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EDT 3.4.1: Voiture Radio commandée

Cet EDT (étude de dossier technique) porte sur une voiture radio commandée. Elle a pour objectif de simuler le fonctionnement de la commande du moteur à courant continu (variation de vitesse, inversion du sens de rotation).

I. VOITURE RADIOCOMMANDÉE ÉLECTRIQUE

1.1. Fonctionnement et chaîne d'énergie

La voiture modèle réduit à l’échelle 1/8, radiocommandée, est dotée d’un moteur électrique, qui remplace le moteur thermique d’origine. La radiocommande permet d’agir sur la vitesse et sur la direction du véhicule par l’intermédiaire d’un variateur électronique et d’un servomoteur.

a. Sur la vue partielle de la voiture radiocommandée (ci-dessus), repérer les actionneurs (moteur électrique et servomoteur), pré-actionneur (organe gérant le flux d'énergie donné au moteur) et la source d'énergie

b. Compléter la chaîne d'énergie de la voiture

 

 

II. SIMULATION DE LA COMMANDE DU MOTEUR ÉLECTRIQUE À COURANT CONTINU

 

2.1. Paramètre de commande de la vitesse du moteur

- A l’aide du logiciel de simulation ISIS, ouvrez le fichier mcc1.dsn (clic droit puis "enregistrer sous" et sauvegardez-le sur votre espace personnel).

- Simuler le fonctionnement. Pour les valeurs de Um données ci-dessous, relever Nmot la fréquence de rotation de l’arbre moteur (affichée en tr/min).

 

Um (en V)

0

2

4

6

8

10

12

Nmot (en tr/min)

 

 

 

 

 

 

 

 

- Tracer la caractéristique Nmot = f(Um), fréquence de rotation du moteur en fonction de la tension  à l'aide du logiciel EXCEL (imprimer votre travail et coller sur votre document réponse)

- Comment évolue la fréquence de rotation du moteur lorsque la tension Um augmente ?

 

2.2 Mise en oeuvre de la variation de vitesse (Hacheur à 1 quadrant)

Dans la voiture radiocommandée, la tension d’alimentation provient des deux batteries. On ne peut pas faire varier la tension qu’elles fournissent.

Pour obtenir une variation de vitesse du moteur, Il faut donc mettre en œuvre un dispositif qui permet de faire varier la tension Um à partir d’une tension d’alimentation fixe. Ce dispositif est nommé hacheur série (ou hacheur un quadrant). Il utilise un composant qui fonctionne comme un interrupteur pour découper la tension fournie au moteur.

- Ouvrez le fichier mcc2.dsn et sauvegardez-le sur votre espace personnel.

- Simuler le fonctionnement. Relever la valeur de la tension Um aux bornes du moteur en fonction de l’état de l’interrupteur :

Etat de l’interrupteur

Valeur de la tension Um

Ouvert

 

Fermé

 

Pour que l’arbre moteur tourne sans s’arrêter, l’interrupteur doit être ouvert et fermé à une fréquence suffisamment élevée. Pratiquement, on remplace l’interrupteur par un transistor (Q1) et on applique sur l’entrée de commande un signal périodique :

- Ouvrez le fichier mcc3.dsn et sauvegardez-le sur votre espace personnel.

- Cliquer sur le générateur COMMANDE. Régler la largeur de l’impulsion (rapport cyclique) à 10 %. Simuler le fonctionnement.

       - Mesurer Nmot la fréquence de rotation de l’arbre moteur (affichée en tr/min). Reporter la valeur dans le tableau.

- Quelle est l’allure de la tension Um, visualisée à l’oscilloscope :

- Calculer Umoy la valeur moyenne de la tension aux bornes du moteur (en utilisant les formules  données). Reporter la valeur dans le tableau (document réponse)

- Reprendre la simulation pour les autres valeurs du rapport cyclique données dans le tableau.

 

- Tracer la caractéristique Umoy = f(α) à l'aide du logiciel EXCEL (imprimer votre travail et coller sur votre document réponse)-

 - Comment évolue Umoy la tension moyenne aux bornes du moteur lorsque le rapport cyclique α augmente ?

 

 

2.3. INVERSION DU SENS DE ROTATION

- Ouvrir le fichier mcc1.dsn. Modifier le schéma pour obtenir l’inversion du sens de rotation (fréquence de rotation négative).

- Tester le fonctionnement par simulation.

- Compléter le schéma qui permet d’obtenir une fréquence de rotation négative :

 

 

2.4. HACHEUR 4 QUADRANTS

Le fonctionnement du moteur dans les deux sens est obtenu en utilisant un montage hacheur 4 quadrants qui permet :

     – d’obtenir les deux sens de rotation ;

     – de moduler la vitesse de rotation

 

2.4.1.Fonctionnement dans les 2 sens

Le schéma de principe du hacheur 4 quadrants est donné figure 1 (ci-dessus). La rotation dans les deux sens et l’arrêt du moteur dépendent de l’état des interrupteurs

- Ouvrez le fichier mcc4.dsn et sauvegardez-le sur votre espace personnel.

- Cliquer sur le bouton Mode instruments virtuels, puis sélectionner DC VOLTMETER. Placer le voltmètre aux bornes du moteur pour mesurer la tension Um

- Pour chacun des quatre cas de fonctionnement donnés :

– Ajuster la position des interrupteurs et lancer la simulation ;

– Mesurer la fréquence de rotation de l’arbre moteur Nmot ;

– Mesurer la valeur de la tension Um.

- Reporter les valeurs dans le tableau (document réponse)

 

- Dans quels cas le moteur est-il à l’arrêt ?

- Dans quel cas l’arbre moteur est-il en rotation sens positif ? Que vaut alors Um ?

- Dans quel cas l’arbre moteur est-il en rotation sens négatif ? Que vaut alors Um ?

 

2.4.2. Modulation de l vitesse de rotation

Pratiquement, on remplace les interrupteurs par quatre transistors. Ils sont commandés deux par deux (Q1avec Q3 et Q2 avec Q4). On applique sur les entrées de commande deux signaux périodiques inversés.

- Ouvrir le fichier mcc5.dsn et sauvegardez-le sur votre espace personnel.

- Cliquer sur le générateur COMMANDE. Régler la largeur de l’impulsion (rapport cyclique) à 10 %.

- Simuler le fonctionnement.

- Mesurer Nmot la fréquence de rotation de l’arbre moteur (affichée en tr/min). Reporter la valeur dans le tableau.

- Calculer Umoy la valeur moyenne de la tension aux bornes du moteur (formule donnée en 2.2). Reporter la valeur dans le tableau.

- Reprendre la simulation pour les autres valeurs du rapport cyclique données dans le tableau.

 - Tracer la caractéristique Umoy = f(α)  à l'aide du logiciel EXCEL (imprimer votre travail et coller sur votre document réponse)

- Pour quelle valeur du rapport cyclique l’arbre moteur est-il à l’arrêt ?

- Pour quelles valeurs du rapport cyclique l’arbre moteur est-il en rotation sens positif ?

- Pour quelles valeurs du rapport cyclique l’arbre moteur est-il en rotation sens négatif ?

 

3. SYNTHÈSE

- De quoi dépend le sens de rotation de l’arbre moteur ?

- De quoi dépend la fréquence de rotation de l’arbre moteur ?

- Comment est obtenue la variation de la tension aux bornes du moteur lorsqu’on utilise une batterie comme alimentation ?

- Quel est le nom du montage qui permet de moduler la vitesse de l’arbre moteur dans un sens ?