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Projet Pluritechnique Encadré réalisé par Papera Thomas, Schoen Robin, Guillaume Caroline & Gambini Julien.Lycée Astier, Aubenas, Terminale S section Sciences de l'ingénieur.Sujet : Vélo d'appartement.Le but de ce projet consistait à transformer l’énergie fournie par l’utilisateur en énergie électrique, d'en calculer et afficher la puissance effective et de dissiper cette énergie de manière visible.Les parties électronique et mécanique de ce projet furent traitées séparément.
Citation preview
PPE 1
Projet Pluritechnique Encadre
Groupe 4
PAPERA Thomas
GUILLAUME Caroline
GAMBINI Julien
SCHOEN Robin
PPE 2
Introduction........................................................................................................................................................................................ 3
Analyse Fonctionnelle ........................................................................................................................................................................ 4
Diagrammes « bête à cornes » ainsi que FAST du système : ......................................................................................................... 4
Etude mécanique ............................................................................................................................................................................... 6
Phase de conception du prototype ................................................................................................................................................ 7
Liaison roue-galet ....................................................................................................................................................................... 7
Etude de la liaison axe rotor – galet ........................................................................................................................................... 9
Etude du maintien du galet ...................................................................................................................................................... 10
Etude de la liaison galet – arbre ............................................................................................................................................... 16
Etude de la liaison axe rotor – arbre ........................................................................................................................................ 17
Etude de la fixation et du réglage de l’effort de pression Galet - Roue ................................................................................... 19
Visualisation numérique sur Solidworks....................................................................................................................................... 21
Les Solutions pour la création du produit final............................................................................................................................. 22
Modification : Liaison roue-galet entraîneur ........................................................................................................................... 22
Modification : liaison galet - arbre ........................................................................................................................................... 22
Modification : Etude du maintien du galet .............................................................................................................................. 23
Modification : Etude de la liaison galet – arbre ....................................................................................................................... 23
Modification : Liaison Axe rotor - Arbre ................................................................................................................................... 24
Annexe : pièces utilisées pour le prototype ................................................................................................................................. 25
Etude électronique ........................................................................................................................................................................... 26
Programmation............................................................................................................................................................................. 26
Acquisition et Affichage de la puissance fournie en temps réel .............................................................................................. 26
Configuration et programmation du transistor de puissance .................................................................................................. 27
Réalisation d’un menu interactif .............................................................................................................................................. 27
Amélioration du rendu final ..................................................................................................................................................... 28
Circuit Electronique ...................................................................................................................................................................... 29
Prototype électronique ............................................................................................................................................................ 29
Circuit électrique final .............................................................................................................................................................. 30
Problèmes non-résolus ............................................................................................................................................................ 32
Annexes ........................................................................................................................................................................................ 32
Transistor ................................................................................................................................................................................. 32
Microcontrôleur ....................................................................................................................................................................... 32
Carte à Boutons Poussoirs ........................................................................................................................................................ 33
Carte Prototype ........................................................................................................................................................................ 33
Carte à LEDs.............................................................................................................................................................................. 33
Afficheur LCD ............................................................................................................................................................................ 34
Résistances ............................................................................................................................................................................... 34
Conclusion ........................................................................................................................................................................................ 35
PPE 3
Introduction
Nous avons choisi de travailler sur le vélo d’appartement car c’était un sujet qui offrait une multitude de possibilités
et qui comportait une partie mécanique et une partie électrique d’importances égales. La problématique à laquelle
nous devions réaliser une solution technique était la suivante : A partir d’un vélo d’appartement et d’un générateur
électrique, concevoir le système de conversion d’énergie. Autrement dit, ce projet consistait à transformer l’énergie
fournie par l’homme en énergie électrique et de dissiper cette énergie de manière visible. Le cahier des charges
fonctionnel imposait de concevoir une solution mécanique afin d’entrainer le générateur grâce à la roue avant du
vélo, d’acquérir en temps réel l’intensité ainsi que la tension fournie par ce générateur afin d’obtenir et d’afficher la
puissance fournie par le cycliste, et enfin d’imposer une charge résistive variable du générateur, avec un réglage par
électronique programmée.
Nous avons choisi de nous répartir suivant la manière suivante :
PAPERA Thomas et SCHOEN Robin travaillant sur la partie Mécanique du projet.
GUILLAUME Caroline et GAMBINI Julien travaillant sur la partie Electrique du projet.
PPE 4
Analyse Fonctionnelle
Diagrammes « bête à cornes » ainsi que FAST du système :
Utilisateur (Cycliste)Energie en Entrée
(Energie mécanique fournie)
Vélo+
Moteur (Générateur)
Convertir l’énergie mécanique en énergie électrique et en extraire la puissance fournie par l’utilisateur
Le produit rend service à l’utilisateur, ici le cycliste. Il agit sur l’énergie fournie par l’utilisateur (énergie mécanique) dans le but de la transformer en énergie électrique afin de calculer la puissance fournie par l’utilisateur.
PPE 5
Convertir l’énergie
mécanique humaine
en énergie électrique
Entraîner le moteur
grâce au mouvement
de rotation de la roue
Moteur à courant
continu
Entraîner par friction
Convertir l’énergie
Galet
Maintenir le galet
Eviter le porte-à -faux
Pièce en forme de U
Lier le galet à l’axe
du rotor
Arbre
Fixer le galet à
l’arbre
Provoquer la rotation
de l’arbre
Goupille
Permettre la rotation
de l’arbre dans la
pièce en U avec
glissement
Coussinet à collerette
Fixer l’arbre au rotor
du générateur
Vis de pression
Fixer le système
conçu
Assurer sa mobilité
Plaque de bois
Permettre un réglage
de pression entre la
roue et le galet
Lumières usinées sur
la plaque
Calculer la puissance
en temps réel et la
dissiper de manière
visible
Acquérir
l’information
Commander et gérer
des intervalles de
puissance
Afficher la puissance
en temps réel
Carte électronique
ECIO40P
Transistor
IRFZ44NPbF
Carte électronique
ECIO40P
Afficheur
EB005-00-3
PPE 6
Etude mécanique Le but de cette partie est de créer une solution technique permettant d’entrainer le générateur grâce à la roue du
vélo. Autrement dit, cette partie du projet consiste à créer un ensemble de pièces assurant la liaison entre la roue et
le rotor.
LE CAHIER DES CHARGES
DESCRIPTION DU SYSTEME
PPE 7
Phase de conception du prototype
Liaison roue-galet
Tout d’abord, les professeurs nous ont imposé une vitesse de pédalage variant de 60 à 100 tours par minutes.
60 tr/min < Vpédalage < 100 tr/min
ETUDE PROTOTYPE :
Nous avons donc procédé à un test d’effort de pédalage pour l’utilisateur. A l’aide d’un tachymètre sans contact,
nous avons mesuré la cadence de pédalage correspondant à l’intervalle demandé. GAMBINI Julien s’est proposé
pour pédaler. Il en a fait le constat suivant, 100 tr/min est un rythme élevé mais soutenable sur plusieurs minutes, 60
tr/min reste un rythme de repos où l’effort fourni est moindre.
Ensuite, nous avons calculé ce que les cyclistes appellent couramment le « braquet », c’est-à-dire le rapport :
=
= 2.9
Cela nous a permis de connaître la vitesse de rotation de la roue par rapport à la vitesse de pédalage de l’utilisateur. Ainsi, lorsque l’utilisateur fait un tour de pédales, la roue fait environ 2.9 tours. Puis, nous avons calculé le rapport de transmission entre la roue et le galet :
=
= 5
Il vient ainsi que lorsque la roue fait 1 tour, le galet en fait quant à lui, 5. Par conséquent, sachant que la vitesse de pédalage maximale imposée est de 100 tr/min, la vitesse de rotation maximale de la roue est donc de 290 tr/min. On en conclu que la vitesse de rotation maximale du galet est de 1450 tr/min.
Le cahier des charges impose une liaison entre la roue et le galet par friction. C’est la raison pour laquelle nous avons gardé le galet fourni par les professeurs. Puis nous avons remarqué pour que la liaison roue-galet entraîneur se fasse correctement, il fallait exercer une force continue du galet pour éviter tous glissements afin de transmettre l’énergie mécanique crée par la roue du vélo.
PPE 8
PHOTOS PROTOTYPE :
Schéma de principe
Force constante pour le contact roue- galet
Schéma de principe
Roue du vélo
Maintien
PPE 9
PROBLEMES OBSERVES AVEC LE PROTOTYPE :
Etude de la liaison axe rotor – galet Pour pouvoir fixer le galet à l’axe rotor du générateur, nous avons choisi de passer par l’intermédiaire d’un arbre. Ainsi, nous pouvons éloigner le générateur du galet et par conséquent éviter tout encombrement entre le générateur et la roue ou encore entre le générateur et le cadre du vélo (fourche avant fixant la roue).
ETUDE PROTOTYPE : En ce qui concerne le dimensionnement de l’arbre, nous avons choisi un diamètre de 18mm car le galet réutilisable comportait déjà une extrusion de même diamètre en son centre. Pour sa longueur, après avoir mesuré la distance séparant la roue de l’extrémité du cadre du vélo, nous avions tout d’abord choisi 110mm.
PPE 10
Etude du maintien du galet La question du maintien du galet était selon nous, un élément important de notre projet. La liaison Galet/Roue par friction impose un effort pour éviter tous glissements et ainsi optimiser le rendement du système. De plus, nous avons eu une certaine appréhension quant au fait que l’effort de pression pour assurer au mieux la liaison de friction « pousse » le galet et pourrait donc risquer d’endommager l’axe moteur ou même le galet. Pour assurer ce maintien, nous nous sommes tout de suite penchés sur la solution qui consistait à créer une pièce en forme de U pour être sûr de maintenir le galet des deux côtés. Ainsi, nous avons donc envisagé une liaison pivot entre la pièce en U et le galet. Pour se faire, nous avons privilégié le « montage en chape » qui permet la réalisation d’une liaison pivot de manière rapide et économique.
ETUDE PROTOTYPE :
Schéma de principe
Au départ, nous nous posions des questions sur la qualité et la durée de ce montage compte tenu qu’il est adapté pour des efforts et vitesses faibles. Nous pensions que notre vitesse de rotation maximale du galet qui est de 1450 tr/min était trop élevée, tout comme l’effort de pression pour assurer au mieux l’entrainement par friction et éviter les pertes. Nous en avons donc parler aux professeurs qui nous ont indiqué que le « montage en chape » supportera sans problèmes les caractéristiques de notre système, d’autant plus que le vélo ne servira pas tous les jours.
PPE 11
DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS PROTOTYPE :
PHOTOS PROTOTYPE : Nous ne nous attarderons pas sur le dimensionnement de cette pièce, car elle a rapidement été modifiée par un de
nos professeurs pour y insérer des macarons permettant l’accueil de coussinets dont nous évoquerons le choix sur la
partie suivante. Cette personne s’est servie de la même base que celle de la pièce que nous avions auparavant
dessinée, il a ainsi conservé la hauteur de la pièce pour garder le même axe de révolution mais il en a modifié la
largeur pour la fixation des macarons.
Schéma de principe
En ce qui concerne le dimensionnement de la pièce en U, nous avions au départ choisi une largeur supérieure de 1mm à la largeur du galet de manière à avoir un jeu dans le but de laisser le galet se centrer seul avec la puisque la surface de contact du galet n’est pas plane mais très légèrement conique car la pièce a dû être réalisée par moulage. En ce qui concerne la hauteur de la pièce en U, nous avons choisi 75mm. Pour définir ce choix, nous sommes partis de la hauteur séparant la surface de contact du générateur avec le sol, au centre de l’axe du rotor qui était de 56mm. De plus, comme vu précédemment, l’arbre qui assure la liaison entre le galet et le générateur a un diamètre de 18mm, soit un rayon de 9mm. Ainsi, nous avons ajouté ce rayon aux 56mm précédents ce qui faisait 65mm. Enfin, nous avons ajouté 10mm de matière pour assurer la fiabilité de la pièce ce qui donnait au final une hauteur de 75mm. Les deux perçages pour faire passer l’arbre sont donc centrés à une hauteur de 56mm et ont pour rayon 9mm.
PPE 12
PROBLEMES OBSERVES AVEC LE PROTOTYPE :
La pièce en U, usinée par pliage n’a pas pu être usinée avec des angles droit mais seulement s’en rapprochant
(environ 87-89° de chaque côté) ce qui créait un jeu puisque l’axe du rotor n’était pas totalement aligné avec l’axe de
notre arbre. Ainsi, il fallait régler la question des angles de pliage de la pièce en U. Nous avions pensé à percer deux
trous de part et d’autre de la pièce en évitant le contact avec le galet pour y faire passer deux vis avec écrous et
jouer sur le serrage de ces deux vis pour rétablir un angle de 90°. D’autre part, la pièce en U a aussi été bombée sur
le dessous lors du pliage.
Etude de la liaison de pivot de l’arbre dans la pièce en U
ETUDE PROTOTYPE :
Pour assurer la rotation de l’arbre par rapport à la pièce en U qui est fixe, deux solutions s’offraient à nous, des coussinets à collerette ou des roulements à billes.
PPE 13
Vitesse de rotation du galet :
ωgalet =
= 152 rad/s
Vitesse linéaire du galet :
De plus, d’après le GDI (Guide du Dessinateur Industriel) ; P = 1.5 MPa. Une fois la vitesse et la pression connue, nous avons recherché l’effort correspondant.
Or, par définition : D’où : = 594 N On en conclut donc que l’effort maximal que l’on peut imposer sur les coussinets est de 594 N, et par
conséquent que la poussée de la roue sur le galet devait être inférieure à 594 N. Or, après discussion avec les professeurs, nous avons validé le choix de coussinets à collerette puisque nous cherchions juste à trouver une adhérence donc un effort bien moindre aux 594 N. Nous avons donc commandé deux coussinets sur le site internet de HPC La référence des coussinets est METC 18-22-22. Les deux coussinets que nous avons commandés sont en bronze puisqu’ils peuvent supporter une vitesse linéaire de 5m/s et nous sommes à 1.368m/s. Les coussinets en polymère ne pouvaient quant à eux seulement 1.2m/s. Mise en plan coussinet :
PPE 14
Pièce SOLIDWORKS :
Schéma de principe
Solution adoptée
PPE 15
PHOTO PROTOTYPE :
PROBLEMES OBSERVES AVEC LE PROTOTYPE :
Nous avons pu remarquer la
présence de jeu, comme vu
précédemment :
Le désaxage de la roue par
rapport au galet
Le galet ne s’autocentre pas à
cause du désaxage, il y a donc
une création de frottement
PPE 16
Etude de la liaison galet – arbre Nous nous sommes ensuite penchés sur la liaison reliant le galet à l’arbre. Le galet, lors de son mouvement de rotation avec la roue, doit pouvoir entrainer l’arbre qui lui doit entrainer le rotor du générateur.
ETUDE PROTOTYPE : Pour lier le galet à l’arbre, nous avons tout de suite pensé qu’il fallait éviter toutes pertes, glissements, frottements. Pour nous, le plus simple nous a semblé de mettre une goupille à travers le galet et l’arbre, pour fixer ces deux pièces qui formeraient par conséquent un groupe cinématique. Ainsi, la rotation du galet au contact de la roue du vélo entrainerait par la même rotation, l’arbre moteur.
Coussinets
Axe
Support coussinet
Flexion du support en U
Goupille
Liaison Complète
Schéma de principe
La pièce en U, sous la pression
exercée par la roue du vélo sur
le galet, se déforme. Il y a une
flexion du support en U.
PPE 17
PROBLEME OBSERVES AVEC LE PROTOTYPE : Passage difficile de la goupille pour le montage et le démontage.
Etude de la liaison axe rotor – arbre Maintenant que la stabilité du galet est assurée, que le galet entraîne l’arbre et que l’arbre peut tourner, il ne reste plus qu’à étudier la liaison pour relier l’axe du rotor à l’arbre et ainsi entraîner le générateur en pédalant.
ETUDE PROTOTYPE : Nous avions tout de suite remarqué que l’axe du rotor était taraudé. Nous avions donc pensé à faire un trou taraudé dans notre arbre mais, les professeurs nous ont affirmé qu’il fallait que le système puisse tourner dans les deux sens. D’autre part, nous avons donc pensé se servir des deux méplats qui étaient sur cet axe du rotor et donc de relier l’arbre à celui-ci par deux vis de pression, une sur chaque méplat. Nous avons donc ajouté deux perçages à notre arbre.
Mise en plan :
PPE 18
Photo SOLIDWORKS :
Schéma de principe
Détails de la liaison
PPE 19
PHOTO PROTOTYPE :
Etude de la fixation et du réglage de l’effort de pression Galet - Roue La dernière partie de notre réflexion concerna la fixation de toutes les pièces au plateau du vélo. Les professeurs
nous ont imposé un réglage de sorte à pouvoir déplacer notre ensemble pour faciliter les améliorations ou le
démontage. Nous avons tout de suite choisi de pouvoir créer ces réglages par des lumières. Cependant, nous
voulions au départ pouvoir créer plusieurs lumières pour déplacer notre ensemble horizontalement comme
verticalement et même en rotation. Seulement, cela imposait de créer plusieurs plaques de fixations et des usinages
qui s’avéraient longs et complexes. Les professeurs nous ont donc indiqué qu’il fallait se concentrer sur le réglage
vertical, celui-ci étant le plus important pour faire varier la pression sur le galet ou encore faciliter le démontage.
ETUDE PROTOTYPE :
PHOTOS PROTOTYPE :
Schéma de principe
Nous avons donc choisi de faire une seule plaque en bois
sur laquelle nous avons fixé tout l’ensemble par
l’intermédiaire de vis-écrous, en rentrant les têtes de vis
dans le bois. Dans cette même plaque, nous avons choisi
de percer deux lumières à chaque extrémité pour assurer
le réglage en profondeur. En ce qui concerne le
dimensionnement des perçages, nous nous sommes
adaptés aux vis qui nous étaient proposées.
PPE 20
PROBLEMES OBSERVES AVEC LE PROTOTYPE :
Générateur
Concentricité
ParallélismeFaux rond
Réglage par cales
L’insertion des macarons
dans la pièce en U a
légèrement déplacé l’axe de
révolution de l’arbre qui était
encore plus décalé par
rapport à l’axe du rotor.
Nous avons donc essayé un
réglage par cales.
PPE 21
Visualisation numérique sur SolidWorks
Avant de passer à l’usinage, nous avons préféré créer nos pièces sur le logiciel SolidWorks, puis nous les avons
assemblées de façon à tester les solutions que nous avions envisagées avec MECA3D. Nous avons ainsi pu valider nos
solutions.
Générateur
Réglage par les vis de fixation du générateur
Concentricité
Parallélisme Faux rond
PPE 22
Les Solutions pour la création du produit final
Modification : Liaison roue-galet entraîneur
Produit final : Devant le problème rencontré nous avons décidé d'en utiliser un en caoutchouc, pour que la roue adhère correctement au galet. De plus, nous avons changé la forme de celui-ci pour un auto-centrage avec la roue.
Modification : liaison galet - arbre
Produit final : Pour le dimensionnement de l'arbre, un diamètre de 20 mm, pour le nouveau galet. Pour la longueur, il suffit que l'arbre soit supérieur ou égal à 110 mm.
AXE
Auto centrage
Déplacement de l’axe et du galet
Liaison complète
Galet modifié
PPE 23
Modification : Etude du maintien du galet
Produit final : Suite aux différents problèmes rencontrés, un jeu se créait, ce qui rendait difficile l'entrainement du galet. Pour y remédier, nous avons décidé d'utiliser une plaque en aluminium sur laquelle nous avons fixé deux rectangles en aluminium perpendiculairement à la plaque de manière à remplacer la pièce en U. Avec ce système nos angles étaient respectés et le système ne subissait plus de déformations.
Modification : Etude de la liaison galet – arbre
Produit final : En décidant d'utiliser une goupille pour fixer le galet par rapport à l'axe, le système formait un groupe cinématique et il n'était plus possible de le démonter. C'est pourquoi nous avons décidé de coller le galet à notre axe. Il est toujours possible de démonter et la liaison est assurée.
La pièce en U n'était plus utile dans notre projet. De plus l'arbre utilisé pour notre prototype n'était pas du même diamètre que celui du projet final. C'est pourquoi nous avons remplacé les coussinets par des roulements à aiguilles, que nous avons pu récupérer gratuitement. Ces roulements à aiguilles nous permettent d'avoir une vitesse du galet supérieure tout comme le rendement car les frottements sont diminués. Enfin le fait d'utiliser des coussinets nous a encore fait gagner du jeu au niveau de l'axe. Le fait d'utiliser des roulements à aiguilles nous permet aussi d'être plus précis.
PPE 24
Modification : Liaison Axe rotor - Arbre
Produit final : Le fait de pouvoir faire quelques réglages au niveau de l'axe du rotor grâce aux vis de pression nous permettait de palier un minimum face au défaut de l'axe du rotor (suite à l'usure et à une chute). Nous avons donc conservé cette idée. Mais nous avons décidé de rajouter une pièce pour assurer la liaison entre l'axe du rotor et l'axe de notre arbre.
Pour créer la liaison entre l’arbre et l’axe du rotor
nous avons utilisé une liaison annulaire qui permet
un mouvement de translation de l’arbre et du galet
de gauche à droite pour compenser le désaxage de
la roue.
Les mouvements
Transmission
Schéma de principe
PPE 25
Annexe : pièces utilisées pour le prototype Pièces fournies :
Le vélo d’appartement : Taille adulte. Entrainement de la roue par Plateau – Pignon – Chaîne. Le générateur : MY1016 – 450W – 36V – 2000 tr/min
Le galet : Pièce utilisée pour les projets pluritechniques encadrés lors de l’année 2011 que l’on a choisi de récupérer
pour éviter des usinages supplémentaires.
C’est ce galet qui assure l’entrainement par friction de la roue.
Goupille : Diamètre 3mm, longueur 30mm
2 Vis de pression : M5, longueur 8mm
8 vis et écrous pour fixer la pièce en U ainsi que 2 vis et écrou avec rondelles pour passer dans les lumières.
Pièces Commandées
2 coussinets à collerette : Matière bronze
Pièces réalisées et usinées
Un arbre qui assure la liaison mécanique avec le générateur :
Une Pièce en forme de U qui assure le maintien de l’ensemble Galet + Arbre et la coaxialité avec l’arbre moteur.
Une Plaque pour l’ensemble réalisé comportant deux lumières ainsi que 8 trous lamés pour rentrer les têtes de vis.
PPE 26
Etude électronique Les but de cette partie est de concevoir une solution électrique permettant d’acquérir le courant et la tension en
sortie de moteur et ainsi afficher la puissance fournie par le moteur. Il sera ensuite rajouté différentes commandes
pour l’utilisateur.
Programmation La programmation a été réalisée grâce au logiciel Flowcode et fut la partie la plus longue à réaliser. Elle sera menée à
bout en trois phases distinctes correspondant chacune à un programme qui sera amélioré tout au long du projet.
Acquisition et Affichage de la puissance fournie en temps réel
Nous avons décidé d’utiliser la carte E-block prototype (EB01630) afin de pouvoir concevoir notre circuit
électronique et ainsi acquérir le courant et la tension. L’afficheur LCD (EB005-00-3) nous permettra d’afficher les
données désirées comme la puissance par exemple. Nous avons pensé à ajouter des LEDs (EB004-00-2) pour rendre
le produit ergonomique et ludique vis-à-vis de l’utilisateur.
Un premier programme a été conçu afin de nous familiariser à nouveau avec le logiciel que nous n’avions pas utilisé
depuis quelques temps. Le programme consistait tout simplement à récupérer le courant et la tension fournie à la
sortie du moteur, effectuer le produit des deux afin d’obtenir la puissance suivant la formule suivante :
Il a fallu faire concorder les entrées et les sorties du microprocesseur avec les connexions attribuées dans le
programme.
Nous avons donc choisi de mettre les acquisitions du courant et de la tension sur le port A du microprocesseur car
c’est un des ports comprenant le moins de connexions. L’afficheur LCD a besoin de 6 connexions, nous l’avons donc
connecté sur le port B. Les diodes électroluminescentes ont été connectées sur le port C.
Les premiers essais furent réalisés sans les LEDs. Lors du premier test, aucun composant ne semblait réagir. Nous
avons donc décidé de revoir notre programme, en vain. Nous suspections alors les composants. Après les avoir
changé et refait des essais, nous nous sommes rendu compte que le microprocesseur et l’afficheur ne fonctionnaient
pas.
Après le changement, le résultat de notre travail n’était pas convainquant puisque l’acquisition était mauvaise et
l’afficheur annonçait 0 watts, 0 volts et 0 ampères. Le problème venait de l’acquisition, les valeurs étaient lues en
tant que tension, or le microprocesseur ne prend en charge que les nombres entiers ou les octets.
Nous avons ensuite rajouté un seul intervalle de puissance à fournir afin de configurer les LEDs. L’intervalle n’était
pas défini et n’avais pas d’importance pour les tests. Les LEDs furent donc configurées. La simulation fonctionnait à
présent à merveille, mais lors de la compilation, les LEDs 4 et 5 ne fonctionnaient pas. Le problème n’est toujours
pas résolu, nous avons donc choisi de le contourner en ne connectant seulement les LEDs 0, 1, 2, 6 et 7.
Il restait alors à calibrer les valeurs affichées avec celle données par l’alimentation lors des essais, pour cela il a suffi
simplement de diviser les valeurs entrantes avec le bon coefficient. Ce programme était très concis et simple. Il ne
contenait pas de macros, simplement un algorithme principal. Il fut enregistré afin de ne pas perdre le travail
effectué.
PPE 27
Configuration et programmation du transistor de puissance
Nous avons copié le programme précédent l’avons amélioré de manière à ajouter la commande du transistor de
puissance (PWM). Ce composant servira à faire forcer l’utilisateur en fonction du travail qu’il fournit. Lorsque
l’usager sera au-dessus de l’intervalle de puissance, le PWM enverra du courant au moteur afin de le faire forcer.
Quand l’utilisateur sera en-dessous de cet intervalle, le PWM diminuera le courant envoyé au moteur afin de faciliter
l’effort de l’utilisateur.
Nous avons découvert cette fonctionnalité dans Flowcode au cœur de ce PPE. Nous nous sommes donc documenté
sur la fonction de PWM. La configuration se fait grâce à un cycle de courant.
Le transistor ne laissera passer le courant que par intermittence, ici le transistor laisse passer 29% du courant total.
Une macro a été créée afin de placer les fonctions du PWM dans l’algorithme principal.
Nous n’avons rencontré qu’un seul problème dû au PWM, le brochage de celui-ci. La commande du transistor
s’effectue sur le port C 1 (broche 16). Or il y a déjà une LED connecté sur cette broche. Nous avons donc désactivé la
LED correspondante et nous n’utiliserons que les LEDs 0, 2, 6 et 7. Le problème restant étant de connecter la patte
du transistor à cette broche. Nous sommes aujourd’hui incapables de résoudre le problème.
Réalisation d’un menu interactif
Les fonctionnalités du cahier des charges étant réalisées, nous avons choisi de faire un menu
afin que l’utilisateur sélectionne l’intervalle de puissance qu’il souhaite en fonction de son
niveau de performances par exemple.
Pour cela nous avons fait appel à une nouvelle macro et nous avons dû rajouter des boutons.
Nous les avons donc connecté sur le port D. Le port D est le port le plus complet et nous
permet donc de pouvoir utiliser tous les boutons. Nous avons choisi d’utiliser la carte de
boutons poussoirs (EB007-00-1). Lorsque le programme se déroule dans l’algorithme principal,
un seul bouton est actif et permet de rentrer dans le menu. Ce même bouton permettra
ensuite de valider le choix de l’utilisateur et donc de retourner dans l’algorithme principal. Les
autres boutons permettent de sélectionner des intervalles différents (voir fig. 2).
Nous n’avons pas rencontré de problèmes particuliers dans la réalisation de ce menu.
En revanche, nous ne savions pas exactement quels intervalles mettre dans celui-ci et nous
comptions modifier cela lors des essais réels une fois la partie mécanique terminée.
Figure 2
Figure 1
PPE 28
Amélioration du rendu final
Une fois le programme terminé, nous avons décidé d’améliorer le rendu final en soignant la présentation du
programme sur le logiciel et en ajoutant quelques petites modifications :
Un bouton de marche/arrêt a été ajouté.
Les annotations de chaque bouton, chaque LEDs, du DutyCycle ont été créées.
Des messages pour l’utilisateur ont été ajoutés comme lors de la validation de l’intervalle de puissance, la
mise en marche ou l’arrêt, l’entrée dans le menu.
Figure 3
PPE 29
Circuit Electronique
Prototype électronique
La partie mécanique et électrique du projet étant séparées, il a fallu tester la programmation sans les composants
mécaniques finals. Pour cela nous disposions d’une alimentation externe simulant l’énergie fournie par le moteur en
phase générateur. Le circuit électronique fut donc adapté à ces conditions :
PPE 30
Nous avons créé un pont diviseur résistif de tension car selon la vitesse de rotation et les caractéristiques du moteur,
le courant fourni serait trop élevé pour les composants électriques du circuit.
En simulation, nous avons pris deux tensions variables de 0 à +5 V. Ces tensions seront divisées par 10 selon le calcul
suivant :
Les résistances autour du point A sont de plus faibles valeurs car la Résistance sera remplacée par une résistance
variable qui permettra de dissiper l’énergie fournie par le cycliste (sous forme de chaleur). C’est pour cela qu’une
résistance de faible valeur ( ) a été placée entre l’acquisition du courant et la masse du circuit.
Les tests du circuit ont été satisfaisants. Nous n’avons pas rencontré de problèmes particuliers.
Il fallait à présent réaliser le montage final raccordé au moteur.
Circuit électrique final
Après avoir créé le prototype, nous avons conçu un nouveau circuit électrique en fonction du PWM, du moteur et de
la résistance variable :
Nous avons rajouté le transistor de puissance en série avec le moteur afin de gérer le rapport cyclique de courant
variable de ce dernier. Il est relié à la broche 16 du microprocesseur par défaut.
PPE 31
Nous avons rencontré différents problèmes au cours de cette phase de réalisation,
Premièrement, la commande du transistor se situe sur la broche 16 (port C 1), par conséquent, la LED 1 connectée
sur le port C s’allume en fonction du signal électrique émis par le PWM (éclairage de la LED estompé). Nous avons
donc essayé de contourner ce problème en changeant la broche associée à la commande du transistor :
PPE 32
En appliquant ce changement, le PWM est connecté à la broche 36. Malheureusement, lors des nouveaux essais, le
signal émis par le PWM se situait toujours sur la broche 16 …
Deuxièmement, un des gros problèmes que nous avons rencontré était que la partie mécanique n’étant pas encore
terminée, nous ne pouvions pas réaliser de tests en conditions réelles, avec le moteur. Nous ne savions donc pas
comment configurer les rapports entre les tensions et les courants entrants et sortants, et nous ne savions pas
exactement comment configurer les caractéristiques du PWM (voir fig. 4).
Problèmes non-résolus
Aujourd’hui, il reste encore des points sur lesquels nous n’avons pas su faire la lumière.
D’abord le transistor n’est pas soudé comme il le faudrait en série avec notre générateur (moteur).
Nous n’avons pas su connecter la commande du transistor sur le port C déjà utilisé par l’ensemble des LEDs.
Annexes
Transistor
Le transistor IRFZ44NPbF conçu par International Rectifier est un transistor MOSFET de polarité N-Channel.
Courant débité continu : 49 A
Tension VDS maxi. : 55 V
Dissipation de puissance : 94 W
Résistance : 17,5 mΩ
Microcontrôleur
L’ECIO40P (PIC18F4455) est un circuit intégré de 40 broches.
G D
S
PPE 33
Carte à Boutons Poussoirs
La carte de boutons poussoirs EB007-00-1 comporte 8 boutons à deux positions : 1 et 0.
Lorsqu’un des boutons est enfoncé, un courant de 5 V est délivré. Lorsque le bouton est au repos aucun courant
n’est délivré (0 V).
Carte Prototype
La carte prototype EB-016-00-2 comporte trous de contacts électriques. Elle se connecte à l’ECIO40 par
l’intermédiaire de deux fiches.
Carte à LEDs
La carte à LEDs EB004-00-2 possède 8 LEDs alimentées en 3,3 V.
PPE 34
Afficheur LCD
L’afficheur LCD EB005-00-3 peut afficher jusqu’à 16 caractères simultanément sur deux lignes de 9 caractères. Il n’a besoin que de 5 connexions à l’ECIO40 afin de fonctionner. Son alimentation se fait sous 14 V. Ici les caractères pouvant être affichés :
Résistances
Dans le circuit électronique nous utilisons 4 résistances dont une résistance variable.
PPE 35
Conclusion
Pour conclure, nous sommes satisfaits du résultat de notre Projet Pluritechnique Encadré. Le prototype que nous
avons conçu en classe nous a permis de voir concrètement les différents problèmes de conception et nous a été utile
comme base du produit final. Celui-ci, en revanche, nous le trouvons très convaincant puisque nous avons réussi à
régler les défauts du prototype, ajouté au fait qu’il est plus esthétique. Nous avons réussi à répondre aux attentes
des professeurs concernant la réalisation d’un système de conversion d’énergie. Enfin, nous tenons à remercier
SCHOEN Michel, qui nous a été d’une aide précieuse pour la réalisation du produit final et la récupération de
matériaux. Malgré quelques petits problèmes rencontrés durant la phase de conception électrique, La
programmation a été réalisée de manière complète. En revanche, en ce qui concerne la réalisation du circuit
électronique, il restera quelques points qui n’auront pas su être résolus.
Ce projet nous a permis de développer un esprit d’équipe, chacun confrontant ses idées et s’adaptant à celles des
autres, ainsi que de prendre des décisions, ce qui nous offre un aperçu du travail d’ingénieur. Nous avons aussi
développé de nouvelles connaissances et réactualisé certaines acquises par le passé.