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Université du Québec à Chicoutimi MODULE D’INGÉNIERIE GÉNIE ÉLECTRIQUE PROJET DE SYNTHÈSE 6GIN555 Rapport final CONCEPTIOND’UNSYSTÈMED’ENTRAINEMENTDUBRASAVEC RÉTROACTIONÉLECTROMYOGRAPHIQUE 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

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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

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Approbation du rapport final pour diffusion

Nom du conseiller Hung Tien Bui

Date 22 Avril 2011

Signature

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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.

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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.

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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

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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

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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

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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.

Page 9: rapport final version 2_28april2011_thb

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.

Page 10: rapport final version 2_28april2011_thb

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.

Page 11: rapport final version 2_28april2011_thb

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.

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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

Page 13: rapport final version 2_28april2011_thb

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

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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

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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

Page 16: rapport final version 2_28april2011_thb

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

Page 17: rapport final version 2_28april2011_thb

(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

Page 18: rapport final version 2_28april2011_thb

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

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.

Page 19: rapport final version 2_28april2011_thb

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

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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

Page 21: rapport final version 2_28april2011_thb

. = /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.

Page 22: rapport final version 2_28april2011_thb

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

Page 23: rapport final version 2_28april2011_thb

Avec les équations mécaniques précédentes, nous obtenons comme

distance L une valeur de 6,4cm.

Page 24: rapport final version 2_28april2011_thb

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.

Page 25: rapport final version 2_28april2011_thb

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

Page 26: rapport final version 2_28april2011_thb

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

Page 27: rapport final version 2_28april2011_thb

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.

Page 28: rapport final version 2_28april2011_thb

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

Page 29: rapport final version 2_28april2011_thb

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

Page 30: rapport final version 2_28april2011_thb

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.

Page 31: rapport final version 2_28april2011_thb

Figure 16: Atténuation en Db du filtre passe-bas

Figure 17: Sortie du Filtre sur banc d’essai à 19KH z

Page 32: rapport final version 2_28april2011_thb

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.

Page 33: rapport final version 2_28april2011_thb

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

Page 34: rapport final version 2_28april2011_thb

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.

Page 35: rapport final version 2_28april2011_thb

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

Page 36: rapport final version 2_28april2011_thb

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 :

Page 37: rapport final version 2_28april2011_thb

Figure 22 : Sortie du filtre M.L.I environ 100%

Figure 23: Sortie du filtre M.L.I. environ 0%

Page 38: rapport final version 2_28april2011_thb

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

Page 39: rapport final version 2_28april2011_thb

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)

Page 40: rapport final version 2_28april2011_thb

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)

Page 41: rapport final version 2_28april2011_thb

Figure 28: Réponse réelle du système

Figure 29: Réponse réelle du système

Page 42: rapport final version 2_28april2011_thb

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

Page 43: rapport final version 2_28april2011_thb

Figure 30: Boitier du FPGA

Page 44: rapport final version 2_28april2011_thb

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

Page 45: rapport final version 2_28april2011_thb

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.

Page 46: rapport final version 2_28april2011_thb

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

Page 47: rapport final version 2_28april2011_thb

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).

Page 48: rapport final version 2_28april2011_thb

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.

Page 49: rapport final version 2_28april2011_thb

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.

Page 50: rapport final version 2_28april2011_thb

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

Page 51: rapport final version 2_28april2011_thb

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.

Page 52: rapport final version 2_28april2011_thb

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

Page 53: rapport final version 2_28april2011_thb

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).

Page 54: rapport final version 2_28april2011_thb

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.

Page 55: rapport final version 2_28april2011_thb

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.

Page 56: rapport final version 2_28april2011_thb

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

Page 57: rapport final version 2_28april2011_thb

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.

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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

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Figure 40: Schéma 3D du bras mécanique

Page 60: rapport final version 2_28april2011_thb

Figure 41: Cotation du connecteur

Figure 42: Vue cotée moteur du connecteur

Page 61: rapport final version 2_28april2011_thb

Figure 43: Vue cotée réducteur de vitesse du connec teur

Figure 44: Adapteur pour le bras mécanique

Page 62: rapport final version 2_28april2011_thb

Figure 45: Vue 3D de l'adapteur pour le bras mécani que

Page 63: rapport final version 2_28april2011_thb

Figure 46: vu de dessus du PCB du pont en H

Figure 47: Vu de dessous du PCB du pont en H

Page 64: rapport final version 2_28april2011_thb

Figure 48: PCB filtre de courant

Figure 49: Essai à rotor bloqué.

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Figure 50: Bloc d'alimentation

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Figure 51: Diagramme de Gantt