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Deuxième partie : de l’idée à la mise en oeuvre.

Passons donc, comme promis, à la construction de ce capteur de vitesse ET sens de rotation.

D’abord, dessiner le patron. Je choisis de faire 3 largeurs de franges sur 24 degrés selon le dessin suivant (Fig 4).

Fig. 4 : Patron du premier codeur

Les fronts « noirs » seront régulièrement répartis tous les 8° dans le sens trigo, cette répartition régulière pourra être la base de la mesure de vitesse, en se basant sur les fronts montants pour un sens de rotation, descendants pour l’autre sens. La première frange occultante aura 2° de large, la deuxième 4°, et la dernière 6°. Ceci répété 16 fois pour faire le tour. J’aurai donc une roue dentée à 48 créneaux par tour, ce qui suffit bien pour la précision dont j’ai besoin. Le premier prototype sera fait d’une roue dessinée sur l’ordinateur, imprimée sur un film transparent, découpée grâce aux petits ciseaux de couturière piqués à ma charmante épouse, et collée à nouveau sur un bouton de potentiomètre placé sur l’arbre moteur. Résultat nul : imprimante jet d’encre sur film transparent = pas du tout opaque, les variations de signal sont trop faibles. Je l’imprime sur du papier blanc, collé sur film plastique pour rigidifier, puis découpé aux ciseaux : c’est mieux au niveau du signal, mais mes découpes sont imprécises et les différences de largeurs de bandes sont trop irrégulières pour permettre une détection fiable du sens de rotation. C’est en plus très fragile. Néanmoins, le principe est validé : les créneaux obtenus à l’oscillo étant bien identifiables lorsque la fabrication des encoches est correcte (voir photo 5).

Photo 5 : Codeur « papier »

Je construis un modèle STL, en réduisant un peu la résolution pour faciliter la fabrication (10 séries de 3 encoches sur 360° au lieu de 16)  et l’imprime sur une RepRap… mais le plastique est trop translucide et je ne peux pas augmenter l’épaisseur sinon elle ne passera plus dans la fourche !! De plus la précision de la Reprap est trop limite, et les bords pas nets car les fils de PLA (le plastique utilisé) bavent un peu… les durées différentes sont difficilement identifiables (illustration 6).

Illustration 6 : Mauvais signal avec la roue en PLA

Tant pis, je passe à l’imprimante 3D Z-builder (flashage de résine UV par un vidéo projecteur) à laquelle j’ai aussi accès (merci Gi-Nova, et merci Christofer !) et obtiens enfin un modèle suffisamment précis, rigide, opaque… (illustration 7) qui va permettre de mesurer vitesse et sens de rotation de mes moteurs (vitesses variant de -120 à +120 tr/min).

Illustration 7 : Roue en résine photosensible

Et voici la roue codeuse sur le système final en cours d’assemblage… (photo 8).

Photo 8 : Roue codeuse en place

Pour la partie logiciel :

Afin de compter de manière fiable les fronts, j’ai opté pour l’utilisation d’interruptions, une qui compte les fronts montants et enregistre leurs dates, une autre pour les fronts descendants. Sur l’Arduino, le plus simple et fiable que j’ai trouvé est d’utiliser 2 entrées différentes pour cela (et comme entre temps j’ai investi dans un MEGA, cela ne me pose plus de gros soucis ). Le programme principal calcule alors la largeur (durée) des créneaux par différence de dates, conserve toujours les 3 derniers créneaux, et fait les calculs lorsque le créneau détecté est plus grand que les 2 précédents.

Pour être précis, notons ces durées (délai entre front montant et front descendant) dt1, dt2, dt3 dans l’ordre d’apparition. Nous venons de dire que au moment où nous faisons le calcul de vitesse et de sens dt3 est supérieur à dt1 et dt2. Alors si dt1<dt2, le sens de rotation est direct, mais si dt1>dt2, le sens de rotation est indirect. Dans le sens direct, la fréquence des fronts montants est à peu près régulière et permet de calculer assez précisément la vitesse angulaire de la roue codeuse (nombre de fronts montants comptés, ramené au temps passé depuis le dernier calcul). Dans le sens indirect ce sont les fronts descendants qui sont réguliers.

Voili-voila. Si vous avez besoin d’un capteur de vitesse vous donnant le sens de rotation : Do It Yourself !

Phil.

Bonjour à tous. Aujourd’hui, je ne suis là que pour ce petit édito, car j’ai le plaisir d’accueillir mon premier invité sur ce blog, à savoir Philippe, qui va vous présenter un sujet très bien documenté, et qui j’en suis sûr vous sera utile !

Hello, voici mon premier article dans l’esprit « DIY », soyez indulgents svp  ;-)

Merci aussi à Eric de me prêter une petite place dans son blog

Dans le cadre de la fabrication d’un système mécanique à plusieurs arbres (un train épicycloïdal pour être précis), j’avais besoin de mesurer les vitesses de rotation de chacun d’eux… en fait la vitesse ET le sens de rotation. N’ayant pas trouvé ailleurs de système équivalent à celui que j’ai mis au point, je me dis que cela vaut le coup de partager cette idée avec les bricoleurs intéressés.

1. Première partie : du besoin à l’idée.

Parmi les capteurs de vitesse (souvent capteurs de mouvement incrémentaux pour ce type de mesure) on trouve diverses techniques, parmi lesquelles des technologies magnétiques (sur certains compteurs de vitesse pour vélos par exemple) ou des solutions optiques sur lesquelles nous allons nous concentrer dans la suite.

Une solution simple pour construire un capteur de vitesse est d’utiliser une fourche optique (LED d’un côté + photo-transistor de l’autre) dans laquelle on fait passer un disque ajouré. Avec une fourche simple de ce type, connectée sur une entrée numérique d’un microcontrôleur, il est possible de compter un nombre d’impulsions par seconde et donc une vitesse de rotation en fonction du nombre de rainures disposées sur le disque codeur. J’ai donc commencé par effectuer quelques tests sur la base d’un cadran translucide de bouton de potentiomètre sur lequel j’ai collé des adhésifs radialement pour simuler des rainures radiales (photo 1). Une petite fourche et son électronique d’alimentation (récupérée sur un capteur de fin de course de Reprap, merci Pierrot), et me voici à mesurer la vitesse d’un petit moto-réducteur DC en comptant les interruptions sur une carte Arduino UNO. Petit gag (mais ça marche très bien quand même) : j’ai bien placé mon adhésif sur les 10 chiffres noirs du cadran de potentiomètre, mais l’adhésif n’est pas complètement opaque, et on voit donc passer sur l’oscillo les chiffres qui masquent le faisceau lumineux  plus efficacement que le scotch orange !

Photo 1 :

Codeur optique – premier test

Il est aussi possible avec cette technologie de déterminer le sens de rotation… à condition d’ajouter un 2^e photo-transistor judicieusement placé à côté du premier. Le signal optique reçu par le 2^e transistor étant décalé temporellement par rapport au premier, on obtient des signaux en quadrature dont le sens de déphasage permet de déterminer le sens de rotation. Voir l’excellent site de « Rémy Sonelec » pour plus d’explications sur ce type de codeur :

http://www.sonelec-musique.com/electronique_theorie_encodeur_optique.html

Et sachez que la plupart d’entre vous (sauf peut-être les plus jeunes) ont utilisé pendant des heures ce genre de capteur, puisqu’il a équipé la grande majorité des souris à boules pendant des années (Photo 2).

Photo 2 :

Souris a boule : 2 photo-transistors

(source : http://fr.wikiversity.org/wiki/Capteur/Capteur_de_position )

Inconvénient de cette technique à deux transistors : il faut doubler le nombre de photo-transistors (eh oui). En outre, plus il y a de capteurs = plus il y a d’entrées utilisées sur le micro-contrôleur… Or je prévoyais pour mon application de mesurer les vitesses de 3 moteurs, de piloter un afficheur LCD, ainsi que quelques autres éléments consommateurs de ports… incompatible avec l’Arduino UNO L. D’où la recherche d’une solution nécessitant un seul photo-transistor pour avoir la vitesse ET le sens de rotation d’un codeur optique… Comment faire ?? Eh bien appliquer ce que l’on enseigne aux élèves ingénieurs concepteurs de produits innovants : la méthode TRIZ ! Pour ceux qui ne connaissent pas voici un point de départ : http://www.triz40.com

Au-delà des 40 principes et des matrices de contradiction, TRIZ est aussi un état d’esprit, une manière de réfléchir. J’avoue donc que je n’ai pas passé en revue tous les tableaux fournis dans la méthode. Je trouve intéressant d’essayer de vous expliquer le raisonnement…

Ne voulant pas me palucher tous les tableaux et principes de Triz, j’ai donc simplement essayé d’utiliser un principe de générique de la méthode : « regarder le problème autrement, à l’envers, en séparant ou regroupant des éléments, en inversant ou permutant des paramètres… ». Voici en synthèse a posteriori ce que cela peut donner :

Les capteurs à fourche existants (souris, etc.) utilisent la séparation spatiale des récepteurs, qui sont fixes (2 photo-transistors) pour générer une séparation temporelle de 2 signaux. Mais je ne veux pas utiliser 2 récepteurs différents : contradiction. Que pourrait-on inverser ou permuter dans ce schéma, que pourrait-on regarder autrement ? Utiliser une « séparation temporelle » plutôt que spatiale ? Cela voudrait dire quoi ?… 

Ne pas travailler du côté du récepteur, mais du côté de l’émetteur ? Mais l’émetteur, c’est quoi ? La LED qui est émet la lumière ? Non, ce n’est pas elle qui génère le signal proportionnel à la vitesse de rotation : c’est la roue rainurée. à La roue pourrait-elle générer une variation temporelle du signal ? Ca voudrait dire des signaux irréguliers ? Bof, que pourrais-je en déduire ? Ou des signaux réguliers mais de durées différentes ? Et alors ? Poursuivons quand même : peut-être donc si je ne faisais pas des rainures toutes identiques… une large, une étroite,  une large, une étroite ? Les durées de 2 créneaux successifs seraient différentes. On revient à une décomposition spatiale (variation de largeur des rainures) pour générer une séparation temporelle, mais cette fois sur la roue au lieu du transistor. Non cela ne marche pas, j’aurai une alternance de signaux court-long-court-long quel que soit le sens de rotation. Aucun intérêt… ne jamais abandonner J … poursuivons… si 2 largeurs de rainures ne suffisent pas, mettons-en 3 ! Oui… avec une succession de rainures de largeurs 1 ;2 ;3 ;1 ;2 ;3 ;1… qui génère des signaux de 3 durées différentes ordonnées de même, la permutation des trois valeurs deviendra « impaire » lorsque le sens de rotation va changer :  1 ;3 ;2 ;1 ;3 ;2 ;1 ;3 ;… Je crois que c’est gagné !! Il suffira de regarder dans quel ordre passent les créneaux de différentes largeurs.

Concrètement, ceci s’est traduit par quelques nuits de réflexion, et quelques « gribouillis » sur le tableau blanc des enfants…

Premier croquis du codeur à sens

Dans le prochain article… la mise en oeuvre pratique.

Ok, le terme est un peu barbare. Mais derrière ce nom se cache un système de propulsion sympa et relativement simple à expérimenter. Wikipedia nous explique que le fonctionnement est sensiblement identique à un moteur classique, à la différence près qu’on remplace la bobine par un fluide.
Concrètement, on fait passer un courant électrique dans un fluide (par exemple de l’eau salée),  ce qui va la « polariser », elle est ensuite attirée par des aimants permanents (ou des solenoids, ça marche aussi) situés un peu plus loin. Ce type de moteur a donc pour principal avantage de n’avoir aucune pièce mobile, donc peu de maintenance et bonne furtivité (Ceux qui ont vu à la poursuite d’octobre rouge se souviennent de la fameuse chenille)
Cela dit, une image (‘fin une vidéo plutôt) valant mieux qu’un long discours, voici un petit prototype maison. Il est constitué d’un support en plastique, sur lequel j’ai collé 2 rails en aluminium. Deux aimants permanents sont collés (leur simple attraction suffit) au dessus et au dessous des rails. Chaque rail est connecté à un pôle de l’alimentation, 12v, 3A maximum (je n’ai pas mesuré la consommation pendant le fonctionnement)

Là où ça peut devenir vraiment intéressant, c’est que ça ne marche pas qu’avec de l’eau, mais avec tout fluide… Ce qui inclue les plasmas, et rend donc ce type de moteurs utilisables en propulsion spatiale.

Essai de MHD à plasma

Bon, sur la photo du dessus, ça se voit pas bien, il aurais mieux valu une vidéo, mais l’arc électrique est bien « soufflé » J’essaye maintenant de générer des plasmas un peu plus conséquents histoire d’améliorer un peu le résultat, mais j’ai pour l’instant quelques petits problèmes de puissance… (bientôt réglés grâce à Baptiste et son transfo:) )

Il y a des fois des montages qui paraissent simple vu de loin, mais qui, une fois mis en application se révèlent être extrêmement tordus. C’est le cas de celui-là

Dans le principe pourtant, rien de sorcier : un métal en mouvement dans une bobine génère un (faible) courant, qu’il suffit d’amplifier ensuite… Mais comme le laisse deviner mon introduction, c’est le « il suffit » qui pêche…
Le signal généré par le passage de l’élément est de l’ordre de 5mv, avec un courant ridiculement bas.
- Première tentative, l’ampli op. Mon premier étage arrive  bien à amplifier le signal, mais je n’arrive pas à dépasser un certain gain (en gros 10), quel que soit les valeurs des résistances choisies  (je n’ai d’ailleurs toujours pas vraiment compris pourquoi). Quoi qu’il en soit, je décide de réamplifier le signal ainsi obtenu dans une seconde porte de l’aop, et là….. rien ! Mais alors rien de rien, mon signal qui faisait maintenant 50mv, se retrouve à 0

- Quelques recherches, demandes de conseils plus tard, on me conseille d’utiliser un amplificateur de mesure. Il s’agit en fait d’un montage à base d’AOP, disposant d’une très grande impédance d’entrée, et de 2 entrées différentielles sur lesquelles brancher ma bobine. Sur le papier, ça a l’air plutôt sympa pour faire ce que je cherche à faire. Un petit détail que je n’avais cependant pas prévu (et pourtant prévisible) est venu perturber tout ça : un AOP,quand ça amplifie beaucoup, ça entre facilement en oscillation, hors là, on amplifie « énormément » ! Résultat des courses, une bobine de plusieurs milihenry « pilotée » par un oscillateur…. bah ça donne un élévateur de tension. Et vu comme ça a réussit à faire griller mon alim stabilisée, il devais être plutôt efficace.
Après avoir réparer mon alim, j’ai préféré ne pas retenter l’expérience avec cette méthode, de peur de ne pas arriver à contrôler l’oscillation et de reproduire le même résultat.

- Finalement, c’est de Fabien que viendra le résultat. Il travaillais sur un amplificateur à transistor, et a donc eu l’idée d’utiliser son montage amplificateur ici. Les premiers essais ne furent pas non plus très fructueux, on avais de la même manière de grosses difficultés à amplifier correctement le signal, avant qu’on nous fasse remarquer (merci Laurent) que notre condensateur de liaison faisait un joli filtre passe haut avec la résistance un peu plus loin…
Du coups, il a suffit d’augmenter la valeur dudit condensateur, et les choses étaient déjà beaucoup plus « logiques » !

L’objectif du montage étant de « déclencher » quelque chose (un relais, une led, etc…) au passage de notre objet, il restait encore un peu de travail. Je pensais au début attaquer directement l’entrée d’un ne555 monté en monostable, mais l’impulsion ne suffisait pas à le déclencher. Il a donc fallu rajouter un étage comparateur de tension, qui permet d’avoir une impulsion franche et nette lorsque la tension issue de la bobine dépasse une tension de référence que nous avons fixé.

Détecteur de passage d'élément métallique

Et voilà ce que ça donne à l’oscillo :

En jaune, la sortie de l'étage d'amplification, en bleu, la sortie du comparateur de tension