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Université du Québec à Chicoutimi
MODULE D’INGÉNIERIE
GÉNIE ÉLECTRIQUE
PROJET DE SYNTHÈSE 6GIN555
Rapport final
CONCEPTION D’UN SYSTÈME D’ENTRAINEMENT DU BRAS AVEC RÉTROACTION ÉLECTROMYOGRAPHIQUE
2010-187
Préparé par
Olivier Fortin et Jean-Michel Tremblay
Pour
M. Hung Tien Bui
UQAC
4 Mars 2011
CONSEILLER : M. Hung Tien Bui
COORDONNATEUR : Jacques Paradis, ing
Approbation du rapport final pour diffusion
Nom du conseiller Hung Tien Bui
Date 22 Avril 2011
Signature
Remerciements
Nous aimerions tout d’abord remercier M. Hung Tien Bui, conseiller et
promoteur de notre projet. Ensuite, nous voudrions remercier M. Martin Otis qui
nous a aidés et conseillés tout au long de notre processus de conception.
Finalement, nous tenons aussi à remercier M. Richard Martin qui nous a été le
préconisateur de notre montage.
Résumé
Afin de d’accélérer le processus de réadaptation et ainsi, favoriser le
retour au travail, le promoteur propose développer un système de réhabilitation
autonome. Le système comprend un moteur CC simulant un poids en boucle
fermée, une mesure électromyographique pour optimiser la réadaptation et des
mesures provenant des jauges de déformation. Tout ceci vise à assurer que
l’utilisateur exerce une force optimale et sécuritaire.
Les contraintes suivantes devaient être observées :
- Assurer la sécurité de l’utilisateur
- Permettre des pas plus petits que la réhabilitation par poids libres
- Rendre le système ajustable et opérable par l’utilisateur même
Afin de rendre le système fonctionnel, la modélisation de la boucle
d’asservissement fut nécessaire. De plus, l’alimentation du moteur fourni par le
département fut conçu, ainsi que tous les circuits intégrés gérants cette boucle
d’asservissement et finalement la programmation sur FPGA de l’algorithme
d’asservissement.
Pour conclure, tous les éléments de conception furent réalisés avec succès.
L’étude de la boucle d’asservissement et son implémentation effectuent très bien
la fonction exigée.
Table des matières 1. Introduction. ....................................................................................................................... 8
2. Présentation du projet. ..................................................................................................... 9
2.1. Présentation du Projet. ................................................................................................ 9
2.2. Description de l’équipe de travail. ............................................................................... 9
2.3. Problématique et état de l’art reliés au projet. ......................................................... 10
2.4. Objectifs généraux et spécifiques du projet. ............................................................. 10
3. Aspects techniques et éléments de conception relatifs au projet ............................... 12
3.1 Principe de l’asservissement.................................................................................. 12
3.2 Alimentation ............................................................................................................. 13
3.3 Commande du moteur ............................................................................................ 16
3.3.1 Optocoupleur ......................................................................................................... 20
3.4 Pont de Wheatstone – Jauges de déformation ...................................................... 20
3.5 Électromyogramme ...................................................................................................... 24
3.6 Boucle de courant ........................................................................................................ 26
3.6.1 Fonction de transfert du moteur CC .................................................................... 27
3.6.2 Filtre de courant .................................................................................................... 29
3.6.3 Fonction de transfert du filtre ............................................................................... 38
3.7 Boitier du FPGA ........................................................................................................... 42
3.7 Boitier du FPGA ........................................................................................................... 42
3.8 Programmation ............................................................................................................. 44
3.8.1 Bloc de comparaison des poids ........................................................................... 46
3.8.2 Bloc de comparaison des courants...................................................................... 47
3.8.3 M.L.I. et MOSFETs ............................................................................................... 48
3.8.4 Encodeur ................................................................................................................ 49
3.9 Conception mécanique ............................................................................................... 52
3.9.1 Conception du bras mécanique ........................................................................... 52
3.9.2 Calcul de la contrainte avec la force maximale appliquée ................................. 52
3.9.3 Calcul de la masse maximale applicable ............................................................ 53
3.9.4 Conception de l’adapteur pour le réducteur de vitesse ..................................... 54
4. Bilan des activités .............................................................................................................. 55
4.1 Arrimage formation académique / application pratique du projet .............................. 55
4.2 Travail d’équipe ......................................................................................................... 56
4.3 Respect de l’échéancier ............................................................................................. 56
4.4 Analyse et discussion ................................................................................................. 57
5. Annexe ............................................................................................................................. 58
Tables des figures Figure 1:Esquisse du bras de levier ..................................................................................... 12
Figure 2: Contrôle du système .............................................................................................. 13
Figure 3: Schéma de l'alimentation ....................................................................................... 13
Figure 4: Courant de diode et tension de sortie .................................................................. 14
Figure 5: Enclenchement du relais ....................................................................................... 15
Figure 6: Régulateur Zener 12 V .......................................................................................... 15
Figure 7: Pont en H ................................................................................................................ 17
Figure 8: Schéma du pont de Wheatstone ........................................................................... 20
Figure 9: Représentation des données pour les calculs de la cellule de charge .............. 22
Figure 10: MyoScan-Pro ........................................................................................................ 24
Figure 11: Schéma électrique EMG ...................................................................................... 25
Figure 12: Fonction de transfert d'un moteur ....................................................................... 26
Figure 13: Fonction de transfert de la boucle de courant ................................................... 26
Figure 14: Emplacement de la résistance 'Shunt' ............................................................... 29
Figure 15: Filtre passe-bas du deuxième ordre ................................................................... 30
Figure 16: Atténuation en Db du filtre passe-bas ................................................................ 31
Figure 17: Sortie du Filtre sur banc d’essai à 19KHz .......................................................... 31
Figure 18: Sortie du filtre à 2KHz .......................................................................................... 32
Figure 19: Application théorique d’ajustement de gain et de décalage ............................. 33
Figure 20: Filtre du courant avec ajustement de gain et du décalage ............................... 35
Figure 21: Schéma du circuit du filtre ................................................................................... 36
Figure 22 : Sortie du filtre M.L.I environ 100% .................................................................... 37
Figure 23: Sortie du filtre M.L.I. environ 0% ......................................................................... 37
Figure 24: Sortie du filtre M.L.I. 50% .................................................................................... 38
Figure 25: Boucle d'asservissement du courant théorique ................................................. 39
Figure 26: Réponse théorique de la consigne de courant du système (échelle de temps 10-3 s) ....................................................................................................................................... 39
Figure 27: Réponse agrandit de la figure 17 (échelle de temps 10-6 s) ............................. 40
Figure 28: Réponse réelle du système ................................................................................. 41
Figure 29: Réponse réelle du système ................................................................................. 41
Figure 30: Boitier du FPGA ................................................................................................... 43
Figure 31: Routine principale du système ............................................................................ 44
Figure 32: Comparaison du poids ......................................................................................... 46
Figure 33: Comparaison du courant de consigne et celui du signal .................................. 47
Figure 34: Bloc PI ................................................................................................................... 47
Figure 35: Sens du moteur et consigne de la M.L.I ............................................................. 48
Figure 36: Bloc de la M.L.I ..................................................................................................... 49
Figure 37: Schéma-bloc de l'encodeur ................................................................................. 50
Figure 38: Détection des fronts montants selon le sens du moteur ................................... 51
Figure 39: Schéma électronique du pont en H .................................................................... 58
Figure 40: Schéma 3D du bras mécanique ......................................................................... 59
Figure 41: Cotation du connecteur........................................................................................ 60
Figure 42: Vue cotée moteur du connecteur ........................................................................ 60
Figure 43: Vue cotée réducteur de vitesse du connecteur ................................................. 61
Figure 44: Adapteur pour le bras mécanique....................................................................... 61
Figure 45: Vue 3D de l'adapteur pour le bras mécanique .................................................. 62
Figure 46: vu de dessus du PCB du pont en H ................................................................... 63
Figure 47: Vu de dessous du PCB du pont en H ................................................................. 63
Figure 48: PCB filtre de courant ............................................................................................ 64
Figure 49: Essai à rotor bloqué. ............................................................................................ 64
Figure 50: Bloc d'alimentation ............................................................................................... 65
Figure 51: Diagramme de Gantt ............................................................................................ 66
1. Introduction.
Une étude menée récemment dans le programme de kinésiologie à
l'UQAC montre qu'un entrainement musculaire avec rétroaction
électromyographique mène à des niveaux d'améliorations significatives. Le but
de ce projet est de créer un module pour l'entrainement du biceps en utilisant un
système de rétroaction électromyographique.
Le système comportera une cellule de charge et un moteur pour contrôler
la valeur du poids que l'usager veut simuler. En même temps, il y aura un
capteur électromyographique pour s'assurer qu'un niveau d'effort optimal soit
déployé. Le tout sera géré par un FPGA.
Ce texte est le dernier rapport décrivant les avancements du présent
projet. Il tentera de documenter sur les grandes lignes du processus de
conception et des travaux réalisés.
2. Présentation du projet.
2.1. Présentation du Projet.
Ce projet consiste à l’asservissement d’un moteur à courant continu, dans
le but de simuler un poids. Le but premier du projet est de créer un système de
physiothérapie. Un électromyogramme mesure la force déployée par le muscle
de l’utilisateur et vérifie si elle est trop petite ou trop grande, et ce, afin d’ajuster
la consigne réglée. Ce principe permet donc d’éviter les blessures et d’optimiser
le processus de réadaptation
2.2. Description de l’équipe de travail.
Olivier Fortin et Jean-Michel Tremblay sont les personnes ayant mis en
œuvre ce projet. Le conseiller et promoteur du projet est Mr. Hung Tien Bui. La
première rencontre avant la mise en œuvre du projet fût fixée le 8 Septembre
2010. Par la suite les rencontres envers le conseiller étaient aux 2 ou 3
semaines.
2.3. Problématique et état de l’art reliés au proj et.
Au Québec le système de santé étant engorgé, plusieurs personnes
attendent très longtemps avant d’être soignées. Cet engorgement se répercute
également sur les centres de réadaptation, ce qui rend la guérison ou bien le
retour au travail des personnes sollicitant ces centres plus longues.
Lorsque le processus de guérison est presque atteint et que la
réadaptation peut commencer, il est possible d’amorcer le processus avec des
poids. L’approche classique pour la réadaptation physique est celle par les poids
libres, et ce, en faisant exécuter à l’usager des mouvements à répétitions et en
augmentant le poids graduellement au fil de la guérison. Mais cette technique
peut entraîner des dangers, tels que la surcharge excessive, ce qui pourrait
aggraver la blessure. De plus, si l’utilisateur ne force pas assez, le processus de
réadaptation ne sera pas optimal. Pour finir, un mauvais mouvement pourrait
aggraver la blessure ou bien en engendrer une nouvelle.
2.4. Objectifs généraux et spécifiques du projet.
L’objectif principal de ce projet est de mettre en place un système fiable,
stable et dont la réponse s’effectuera promptement. Une réponse rapide ainsi
qu’un asservissement stable seront nécessaires de façon à ne pas mettre en
danger la santé des utilisateurs. Après avoir relevé les caractéristiques du
moteur sélectionné, la modélisation de la boucle de contrôle pourra se faire. Il
sera important de prendre en considération les délais, s’il y en a, engendrés par
les capteurs. Comme le moteur devrait être installé dans la penture du bras
mécanique, l’usagé devrait déployer une force constante tout au long du
mouvement. La gravité ne devrait pas influencer le poids ressenti, ce qui serait
légèrement différent de l’utilisation d’un poids libre ou comparable aux systèmes
à poulies.
Pour ce faire, le choix initial était d’asservir le système avec un automate. Vu
les coûts trop élevés pour une carte d’entrées analogiques avec une lecture dont
le délai ne déréglerait pas le système, le choix c’est donc attardé sur un FPGA
programmé grâce à Simulink de Matlab. Ce choix final fut fait, car cela est plus
facile de créer un programme d’asservissement pour le projet à concevoir.
Le système de réadaptation par rétroaction électromyographique devra
rendre la réadaptation de l’usager plus efficace et sécuritaire. Avec des limiteurs
de fin de course, la sécurité de l’usager sera assurée. Le fait de simuler le poids
ressenti par de plus petits pas, c’est-à-dire des pas d’une livre contrairement à
des pas plus grands.
3. Aspects techniques et éléments de conception rel atifs au projet
3.1 Principe de l’asservissement. Le but de ce projet est d’asservir un moteur qui simulera un poids dans un
système de physiothérapie. Pour faciliter l’asservissement du moteur et en
réduire la vitesse de rotation, un réducteur planétaire a été installé entre le l’arbre
du moteur l’arbre et le bras. L’alimentation et le circuit de commande du moteur
furent conçus et interconnectés avec le FPGA. Ce dernier envoie un signal de
modulation à largeur d’impulsion (M.L.I) aux contrôleurs de MOSFET ce qui fera
varier la vitesse de rotation du moteur et donc le couple déployé par ce dernier.
Le système fut conçu en employant deux boucles d’asservissement imbriquées.
L’une contrôlant le courant du
moteur et l’autre le poids.
Les signaux provenant de
l’électromyogramme sont amplifiés
et filtrés avant d’être envoyés au
FPGA. Pour ce qui est des jauges
de contraintes, un amplificateur
différentiel fut implémenté de façon
à lire la déformation dans la plaque
du bras mécanique. Ces
déformations sont facilement
converties en force et par le fait
même en poids.
Figure 1:Esquisse du bras de levier
Le principe d’asservissement moteur choisi fut finalement celui de
l’asservissement en couple. Le couple déployé par un moteur à courant continu
est directement proportionnel au courant qui le traverse ce qui simplifie
grandement le travail. La figure présentée à la page suivante montre les deux
boucles d’asservissement conçues et utilisées.
Couple déployé Force déployée
Force déployée par l’utilisateur
Figure 2: Contrôle du système
On voit facilement sur le schéma précédant comment est effectué le
contrôle du moteur et du système. Les deux boucles asservissent le moteur et
les jauges de déformation. La résistance ‘shunt’ donne des rétroactions des
réponses du système pour ce qui est du filtre de courant, il est à noter que celle-
ci n’est pas illustrée sur la figure 2, mais est située à la sortie du moteur. La
résistance ‘Shunt’ est la résistance R10 sur la figure 20.
3.2 Alimentation Le moteur utilisé est un moteur CC de 90V et 6,95A nominal. Selon la fiche
signalétique, au démarrage, le moteur appelle un courant pouvant aller jusqu’à
52A. Cependant, les sources d’alimentations disponibles à l’intérieur des murs
de l’Université ne permettent pas un aussi gros courant. C’est donc pourquoi que
la conception d’une source d’alimentation est nécessaire.
Figure 3: Schéma de l'alimentation
D3 D4
D1 D2
1mF
C1
1mF
C2
1mF
C3
50
R1
12
34
512
9
1.1KK1
GND
Vsortie
Q1NPN
18KR4
GND
17K
R2
Res1
1K
R3Res130K
R7Res1
10K
R8
Res1
3
21
84
U1ALM358AN
12V
D5
100uF
C5Cap Pol1
10uF
C4Cap Pol1
D6D Zener
1KR9
GND
T1
Trans CT
GND
60V
Kg
P.I.
Consigne (en livres)
+ -
Kg Nm A
+ -
M.L.I. Moteur
Filtre courant
Jauges de déformation
Nous utilisons un transformateur toroïdal de 60V au secondaire à prise
médiane. La tension alternative est ensuite redressée à l’aide d’un pont de
diodes et est filtrée avec un condensateur de 10 mF.
Figure 4: Courant de diode et tension de sortie
La figure 4 présente les courbes de simulation de la tension au nœud de
sortie ainsi que du courant dans la charge. On constate sur ce graphique que,
lorsque les condensateurs se chargent, principalement lors de la mise en tension
du circuit, des pointes importantes de courants passent au travers des diodes.
Ce courant provient du fait que les condensateurs se chargent dans un cours
laps de temps. Pour limiter ce courant et ainsi ne pas avoir à surdimensionné les
diodes, une résistance de 50Ω à été placée en série avec le banc de
condensateur. En plaçant la résistance en série avec les condensateurs nous
réduisons le courant, mais nous augmentons aussi le temps requis pour
atteindre la tension de référence désirée. Lorsque la tension de sortie atteint une
certaine valeur, le circuit commencera à fonctionner comme régulateur de
tension. Pour s’assurer que les condensateurs puissent fournir les charges
nécessaires, la résistance sera court-circuitée. Pour court-circuiter la résistance,
un comparateur vérifie la tension de sortie et la tension de référence. Une fois
que la tension de sortie équivaut la tension de référence, le comparateur
alimente un transistor qui permet à un relais de s’enclencher et court-circuiter la
résistance. Le comparateur et le relais sont alimentés à l’aide d’un redresseur à
diode Zener 12V.
Figure 5: Enclenchement du relais
Sur la figure précédente, on constate que la variation de la tension aux
bornes du condensateur s’effectue comme prévu; on remarque très bien le
changement de constante de temps. À 60V, le relais s’enclenche ce qui
augmente le courant et donc la vitesse à laquelle le condensateur se charge
jusqu’à atteindre une valeur de 82V.
Figure 6: Régulateur Zener 12 V
Sur la figure 6, le Iqc représente le courant principal du circuit, ce courant
est présent en permanence. Il comprend l’alimentation de l’amplificateur
opérationnel ainsi que le courant circulant dans le relais. Le Idyn est la variation
1K
R1R5W
100uFC1
10uFC2
D1
Diode
D2D Zener 12V
IdynIqc
T1
Trans CT
GND
Vers cicruit d'alimentation
de courant du circuit, afin de pouvoir calculer la résistance minimum et maximum
du circuit.
Pour bien dimensionner la résistance du régulateur Zener, il est important
de connaitre la puissance qui y sera dissipée. Afin d’être en mesure de calculer
cette puissance, il est impératif de connaitre les courants maximaux traversant
la résistance. Ces courants sont le Iqc et le Idyn expliqués ci-haut.
1 2
122 300 2 3
10 30zener
qc qcOPAmp
VI I mA A ma mA
R R k kµ= + = + = + ≈
+ +
dyn c bI I I= +
6865.45
1.1R
c relaisrelais
VI I mA
R k= = = =
12 ( ) 12 0.7 2.2227.5
40BE opamp
bB
V VI A
R kµ
− + − −= = =
65.45 227.5 65.67dynI mA A mAµ= + =
1 4.72R K R RP V I W= ⋅ =
Nous utiliserons donc une résistance de 5W dans le régulateur Zener. Une photo
de l’alimentation est disponible à l’annexe figure 43.
3.3 Commande du moteur
Les ponts en H sont des structures électroniques servant à contrôler la
polarité d’un dipôle. Il est constitué de quatre éléments de commutation
généralement disposés schématiquement en H, d’où le nom. Les commutateurs
sont des transistors ou des relais, dépendamment de l’application. Dans notre
cas, ce sont des transistors à effet de champ à grille isolée. Selon la note
d’application AN898 (Determining MOSFET Driver Needs for Motor Drive
Applications) émise par la compagnie MICROCHIP, l’utilisation des MOSFET
pour des applications inférieures à 250V est conseillée, tant par sa disponibilité
(les IGBT inférieurs à 600V sont rares) que par ses caractéristiques. Les
MOSFET ont une vitesse de commutation supérieure aux IGBT et une
dissipation de puissance inférieure à basse tension. Les pertes résistives des
MOSFET augmentent avec la température tandis que pour les IGBT c’est la
vitesse de commutation qui est affectée.
La commande du moteur est assurée par un pont en H en quadrature :
Figure 7: Pont en H
On ne peut pas faire déclencher les MOSFET avec le signal PWM
provenant du PIC. En effet, ce dernier est un signal logique 0-5V. Les MOSFET
nécessitent une tension de 12V à leur grille pour commuter. Pour pallier ce
problème, l’utilisation de l’IR2011 est primordiale. Celui-ci, en utilisant des
condensateurs disposés en montage « bootstrap », élève la tension. Le principe
du « bootstrapping » pour les MOSFET/IGBT est fort simple. Ces dispositifs sont
contrôlés grâce à la tension appliquée à leur grille. En théorie, aucun courant ne
devrait circuler aux bornes de la grille. De ce fait, il est possible de les contrôler
avec les charges d’un condensateur. Cependant, le condensateur va
éventuellement se décharger du au courant de grille parasite et à la résistance
interne non idéale. Le PWM permet au condensateur de se décharger en partie,
sinon entièrement. La plupart des circuits utilisant des condensateurs de
« bootstrap » doivent impérativement bloquer le MOSFET côté haute tension un
minimum de temps. C’est donc pour cette raison que le cycle de travail du PWM
ne doit pas atteindre 100%, afin de compenser pour les fuites de charges.
La valeur minimale du condensateur de « bootstrap » peut être calculée à partir
de l’équation suivante :
(max) ( )
min
2 2
210 12 2 49 5
14 1412 0.5 0.126 10
171
qbs Cbs leakg ls
cc f LS
I IQ Q
f fC
V V V V
A AnC nC
kHz kHzC
V V V vC nF
µ µ
⋅ + + +
≥− − −
⋅ + + + ≥− − −
≥
En se laissant une bonne marge, le condensateur sera donc de 0,22µF
Où
Qg = charge à la grille du côté haute tension du MOSFET
f = Fréquence d’opération
ICbs = Courant de fuite du condensateur de « bootstrap »
Iqbs = Courant de Vbs maximal au repos
= Alimentation du circuit intégré
= Chute de tension dans la diode de « bootstrap »
= Chute de tension dans le MOSFET côté basse tension
= Tension minimale entre Vb et Vs
= Charge nécessaire au changement de niveau (typiquement 5nc pour les FET de 500/600V)
La figure du schéma électrique du pont en H de la commande du moteur est disponible a l’annexe figure 39.
D’après les feuilles de données du MOSFET choisi, une résistance de 0.12
ohm est présente sur ce MOSFET. Sachant que le moteur peut recevoir jusqu’à
près de 10 ampères au maximum, il est donc possible de calculer la puissance
dissipée. Ce afin de connaître s’il faudra ajouter au MOSFET un dissipateur de
chaleur additionnel. Cette information est nécessaire, car les dissipateurs de
chaleur sont à prendre en compte lors de la création du PCB pour le pont en H.
Calcul de la température dissipée :
= I
= 0,12 ∗ 10
= 1,2
Selon les feuilles de données du MOSFET IRFB4321PBF, la chaleur dissipée
est de 65W/°C °C = 65 ° ∗ 1,2 W = 74,4 °C
Donc d’après cette vérification, l’ajout de dissipateur de chaleur pour les
MOSFET ne sera pas nécessaire, car celui-ci peut tenir des températures allant
jusqu’à 125°C.
L’ajout des diodes zener entre la grille et la source des MOSFET sert de
protection, elles tomberont court-circuit si la tension devient trop élevée. La
résistance de 20 Ω placée à la grille du MOSFET sert à faire un filtre passe-bas
avec un temps de montée environ 100 fois plus petit que la fréquence
d’opération, ce afin que le MOSFET ne soit pas toujours en fonction et qu’il ait le
temps de se refroidir. La fréquence d’opération étant de 19KHz, il faut donc
environ un filtre de 1.9 MHz.
= 12!"
= 12!20 ∗ 4460#
= 1.8MHz
3.3.1 Optocoupleur
La résistance d’entrée est pour limiter le courant traversant la DEL de l’optocoupleur, un courant de 10 mA maximum est permis.
= VI
= 5 − 1.5510mA
= 345Ω
Le choix s’est arrêté sur une résistance de 390Ω, car elles sont plus standards.
3.4 Pont de Wheatstone – Jauges de déformation
Pour mesurer la force exercée par le bras, nous utilisons des jauges de
déformations placées dans une configuration de Pont de Wheatstone. En
connaissant la géométrie ainsi que les propriétés du métal utilisé, nous sommes
en mesure de déterminer la force appliquée sur le capteur de charge.
Les déformations (ε) engendrent des variations dans la résistance des
jauges (∆R).
Il est possible de trouver l’équation de la tension de sortie du pont :
ε1 ε2
- ε3 - ε4
+-
VCC
GND
Vo
Figure 8: Schéma du pont de Wheatstone
. = /0 1∆34
34− ∆35
35+ ∆37
37_ ∆39
39:
Le facteur de la jauge k donne la relation entre la déformation ε et la
différence de potentiel observé dans le pont de Wheatstone
∆/;/ = < ∙ >
Où ∆Vo = Vo à vide – Vo avec charge
Cette valeur k est donnée par le fabricant de jauge et dans notre cas c’est
un facteur de 2,12 que nous retrouvons.
On peut remarquer sur la figure suivante les distances nécessaires aux
calculs des déformations engendrées par la force. La disposition des jauges de
déformation y est aussi représentée. Les déformations positives sont des
déformations en tension et les négatives, en compression. Cette disposition
permet d’annuler les effets de torsion.
350
525,66
50
L
bh
F
e2
e1
-e4
-e3
Figure 9: Représentation des données pour les calcu ls de la cellule de charge
L : distance entre le point d’application de la force et du centre de la rosette.
b : largeur de la pièce sous contraintes
h : épaisseur de la pièce
F : force appliquée
Pour s’assurer de la distance L entre la cellule de charge et la charge
appliquée, des tests furent exécutés pour la mesurer.
Test 1 Test 2 Test 3
Vcc 10.17 V 10.16 V 10.164V
Vo 0 lbs 1.31mV 1.46mV 1.64mV
Vo 10 lbs 0.21mV 0.3mV 0.281mV
ε 51,01mV/V 53,85mV/V 54,32mV/V
ε moyen 53,06mV/V
Tableau 1 : Test sur les jauges de contraintes
Avec les équations mécaniques précédentes, nous obtenons comme
distance L une valeur de 6,4cm.
3.5 Électromyogramme
Dans le système conçu, les informations relatives aux contractions
musculaires du patient sont lues grâce à un électromyogramme (EMG). L’EMG
est composé d’une triode appliquée directement sur la peau de l’utilisateur au
niveau du muscle visé et capte les signaux électriques envoyés au muscle. Ces
signaux sont de l’ordre du microvolt. Un amplificateur spécialisé pour ce type
d’appareil est utilisé. Cet amplificateur est le MyoScan-Pro™ SA9401M-60 de la
compagnie Thought Technology Ltd de Montréal. Cet appareil filtre et amplifie
les signaux et donne un signal de quelques millivolts et même jusqu’à quelques
volts. L’avantage de cet appareil est qu’il ne se contente pas seulement
d’amplifier le signal, mais qu’il le traite tout
autant.
La figure ci-contre montre
l’amplificateur MyoScan-Pro ainsi que la
triode utilisée.
Il est nécessaire d’alimenter
l’amplificateur avec du 7,2V. Un circuit
d’alimentation et d’amplification des signaux
obtenus par le MyoScan-Pro fut donc
développé.
Figure 10: MyoScan-Pro
Une nouvelle amplification est effectuée à la sortie du MyoScan-Pro de
façon à échelonner le signal sur 10V. Le circuit est présenté à la figure suivante
et le circuit imprimé en annexe. La variation du signal de l’EMG étant
importante, il a été nécessaire de l’intégrer pour obtenir une valeur moyenne
utilisable.
Figure 11: Schéma électrique EMG
3 21
84
U1A
TLC2272
657
84U
1BTLC
2272
10K
R6
Res1
10K
R7
Res1
10K
R1
Res1
10K
R2
Res1
3.2K
R5
Res1
10nF
C7
Cap
GN
D
7V2
GN
D
GN
D
Input
Out
D3
Diode
D4
Diode
7V2Input
GN
D
820R
4
1uFC
4Tant
10uFC
5
Tant1uFC
3tant
D1
D2
0.1uFC
10.1uFC
2
Out
Out
2
GND3 In
1
U3
ADR
380
Vin3
Vout2
GND1
U2
NC
P1117
3.9KR
3
GN
D
123456
J1Header 6
12345678
J2Header 8
MC
LKR
ST
GN
DD
VDD
5VD
VDD
3V3B
+
AVD
DR
EF-AV
DD
REF+
GN
DAV
DD
5VAV
DD
3V3
REF2V5
AVD
D10V
AVD
D-10V
123
P1
12
P2
Header 2
GN
D
100nF
C6
Cap
3.6 Boucle de courant
Lorsque l’on regarde de près la fonction de transfert en boucle fermée
détaillée d’un moteur à courant continu présenté à la figure suivante, on constate
aisément que le couple de force déployé par le moteur est proportionnel au
courant d’armature.
Figure 12: Fonction de transfert d'un moteur
Le fait est que le moteur est contrôlé, par le pont en « H », en tension et
non en courant. Il est donc impératif d’implémenter une boucle d’asservissement
du courant d’armature qui est la suivante :
Figure 13: Fonction de transfert de la boucle de co urant
De cette façon, une fois la consigne donnée, elle est entrée dans le
modulateur à largeur d’impulsion ce qui fait varier la tension du moteur en
fonction de l’erreur lue. À la sortie de la fonction de transfert du moteur, le
courant est lu, filtré de façon à ne plus voir la M.L.I. et amplifié de telle sorte que
sa valeur moyenne puisse être lue et échelonnée par le FPGA.
3.6.1 Fonction de transfert du moteur CC
Avec la présentation de ces deux boucles d’asservissement, il est facile de
constater que la fonction de transfert du moteur sélectionné est une pièce
maitresse du projet. Pour ce faire, il est nécessaire de connaître la résistance
ainsi que l’impédance d’armature du moteur.
La résistance d’armature fût déterminée en utilisant deux méthodes, soit,
premièrement, en mettant, aux bornes du moteur, une tension continue et en
mesurant le courant résultant. De cette façon, la résistance de l’inductance est
prise en compte.
= ?
? =
6.584.09A = 1.6Ω
Deuxièmement, une mesure fut prise, grâce à un ohmmètre, aux bornes
du moteur. La valeur ainsi mesurée correspondait avec une précision
satisfaisante à la valeur calculée ci-haut.
Pour ce qui est de l’inductance d’armature, un essai à rotor bloqué fut
pratiqué sur le moteur. En regardant à l’oscilloscope le temps de montée
nécessaire afin d’atteindre 63% de la consigne (τ), il est possible de déduire
l’inductance d’armature. Il est important de mentionner que pour cet essai, une
faible tension fut appliquée, car un courant important en résulte lorsqu’un couple
important est nécessaire.
En injectant 408mV, les résultats obtenus étaient de 6ms avant d’atteindre
257.4mV soit 63% de la consigne.
B = C
L = C ∗
L = 6EF ∗ 1,6
L = 9,6EG
La portion nécessaire de la fonction de transfert du moteur pour la boucle
de courant est donc la suivante :
10,0096 ∙ F + 1,6 = 104.167
F + 166.67
3.6.2 Filtre de courant
Pour faire la lecture du courant qui circule dans l’armature du moteur, une
résistance shunt va être positionnée entre la source et la mise-à-la-terre du pont
en H comme le démontre la figure suivante :
Figure 14: Emplacement de la résistance 'Shunt'
Le courant maximal utilisé pour faire la conception du pont en « H » est de
10A. Donc la tension maximale obtenue aux bornes de la résistance est de
500mV.
= ?
= 0.05Ω 10A
0.5
Cette tension à une forme d’onde essentiellement similaire à la tension du
moteur donc une M.L.I. avec un cycle de travail variable dans le temps. Pour
que le convertisseur analogue numérique de la carte d’acquisition du FPGA
effectue une lecture précise, un filtre passe-bas ainsi que des étages
d’amplifications furent ajoutés.
Q1
Q3
Q2
Q4
Résistance Shunt0.05
GND
90V
M-M+
82V
Le filtre utilisé est un filtre de type Butterworth de deuxième ordre
implémenté avec une topologie Sallen-Key. L’avantage de ce filtre est qu’il est
linéaire et facilement réalisable en utilisant très peu de composantes passives et
actives. La fréquence de coupure déterminée est de 2KHz. Comme la
fréquence de la M.L.I. est de 19KHZ, il ne devrait plus y avoir d’oscillation.
Figure 15: Filtre passe-bas du deuxième ordre
Le filtre passe-bas de deuxième ordre, engendré par ce filtre, peut être
représenté par une fonction de transfert dans la boucle d’asservissement du
courant :
G(F) Vout(s)
Vin(s)
La réponse en magnitude et en phase du filtre est présentée à la figure ci-
dessus. Les résultats, tant pour le circuit dont la réponse du filtre fut obtenue
facilement en utilisant le logiciel FilterLab de Microchip. On constante sur le
graphique que l’atténuation du filtre est de 40dB par décade.
Figure 16: Atténuation en Db du filtre passe-bas
Figure 17: Sortie du Filtre sur banc d’essai à 19KH z
Figure 18: Sortie du filtre à 2KHz
On constante sur les deux figures précédentes que les résultats du filtre
passe-bas sont concluants. Le sinus est complètement atténué à 19KHz,
fréquence de la M.L.I. et si l’on compare les amplitudes des deux formes d’onde,
on obtient des là aussi des résultats convainquant :
N
1
1.5 = 0.666
La valeur trouvée de 0.666 est très similaire de la valeur de √ (0.707).
À des fins de précision, on désire avoir un signal échelonné de 0 à 10V,
des étages d’amplifications furent donc ajoutés. En plus de l’amplification, un
ajustement du décalage fut intégré. Un simple circuit comme la figure 19 peut
exécuter les deux opérations.
Figure 19: Application théorique d’ajustement de ga in et de décalage
Un potentiomètre fut ajouté en série avec la résistance R3 de la figure 19
de manière à varier le gain de l’amplificateur. Il fut rapidement conclu en
effectuant un montage sur banc d’essai que l’ajustement de l’un ou l’autre des
potentiomètres faisait varier l’autre paramètre. Pour contrer ce phénomène, il a
été décidé de concevoir ces deux ajustements sur différents amplificateurs
opérationnels. Cela ne change en rien le côté matériel, car les circuits intégrés
disponibles possédaient de deux à huit amplificateurs opérationnels. Le calcul
du gain est le suivant :
G 3 + #.QRSQT.EèQUR
1
GVWX = 18Y + 01Y
GVWX = 18
GVZ[ = 18Y + 5Y1Y
GVZ[ = 23
Une tension de 9.5V à 11,5V en résulte. Ce qui est très près de la valeur
de 10 Volts recherchée au départ. L’ajustement du décalage quant à lui sert à
l’ajustement du zéro avant la mise en circuit, afin d’obtenir les résultats les plus
précis possible.
Circuit final :
Figure 20: Filtre du courant avec ajustement de gai n et du décalage
231
11 4
U1A23
1
11 4
U2A23
111 4
U3A.05
R10
ResShunt
BOT
2TO
P1
TAP 35K
GAIN
1K
R2
In signal
GND90V
18K R3
GND1
+15
-15
+15+15
-15-15
10K
R5
10K
R6
BOT 2TOP1
TAP31K
Offset+15
-15
7k R12
Res1
100K
R13
Res1
7k R11
Res1
100K
R14Res1
GND1
0.01uF
C1
9.1K
R7
15KR
8
0.0047uF
C3
Out Signal
GND1
Figure 21: Schéma du circuit du filtre
Pour l’alimentation des amplificateurs opérationnels, un régulateur de
tension 12V à ±15 V fut intégré au circuit, il s’agit du régulateur 102-1528.
Il est vraisemblable de penser que la plage de courant utilisé par le moteur
ne dépassera jamais 5A. Surtout une fois couplé au réducteur de vitesse. Il est
donc fort possible que le gain de l’amplificateur soit augmenté de façon à
échelonner 5A sur 10V.
Les figures suivantes présentent les résultats finaux des tests effectués
sur banc d’essai :
Figure 22 : Sortie du filtre M.L.I environ 100%
Figure 23: Sortie du filtre M.L.I. environ 0%
Figure 24: Sortie du filtre M.L.I. 50%
On remarque qu’il persiste une légère oscillation, mais celle-ci est
négligeable, car la réponse du système est de loin beaucoup plus lente que la
fréquence de la M.L.I. de 19KHz. Avec l’ajout du filtre, la lecture de la valeur
moyenne du courant sera beaucoup plus précise.
3.6.3 Fonction de transfert du filtre
Voici le calcul de la fonction de transfert du filtre passe bas de deuxième
ordre généré par celui-ci :
G(F) Vout(s)
Vin(s)
G(F) 1
1 + CRN+Rs + CNCRNRs
GF = 11 + 0.0047µF9.1KΩ+ 15KΩs + 0.01µF ∗ 0.0047µF ∗ 9.1KΩ ∗ 15KΩ ∗ s
GF = 11 + 0.64155s + 6.4155x10`as
La figure suivante montre la boucle d’asservissement du courant avec les
deux fonctions de transfert calculées. Il est à noter que les gains de 51
permettent simplement d’avoir des résultats échelonnés de 0 à 255 soit 8 bits.
Quant à lui, le gain de 0.321 simule la M.L.I., il transforme le signal 8 bits sortant
du contrôleur PI de façon à obtenir une valeur allant de 0 à 82V (valeur de
l’alimentation du moteur).
Figure 25: Boucle d'asservissement du courant théor ique
Figure 26: Réponse théorique de la consigne de cour ant du système
(échelle de temps 10 -3 s)
La consigne testée était de 3 A et d’après la réponse obtenue une légère
erreur est remarquable. En comparant la figure 26 avec la figure 27, on
remarque que la réponse théorique et celle pratique sont sensiblement les
mêmes. En comparant la figure 28 et la figure 29, on peut remarquer que la
constante de temps théorique (à 63% de 3V, soit 1.89V) est d’environ 220 µs et
qu’en pratique la constante de temps est de 200 µs. Ceci confirme donc que le
système répond très bien et qu’il est fonctionnel.
Figure 27: Réponse agrandit de la figure 17 (échell e de temps 10 -6 s)
Figure 28: Réponse réelle du système
Figure 29: Réponse réelle du système
3.7 Boitier du FPGA
Comme contrôleur du système, un FPGA, le SPARTAN3E-CXS500, fut
utilisé. L’horloge interne du FPGA est de 50MHz, ce qui le rend extrêmement
rapide comparativement au système. C’est donc pour cette raison que la boucle
d’asservissement du courant présenté préalablement était simulée en continu et
non en discret.
Le boitier possède les différentes entrées et sorties suivantes :
- 6 entrées/sorties numériques
- 4 entrées analogiques échantillonnées à 15KHz
- Deux ports de sorties numériques DB-9, dont un utilisé pour la commande
du moteur.
- Un port de parallèle DB-25 de programmation
- Un port DIN5 utilisé pour lire l’encodeur
- Un potentiomètre
- Un affichage composé de 4 7-segments
Figure 30: Boitier du FPGA
3.8 Programmation
Le langage utilisé pour programmer le FPGA est la programmation en bloc
Xilinx via Matlab.
Figure 31: Routine principale du système
La figure précédente (figure 31) présente la routine principale du système.
On remarque que la consigne de poids est déterminée par le potentiomètre1 du
boitier du FPGA. La consigne entre ensuite dans le bloc « EMG2 ». Ce bloc
corrige la consigne si l’utilisateur déploie une force supérieure à 30% de sa force
maximale. La force maximale est enregistrée au début de la séance
d’entrainement en appuyant sur le bouton poussoir3 « Acquisition EMG ». Si
l’utilisateur force trop, la consigne va décrémenter de 5% jusqu’à atteindre une
1
2
3
4 5
6 7
8
9
force inférieure à 30% de sa force maximale. La consigne corrigée entre ensuite
dans le bloc comparateur4 de poids. Ce bloc effectue la différence entre le signal
reçu des jauges de déformation et la consigne corrigée. La consigne de courant
est envoyée dans le bloc suivant5. Une fois encore la consigne est comparée au
signal du filtre de courant. La nouvelle consigne est envoyée dans la M.L.I.6 du
moteur qui contrôle les MOSFETs7. En parallèle avec tout ça, l’encodeur
détermine le sens de rotation8 ainsi que la position9 du bras en tout temps.
Les procédures d’entrainements sont les suivantes :
- Mesure de la force maximale de l’usager
- Entrée de la consigne
- L’utilisateur effectue une rotation du bras de 77°
- Le bras retourne automatiquement à sa position initiale
- L’utilisateur recommence le mouvement
Tant que l’utilisateur n’applique pas de force sur le bras mécanique ou bien
qu’il n’applique pas suffisamment de force pour dépasser la consigne, le moteur
reçoit l’ordre de freiner. Lorsque la force déployée par l’utilisateur est plus
grande que la consigne, le moteur va suivre le mouvement de l’utilisateur en
conservant le poids désiré.
Si l’utilisateur lâche le bras lors de l’exercice ce dernier va freiner pour ne
pas blesser l’usagé. Deux capteurs de fin de course furent installés aux deux
extrémités du parcours. Si l’encodeur fait défaut, les interrupteurs couperont
directement l’alimentation du moteur, encore une fois pour protéger l’usager.
3.8.1 Bloc de comparaison des poids
Figure 32: Comparaison du poids
Le bloc de comparaison des poids soustrait1 la consigne corrigée au
signal reçu des jauges à. Le gain2 suivant de 3.27 convertit le poids en kg en
couple, utilisant la longueur de bras de levier ainsi que la constante
d’accélération gravitationnelle. Le second gain3 (2.22) divise la valeur du couple
par la constante électrique du moteur à courant continu. Le résultat ainsi obtenu
représente le courant nécessaire au moteur afin de déployer le couple désiré. Le
premier multiplexeur4 va sélectionner le signal à envoyer au moteur, soit la
consigne de courant ou bien la consigne de freinage. Cette dernière consigne va
être nécessaire lorsqu’il n’y a pas de force appliquée aux jauges ou si la force
déployée par l’utilisateur ne surpasse pas la consigne.
Consigne de Poids
X 0.3242
Jauges de déformation
Sortie Courant25
a‐b
a
b
a
b
X 0.3242
a‐b
a
b
X 3.27 X 2.22
a=b
a
b
a>=b
a
b
255
0
0
S1
S2
D
C ENB
Multiplexeur
b‐a
1
2 3 4
5
3.8.2 Bloc de comparaison des courants
Figure 33: Comparaison du courant de consigne et ce lui du signal
Comme pour le bloc de comparaison des poids, le bloc de comparaison
des courants soustrait le signal de la valeur du courant à la consigne reçu. La
différence chemine ensuite jusqu’au contrôleur PI (Proportionnel et Intégral)
présenté à la figure suivante.
Figure 34: Bloc PI
Le contrôleur est simplement constitué d’un gain (ci-présent de 3)
additionné au même signal, mais cette fois-ci intégré. L’intégrale est composée
d’un accumulateur qui est remis à zéro après un certain temps. La branche de
l’intégrale possède aussi un gain de façon à ajuster la constante d’intégration
(Ki).
3.8.3 M.L.I. et MOSFETs
La M.L.I. est composée d’un signal de 9 bits : 8 servent pour la valeur et 1
pour le sens de rotation. La valeur de 8 bit de 0 à 255 est convertie en signal de
9 bits dont le bit le plus significatif est dicté par la direction désirée. La M.L.I.
effectue un changement du cycle de travail du signal envoyé aux MOSFETs. La
consigne de freinage représente un cycle de travail de 50%.
Figure 35: Sens du moteur et consigne de la M.L.I
La figure suivante présente le bloc de la M.L.I. présenté ci-haut ainsi que
les sorties des MOSFETs . De plus, on remarque que les blocs de « temps-
mort » s’y retrouvent. Ce laps de temps est facilement déterminé en multipliant
le bloc constant3 (500) par 20ns.
Figure 36: Bloc de la M.L.I
3.8.4 Encodeur
L’encodeur utilisé est un encodeur en quadrature, ce qui implique qu’il
envoie trois signaux différents. Deux signaux sont constitués de 256 pulsations
par tour. Le troisième, l’ « index », envoie une pulsation par tour. Comme
l’encodeur est situé avant le réducteur de vitesse, pour un tour de bras
mécanique, le moteur en fait 93 donc le signal « Index » envoie 93 pulsations.
Le schéma suivant contrôle la logique de positionnement du bras. Un
accumulateur additionne ou soustrait les pulsations envoyées par le signal
« Index » dépendamment du sens de rotation. Le bloc présenté est composé
aussi de deux comparateurs. L’un pour limiter le mouvement à 77° (20
pulsations) et le second pour la position initiale (0). Le schéma est présenté à la
page suivante.
Figure 37: Schéma-bloc de l'encodeur
Pour détecter le sens de rotation du bras, il fut conclu d’utiliser les deux
signaux de 256 pulses par tour. En effet, ces deux signaux sont déphasés de
90°. Dans un sens, le signal A sera en avance et d ans l’autre, le B. De cette
façon, il suffit de détecter lors d’un front montant, lequel des deux est à 1. Il est
important d’ajouter un « ou exclusif » aux détecteurs de front montant, car les
deux signaux peuvent être à 1 en même temps. Comme le démontre la figure
suivante représentant les deux signaux. Le schéma bloc est présenté à la page
suivante.
Hall2 - Index Reinterpret
A=B
A<B
AddSub Register
A
B
Sub
Enable
d
Reset
Encodeur AB not
Rising Edge
InReset
Relational
A
B
Reset
Relational
0
Constante
A
B
20
Constante
S1
S2
D
C
ENB
Multiplexeur
1
Constante
OUT
AND
Figure 38: Détection des fronts montants selon le s ens du moteur
Donc, en résumé, si et seulement si l’un des deux détecteurs de front montant
est à 1, le comparateur sera mis en marche. Selon sa valeur, le bras évolue
dans un sens ou dans l’autre.
3.9 Conception mécanique
3.9.1 Conception du bras mécanique
Pour la conception du bras mécanique, nous avons choisi l’acier ASTM-
A36, qui possède une limite d’élasticité de 250 MPa, une résistance à la traction
de 410 MPa et un module de Young de 200 GPa. Les calculs suivants
démontrent que, avec une charge de 50 livres (22.7Kg), la plaque sur laquelle
reposent les jauges reste dans la zone du domaine élastique. La modélisation en
trois dimensions du bras mécanique est disponible en annexe figure 40.
3.9.2 Calcul de la contrainte avec la force maximal e appliquée
Les équations suivantes sont utilisées pour vérifier que la charge maximale de
50 livres garde le bras dans la zone du domaine élastique.
Contrainte : b c> de
f
Moment d’inertie : ? gh5
N
Centroïde : i h
Moment de force :
Déformation :
L = 0.064m b = 0.007615m et h = 0.00461m
3.9.3 Calcul de la masse maximale applicable
Comme nous connaissons la contrainte maximale applicable qui est égale à
250 MPa, on peut en déduire la masse maximale applicable sur la plaque.
On en conclut donc qu’avec la charge maximale applicable posée de 50lbs
on obtient une bonne marge de manœuvre (4,72).
3.9.4 Conception de l’adapteur pour le réducteur de vitesse
Pour ce qui est de la mécanique du projet, quelques arrangements ont été
nécessaires. En premier lieu, l’engrenage a dû être machiné, car il ne pouvait
pas être couplé à l’arbre du moteur. Il a donc fallu augmenter son diamètre
interne en lui enlevant du métal sur un tour.
Par la suite, vu le fait que le réducteur de vitesse ne pouvait pas être
directement fixé sur le moteur, un connecteur a dû être usiné. Les dimensions
de celui-ci sont représentées sur les figures 41-42-43 en annexe. Il est à noter
que les trous pour l’emplacement des 4 vis de fixation n’ont pas été dessinés sur
les plans, mais seront quand même percés lors de la réception du connecteur.
Ce connecteur laisse également place à un encodeur sur l’arbre du moteur. Cet
encodeur nous aidera pour le traitement de vitesse et également du sens de
rotation du moteur. L’index sert à compter le nombre de tours du moteur,
chaque tour envoie 256 pulsations. L’encodeur possède deux canaux, A et B,
c’est par c’est canaux que la détermination du sens de rotation ce fera. Si le
premier front montant est le canal A, le moteur tourne sens horaire, et si c’est
l’inverse le moteur tourne sens antihoraire.
4. Bilan des activités
4.1 Arrimage formation académique / application pratique du projet
Dans le cadre du projet 2010-187, plusieurs connaissances acquises lors du
baccalauréat ont été sollicitées. Divers cours ont été utiles, notamment le cours
de systèmes asservis, d’électronique, d’électronique de puissance, de
métrologie, d’électrotechnique, le cours de résistance des matériaux ainsi que
mécanique pour ingénieurs.
Les connaissances de système asservi nous ont grandement servis dans la
l’asservissement en boucle fermée du courant d’alimentation du moteur. Afin
que celui-ci développe un couple proportionnel au courant fourni. Pour les cours
d’électroniques, les acquis ont été utiles dans le design du filtre passe-bas et le
montage d’amplificateurs opérationnels d’ajustement du gain et de décalage. Le
cours de métrologie a été utile pour la théorie relative aux jauges de contraintes.
Le cours d’électronique de puissance a réellement été utile pour le contrôle des
MOSFET et également la programmation par bloc Xilinx. Pour finir, les cours
d’électrotechnique nous ont fourni les connaissances nécessaires sur les
moteurs ainsi que pour la conception de l’alimentation.
Pour le côté mécanique du projet, le cours de résistance des matériaux nous
a permis de dimensionner la plaque d’acier pour que celle-ci demeure en
déformation élastique. Le calcul de contrainte et la détermination du poids
maximum pouvant être appliqués sur le bras afin que la plaque ne passe pas le
point critique de la déformation plastique.
4.2 Travail d’équipe
L’équipe étant composée de deux personnes, soit Olivier Fortin et Jean-Michel
Tremblay. Les connaissances des deux ont été mises en œuvre pour ce projet.
Plusieurs compétences ont été acquises pour les deux partis, la maitrise du
logiciel Altium, ainsi que l’approfondissement des connaissances sur Matlab
Simulink/Xilinx. Une meilleure connaissance de l’asservissement des systèmes
et des méthodes/analyses afin d’y procéder. L’acquisition d’un meilleur contrôle
sur l’électronique telle que les montages d’amplificateur opérationnels pour des
filtres ou d’autres usages.
4.3 Respect de l’échéancier
L’échéancier a dû être retravaillé et ajusté tout au long du projet.
L’échéancier final se trouve en Annexe
4.4 Analyse et discussion
Ce projet fut grandement intéressant pour la partie d’analyse et de conception.
La seule faiblesse de celui-ci est qu’au début l’asservissement devait être fait par
automate, mais vu les coûts exorbitants pour l’acquisition d’une carte d’entrée
analogique de haute performance, ce projet fût détourné vers d’autres procédés.
Mais cela n’enlève en rien le fait que nous avons grandement appris lors de ce
projet et que toutes ces connaissances sont pour le plus bénéfique à notre
cause. Un manque de connaissances vis-à-vis Xilinx ainsi qu’un léger manque
de pratique en codage nous a empêchés de terminer la partie de
l’électromyogramme, ce qui est très décevant. La partie de l’électromyogramme
fonctionnait très bien lorsqu’on la simulait seule, mais aussitôt imbriquée dans
notre programme complet de l’asservissement, des erreurs de latences nous
apparaissaient. Ces erreurs ne donnent aucune information d’où elles
proviennent, ce qui rend le diagnostic plus ardu à réaliser. Plusieurs points
peuvent être améliorés, notamment l’utilisation d’un INA125 pour l’acquisition
des jauges de déformation. Ce circuit intégré permettrait d’obtenir un signal avec
moins de bruit. En résumé, nous avons réussi à concevoir un système
d’entrainement du bras fonctionnel et qui répond aux exigences du promoteur.
5. Annexe
Figure 39: Schéma électronique du pont en H
0.22
ufC
3
GND
D1G
2S 3Q
1
Q2
d1 Diod
e
Q3 Q
4
90V
12V
Hin1
Lin1
M+
M-
1uf
C1
Cap
0.22
uf
C4
GND
d2 Diod
e12
V
Hin2
Lin2
1uf
C2
Cap
GND
LinHin
GND12
V
90V
M-
M+
Vs4
HO3
VB2
Vcc
1
HIN
5
LIN6
CO
M7
LO8
U1 IR20
11
Vs4
HO3
VB2
Vcc
1
HIN
5
LIN6
CO
M7
LO8
U2 IR20
11
GND
Hin
LinHi
n1Hi
n2Lin
1Lin
2
GND
1G
ND1
Vin
Vout
GND
VR1
Volt
Reg G
ND
12V
5V
5V5V
0.1u
F
C6
0.33
uF
C5
Vcc
8
Vo7
Vena
ble
6
GND
NC1
A2
K3
NC4
U3 TLP2
200
Vcc
8
Vo7
Vena
ble
6
GND
NC1
A2
K3
NC4
U4 TLP2
200
5V
GND
5V
GND
12
P2 Head
er 2
12
P3 Head
er 2
12
P4 Head
er 2
12
P5 Head
er 2
100u
FC
7
20R3 20
R4
20R2
20R1
390
R6
390
R5
100n
FC
8
100n
FC
9
680u
F
C10
12
P1 Head
er 2
123
P6 Head
er 3
GND
1
D3 D Ze
ner
D4 D Ze
ner
D5 D Ze
ner
D6 D Ze
ner
Figure 40: Schéma 3D du bras mécanique
Figure 41: Cotation du connecteur
Figure 42: Vue cotée moteur du connecteur
Figure 43: Vue cotée réducteur de vitesse du connec teur
Figure 44: Adapteur pour le bras mécanique
Figure 45: Vue 3D de l'adapteur pour le bras mécani que
Figure 46: vu de dessus du PCB du pont en H
Figure 47: Vu de dessous du PCB du pont en H
Figure 48: PCB filtre de courant
Figure 49: Essai à rotor bloqué.
Figure 50: Bloc d'alimentation
Figure 51: Diagramme de Gantt