (µs)
K
D
+ UBat
+ UBat
Um
Questions B.1.3 , B.1.4
Um (V)
0
M
0V Bat
Um
M
Question A.1.2
0V Bat
20
t(µs)
20
t(µs)
Im (A)
0
Transistors
Diode
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Schéma électrique "carte puissance"
M1
MOTEUR DC
2
D1
STTA3006PI
1
Carte
C5
10nF
1
2
Puissance
Q1
VNP49
R1
1
2
10
Q2
VNP49
R2
1
10
1
R3
10M
JP2
3
2
1
2
+Bat
Uchacheur
0v
2
Nomenclature
Bornier
Rep
Désignation
Quantité
Repère
Référence / valeur
1
Condensateur
3
C1, C2, C3
1nF
2
Condensateur
1
C4
47µF / 25V
3
Condensateur
1
C5
10nF
4
Diode
1
D1
STTA3006PI
5
Bornier
2
JP1, JP2
3 points
6
Moteur DC
1
M1
12v
7
Transistor NMOS
2
Q1, Q2
VNP49-N04
8
Transistor bipolaire
1
Q3
2N2222
9
Résistance
1
R1, R2
10
10
Résistance
1
R3
10M
11
Résistance
1
R4
22K
12
Potentiomètre
1
R5
10K
13
Résistance
1
R6
9090
14
Résistance
2
R7
3650
15
Résistance
2
R8
1K
16
Bouton Poussoir
1
SW1
17
Régulateur de tension
1
U1
LM7805
18
Régulateur de tension
1
U2
LM7809
19
Driver de courant
1
U3
TC428CPA
20
Buzzer
1
U4
21
Microcontrôleur
1
U5
22
Quartz
1
U6
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PIC 16C711
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du chariot de Golf
Mesures possibles à l’oscilloscope
Parasites sur la
source d'alimentation
MEDIA
Chariot
de Golf

Tension aux bornes
du moteur
Commande de puissance
Hacheur série
+12v
Im
4
3
D
Tension de
commande du
hacheur
Um
M
Commande
Hacheur
Uc
5
Q1
2
1.1.1.1 R
Q2
1
G
1.1.1.3 R
2
G
D
S
D
6
VDS
S
VGS
1.1.1.2 R
0v3
1
REF
MESURES
UM
MOTEUR
250 MV/1V
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IM
65 MV/1A
Commutation des
transistors MOS
Attention sur la maquette la
borne IM est en fait la
mesure de I transistor
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du chariot de Golf
Utilisation du boîtier de puissance seul
Pour l’étude de la carte de puissance, le signal de commande (MLI) est fourni par le générateur.
Dans cette configuration, la poignée de commande est déconnectée.
Média 
Chariot
de Golf

Commande de puissance
hacheur série
Générateur basse
fréquence
+12 V
Commande
Hacheur
M
Uc
G
D
D
S
G
S
R
é
f
MESURES
MOTEUR
U
M
250
MV/1V
I
M
65
MV/1
A
Batterie
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du chariot de Golf
Partie commande niveau A3
Réglage de la vitesse
de déplacement
Marche / Arrêt
+5v
+9v
ACQUERIR
les
informations
Informations
sonores
A31
Capteurs
CONVERTIR et
TRAITER les
informations
A32
Microcontrôleur
PIC 16C71
Energie
électrique
ADAPTER les
ADAPTER
les
signaux
signaux
A33
A33
INFORMER le
joueur de golf
A34
Circuit TC428 et
transistor
Buzzer
MODULER
l'énergie
A35
Hacheur
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Page 9/9
Energie
électrique
modulée
A3