Chapitre 2 Les Actionneurs Et Les Capteurs

[Chapitre 2] [Les actionneurs et les capteurs]

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CHAPITRE 2 : LES ACTIONNEURS ET LES CAPTEURS

I- Principales caractristiques des actionneurs :

I-1 Commande dun Moteur courant continu aimant permanant par

API

Pour inverser le sens de rotation dun moteur courant continu (MCC) et

aimant permanant, on permute les polarits de lalimentation. La figure 11 montre le

circuit de puissance dun MCC command par deux relais lectromagntiques.

Avec cette structure (structure en pont), le moteur peut tre aliment par la source

dalimentation E ou E suivant ltat des relais KM1 ou KM2

Le tableau suivant rsume les ordres de commande en tenant compte des

conditions de fonctionnement et de la protection de lalimentation contre les courts

circuits.

Q0.0 Q0.1 KM1 KM2 MOTEUR

0 0 Km11=0 ; Km12=0 Km21=0 ; Km22=0 Arrt

0 1 Km11=0 ; Km12=0 Km21=1 ; Km22=1 Sens arrire

1 0 Km11=1 ; Km12=1 Km21=0 ; Km22=0 Sens avant

1 1 Km11=1 ; Km12=1 Km21=1 ; Km22=1 Court-circuit

M

+

0V

0V

KM1

KM2

E + -

Km11

Km21 Km12

Km22

Q0.0

Q0.1

Figure 11 : Circuit de puissance pour commander un MCC en deux sens de rotation

Tableau 1 : Table dordre de commande et conditions de fonctionnements


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I-2 Commande dun MCA en un seul sens de rotation par API

Le circuit de puissance des machines courant alternatif MCA)(figure 12),

ncessite des appareillages de sectionnement, de protection et de commande, ce

composant est un contacteur dont la tension de commande est 24V.

Dont le cas o on utilise un API, le module de sortie TOR de ce dernier, fourni une

tension de + 24V son sorti Q0.0, la bobine sera alimente par cette tension et

ferme les

trois contacts de puissance provoquant lalimentation du moteur.

Le tableau suivant rsume les ordres de commande en tenant compte de la

protection du moteur contre les surcharges mcaniques protg par un relais

thermique connect au module dentre(I0.0) de lAPI travers le contact (95 , 96).

Q0.0 I0.0 K1 MOTEUR

0 1 0 Arrt

1 1 1 Marche

0 ou 1 0 0 ou 1 Arrt

Figure 12 : Circuit de puissance pour commander un MCA en un seul sens de rotation


Q0.0

I0.0

24V

0V

Sectionneur

Contacteur

Relais

thermique

Moteur

asynchrone

triphas


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I-3 Commande dun MCA en deux sens de rotation par API

Pour commander un moteur asynchrone triphas en deux sens de rotations, le

circuit de puissance ncessite deux contacteurs K1 et K2 (comme le montre la figure

13) ncessaires pour permuter les deux lignes de phases (ex : 1et 3).

Le tableau suivant rsume les ordres de commande en tenant compte dune

part, de la protection du moteur contre les surcharges mcaniques (contrl par le

contact du relais thermique connect au module dentre (I0.1) de lAPI), dautre

part contre les cour-circuits entre la ligne1 et 3 (par fausse manuvre des deux

contacteurs).

Q0.0 Q0.1 I0.1 K1 K2 MOTEUR

0 0 1 0 0 Arrt

0 1 1 0 1 Sens avant

1 0 1 1 0 Sens arrire

1 1 1 1 1 Court-circuit

0 ou 1 0 ou 1 0 0 ou 1 0 ou 1 Arrt surcharge

Q0.0 Q0.1

I0.1 0V

24V

0V

Figure 13 : Circuit de puissance pour commander un MCA en deux sens de rotation



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I-4 Commande dun variateur de vitesse par API

Les variateurs de vitesse sont des convertisseurs statiques programmables conus

pour alimenter et commander les moteurs avec slection ou variation de vitesse.

La figure 14 montre un exemple de variateur de vitesse pour moteur asynchrone

triphas et son principe de connexion avec le moteur.

Le variateur prsente des entres de commande LI1, LI2.programmables par le

variateur pour la slection de vitesse et une entre analogique de consigne pour la

vitesse.

Deux cas son possibles :

En utilisant une alimentation externe comme le montre la figure 14, la masse

doit tre connect lentre COM du variateur et les signaux des entres de

commandes LI1, LI2.sont fournies par le module de sortie TOR (Q0.0, Q0.1 et

Q0.2) de lAPI.

En utilisant lalimentation interne du variateur le potentiel 24V du variateur doit

tre connect lentre COM du module de sortie de lAPI.

Le tableau suivant rsume un exemple de fonctionnement pour faire

fonctionner le moteur avec 8 vitesses prslectionnes par lAPI dont lune de ces

Q0.0

Q0.1

Q0.2

0V AO.1

I0.0 24V

Figure 14 : Circuit de puissance pour commander un variateur de vitesse pour MCA


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vitesses est assur par une consigne fournie par le module de sortie analogique de

lAPI.

I-5 Commande des vrins doubles effets

La commande des vrins pneumatiques ncessite un distributeur afin de

distribuer la pression dair pour faire sortir ou retirer la tige.

La figure 15 montre un exemple utilisant deux distributeurs commande

lectrique pilot par le module de sortie TOR (Q0.0 et Q0.1) dun API.

Q0.0 Q0.1 Q0.2 I0.0 Etat variateur MOTEUR

0 0 0 1 Consigne analogique A0.1 Vitesse image consigne

0 0 1 1 Vitesse prslectionn 1 Vitesse 1 avant







0 ou 1 0 ou 1 0 ou 1 0 Alarme variateur Arrt

Q0.0

Q0.1

Q0.2

Q0.3

I0.0

I0.1

I0.2

I0.3

Source de pression

Capteurs magntiques

Distributeur 3/2

0V

0V

0V

0V


Figure 15 : Circuit pneumatique pour commander deux vrins par un API


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Le tableau suivant rsume les ordres de commande de lAPI vers les

solnodes des distributeurs et en tenant compte de la scurit mcanique des

vrins par une alimentation simultane des deux solnodes

RVA : recul vrin A ; RVB : recul vrin B

II- Principales caractristiques des capteurs :

Un capteur transforme une grandeur physique en une grandeur norme,

gnralement lectrique, qui peut tre interprte par un dispositif de contrle

commande comme lAPI.

Mesurer une grandeur physique pour exploiter correctement un systme

automatis il est ncessaire :

De mesurer les variations de certaines grandeurs physiques,

o La vitesse du vent pour un store automatis

o La pression dair dans le rseau dalimentation dun automatisme

pneumatique

o La temprature de leau dans un lave-linge.

De contrler ltat physique de certains de ses constituants,

o La position leve dune barrire de parking,

o La prsence dune pice sur un convoyeur,

o La prsence de pression dans un circuit,

o La position dun chariot.

Suivant la nature du signal exploitable les capteurs se classent en trois catgories :

Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 Vrin A Vrin B

0 0 0 0 1 0 1 0 RVA ou SVA RVB ou SVB

0 1 0 1 1 0 1 0 RVA RVB

1 0 1 0 0 1 0 1 SVA SVB

1 1 1 1 X X X X Interdit Interdit



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CAPTEURS ANALOGIQUES

Le signal dlivr est la traduction exacte de la loi de variation de la grandeur

physique mesure.

CAPTEURS LOGIQUES

Le signal ne prsente que deux niveaux, ou deux tats, qui saffichent par rapport

au franchissement de deux valeurs; ces capteurs du type tout ou rien (TOR) sont

galement dsigns par dtecteurs.

CAPTEURS NUMERIQUES

Le signal est cod au sein mme du capteur par une lectronique associe; ces

capteurs sont galement dsigns par codeurs et compteurs.

II-1 Diffrents types de capteurs TOR :

II-1-1 Capteur de position

Les capteurs de position sont des capteurs de contact action mcanique. Ils

peuvent tre quips d'un galet, d'une tige souple, d'une bille. L'information

donne par ce type de capteur est de type tout ou rien.

II-I-2 Dtecteur de proximit :

Les dtecteurs oprent distance, sans contact avec lobjet dont ils contrlent la

position (depuis 1 mm quelques mtres). Un dtecteur de proximit interrompt ou

tablit un circuit lectrique en fonction de la prsence ou de la non-prsence dun

objet dans sa zone sensible. Dans tous ces dtecteurs la prsence de lobjet

dtecter dans la zone sensible modifie une grandeur physique:

Figure 16 Capteur fin de course et galet


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Un champ lectromagntique haute frquence dans les dtecteurs

inductifs;

La capacit dun circuit oscillant dans les dtecteurs capacitifs,

Le niveau dclairement dun rcepteur photosensible dans les dtecteurs

Photolectriques.

Le choix dun dtecteur de proximit dpend de :

La nature du matriau constituant lobjet dtecter,

La distance de lobjet dtecter,

Des dimensions de lemplacement disponible pour implanter

le dtecteur.

II-1-3 Dtecteur de proximit lectrique :

Ces capteurs servent la dtection sans contact de la position du piston des vrins

spciaux. Le relais se ferme lapproche dun champ magntique (aimant

permanent sur le piston du vrin) et transmet un signal lectrique.

II-1-4 Dtecteur de proximit inductif :

Un oscillateur comportant une bobine loge dans un circuit magntique

engendre un champ magntique alternatif. Ce champ sort du corps de lappareil

par sa face sensible.

Figure 17 : Dtecteur de proximit lectrique

Figure 18 : Dtecteur de proximit inductif


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La prsence dun objet mtallique dans ce champ cre des courants induits et

provoquent larrt des oscillations. Un circuit de communication met en forme cette

information. Selon les modles, les distances de dtection vont de quelques

millimtres quelques centimtres.

Leur usage est uniquement rserv la dtection dlments mtalliques.

II-1-5 Dtecteur de proximit capacitif :

Dans le cas du dtecteur capacitif lobjet dtecter fait varier par sa position

la capacit dun condensateur form par la face sensible du dtecteur.

Ses caractristiques lui permettent de dtecter tout objet mme si celui-ci nest pas

mtallique.

Avec un rglage prcis, il est possible de dtecter un objet travers une paroi

mince et non mtallique (liquide ou pulvrulent, lintrieur dun rcipient figure 15).

II-1-6 Dtecteur de proximit photo lectrique :

Figure 19 : Dtecteur de proximit capacitif

Figure 20 : Exemple application des Dtecteurs de proximits


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Les systmes dtecteurs de proximits photolectriques comprennent:

un metteur de lumire visible ou infrarouge,

un rcepteur photosensible.

Lobjet est dtect lorsquil interrompt, ou fait varier, lintensit du faisceau lumineux

sur le rcepteur.

Il existe 3 types de dtecteurs photolectriques :

- Le systme de proximit,

- Le systme barrage,

- Le systme reflex.

Le systme de proximit

Un metteur et un rcepteur sont regroups dans un mme botier. Le faisceau

lumineux, mis en infrarouge, est renvoy vers le rcepteur par tout objet

suffisamment rflchissant qui pntre dans la zone de dtection.

Le systme barrage.

metteurs et rcepteur sont situs dans deux botiers spars. Cest le systme qui

autorise les plus longues portes (jusqu 30 m). Le faisceau est mis en infrarouge.

Figure 21 : Exemple dapplication des Dtecteurs de proximits photo lectrique

Figure 22 : Exemple dapplication de dtecteurs systme barrage


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Le systme reflex

Comme pour le systme de proximit, metteur et rcepteur sont regroups dans un

mme botier. En labsence de cible, le faisceau mis en infrarouge par lmetteur

est renvoy sur le rcepteur par un rflecteur.

II-2 Diffrents types de capteurs analogiques :

II-2-1 Mesure de positions et de dplacements

Capteurs rsistifs

La piste rsistive est place sur la partie fixe du capteur, et le mouvement

mcanique mesurer est accoupl un curseur qui se dplace sur celleci. La

piste rsistive est alimente par une tension continue 24V. On recueille entre lune

des bornes de la piste et le curseur une tension Us qui est directement fonction de la

position du curseur sur la piste.

Capteurs inductifs

Lavantage de ce type de capteurs rside dans labsence de contacts, donc

dusure entre llment sensible et le corps dpreuve. Le noyau magntique

cylindrique constituant llment sensible se dplace librement dans les bobines

suivant leur axe commun. Il est prolong par une tige relie lobjet mobile dont

on veut mesurer le dplacement.

Figure 23 : Exemple dapplication de dtecteurs systme reflex

Figure 24 : Capteur rsistif rectiligne


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Le dplacement du noyau autour de la position dquilibre gnre une tension

reprsentative de lamplitude de ce dplacement et de son sens.

II-2-2 Mesure de temprature

Thermocouples

Le principe de la mesure pour ces capteurs est bas sur lassociation de deux

fils en mtaux de nature diffrente connects leurs deux extrmits.

Un courant circule dans la boucle ainsi forme sil y a une diffrence de

temprature entre les extrmits appeles jonctions . On distingue :

la jonction chaude porte la temprature Tc

la jonction froide porte la temprature Tf

La tension E obtenue, est directement lie la diffrence de temprature et un

coefficient a dpendant de la nature des deux matriaux constituant le

thermocouple

E = a. (Tc Tf)

Figure 25 : Principe de capteur inductif

Figure 26 : Capteur de temprature de type thermocouple


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Thermo-rsistances

Ces capteurs utilisent la variation de la rsistivit des mtaux en fonction de la

temprature.

Les solutions technologiques utilises sont orientes vers des matriaux rsistivit

leve, ce qui conduit utiliser essentiellement le nickel ou le platine malgr leur

prix lev.

RT = R0. (1 + a.T)

RT rsistance la temprature

R0 rsistance la temprature de 0C

a coefficient de temprature du mtal

T temprature du mtal en C

II-2-3 Mesure de vitesse

Gnratrice tachymtrique

Une gnratrice tachymtrique, appele galement dynamo tachymtrique

dlivre une tension proportionnelle sa vitesse de rotation. Le principe de

fonctionnement est bas sur la rversibilit de la machine courant continu.

La gnratrice tachymtrique est fixe au bout de larbre du moteur dont on

veut connatre la vitesse de rotation.

Figure 27 : Capteur de temprature de type thermo-rsistances

Figure 28 : mesures de vitesse (dynamo tachymtirique)

G


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Ex : Gn-tachy : 0 10V ; Moteur vitesse nominale 1500 tr/min

0 V 0 tr/min 5 V 750 tr/min 10 V 1500 tr/min

II-2-4 Mesure deffort

Jauge de contrainte

Les jauges de contrainte, parfois appeles jauges lectriques

dextensiomtrie, sont les lments sensibles dun capteur de force, dans lequel une

modification dimensionnelle est traduite par une variation de rsistance.

Sont application est pour la mesure de force, dbit

II-3 Diffrents types de capteurs numriques :

LES CODEURS (Mesure de positions et de dplacements)

Pour contrler la position et la vitesse de chariots de manutention, de

machines dusinages, de bras de robots, etc on utilise souvent des codeurs

optiques rotatifs, fixs lextrmit de laxe de transmission de mouvement.

Figure 29 : Jauge de contrainte

Figure 30 : Schma de principe dun Codeur incrmental


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Un codeur optique rotatif est un capteur angulaire de position. Li

mcaniquement un arbre qui lentrane, son axe fait tourner un disque qui

comporte une succession de zones opaques et transparentes. La lumire mise par

des diodes lectroluminescentes arrive sur des photodiodes chaque fois quelle

traverse les zones transparentes du disque. Les photodiodes gnrent alors un signal

lectrique qui est amplifi et converti en signal carr avant dtre transmis vers lAPI.

Il existe deux types de codeurs optiques rotatifs :

- Les codeurs incrmentaux

- Les codeurs absolus

II-3-1 Les codeurs incrmentaux

Le disque dun codeur incrmental comporte 3 pistes :

Deux pistes A et B divises en n intervalles dangles gaux et alternativement

opaques et transparents. n permet de dfinir la rsolution ou priode. La piste A

est dcale de de priode par rapport B. Le dphasage entre A et B permet de

dfinir le sens de rotation.

Figure 31 : Schma de principe dun Codeur incrmental


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II-3-2 Les codeurs absolus

Les codeurs absolus sont destins des applications de contrle de

dplacement et de positionnement dun mobile par codage. Le disque dun

codeur absolu comporte plusieurs pistes jusqu 20, selon les modles. Comme les

codeurs incrmentaux les pistes sont alternativement opaques et transparentes. La

rsolution dun tel capteur est de 2 la puissance n (avec n = nombre de pistes).

Figure 32 : Schma de principe dun Codeur absolu

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Chapitre 2 Les Actionneurs Et Les Capteurs