Le choix du type de motorisation.
Les mouvements de la machine seront exécutés par des moteurs électriques pour des raisons évidentes de facilité de commande. Il s'imposait un choix entre les divers types de moteurs électriques existants.
Le moteur asynchrone biphasé à courant alternatif :
source de courant simple (la prise EDF)
forte puissance massique
nécessite un variateur spécial qui puisse être piloté par un PC
nécessite un capteur de position et de vitesse pour assurer le positionnement
nécessite de traiter les informations en provenance des capteurs avant de les envoyer au PC
la CN doit pouvoir traiter les informations des capteurs et agir en conséquence
Le moteur à courant continu :
pas cher
choix pléthorique dans le domaine des moteurs adaptés au modélisme
nécessite une alimentation puissante en courant continu
puissant, rapide
nécessite un variateur spécial qui puisse être piloté par un PC
nécessite un capteur de position et de vitesse pour assurer le positionnement
nécessite de traiter les informations en provenance des capteurs avant de les envoyer au PC
la CN doit pouvoir traiter les informations des capteurs et agir en conséquence
Le moteur synchrone autopiloté :
très puissant, couple phénoménal
variation de vitesse sur une plage très importante
variateur spécifique très onéreux
permet (via son capteur interne s'il en est pourvu) de connaître sa position (précision faible)
très cher
nécessite de traiter les informations en provenance des capteurs avant de les envoyer au PC
la CN doit pouvoir traiter les informations des capteurs et agir en conséquence
Le moteur pas à pas :
récupérable dans des vieilles imprimantes
couple faible à comparer des autres technologies
vitesse faible
précision angulaire très importante (pas +/- 5%)
pilotage nécessitant des composants spéciaux
nécessite une alimentation en courant continu
permet de se passer de capteurs et de feedback sur la commande numérique à condition d'être sûr du positionnement de ceux-ci
S'il ne paraît pas forcément évident de faire un choix parmi toutes ces technologies, les prix et la facilité ont dicté le choix. Les variateurs pour moteur asynchrones et les commandes numériques capables de traiter un signal de position et de vitesse étant particulièrement hors de prix, le choix s'est porté de manière évidente vers le moteur pas à pas. Il existe de plus des tas de cartes de liaison PC → moteur pas à pas qui fonctionnent très bien. Les commandes numériques du domaine amateur modéliste permettent de piloter ces cartes. Les fournisseurs de moteurs pas à pas sont légions (revendeurs, casses informatiques, entraide modéliste...) et le prix de tels moteurs est très raisonnable (surtout dans les casses). Je cite les casses informatiques car il faut rappeler que ces moteurs n'ont aucune pièce d'usure (pas de balais) et donc ne vieillissent pas (très peu car les roulements s'usent un peu quand même).
Mon choix s'est porté vers des moteurs pas à pas de 200 pas par tour unipolaires (on peut aussi les commander en bipolaire, l'inverse n'étant pas valable) utilisant une tension de 12 ou 5 volts (pour être alimentés par des alimentations de PC, c'était l'idée du début). Le pas angulaire est choisi afin de donner après transmission du mouvement 1 pas → 0,01mm.
Le choix des cartes électroniques de commande :
Le choix est pléthorique. On trouve deux philosophies:
une carte unique pour l'interprétation des signaux et la commande de tous les moteurs
une carte d'interprétation qui commande une carte de puissance par moteur (ou groupe de moteurs dans mon cas)
La carte unique impose d'avoir un seul type de moteur (même tension et même ampérage) afin de ne pas multiplier les complications (encore que... certaines cartes sont entièrement découplées à ce niveau). Le choix de cartes découplées permet d'avoir un lot hétérogène de moteurs, chaque carte étant indépendante. Cette dernière configuration est aussi plus évolutive.
Mon choix s'est porté sur une carte de commande et des cartes de puissance découplées. Comme j'ai un lot homogène de moteurs (tous identiques) cela peut sembler bizarre. En fait, je préfère découpler les alimentations de mes moteurs afin de ne pas avoir de problèmes d'interactions au niveau de l'alimentation. Et en plus, comme il va sûrement me prendre l'envie de rajouter des tas d'axes supplémentaires...
Mon choix des cartes électroniques de commande :
Les essais :
Mon choix s'est porté sur une carte de commande de moteur bipolaire. Cette carte est celle qu'utilise Octave PROCTA sur sa machine.
J'ai eu le loisir d'essayer cette carte sur un axe de ma machine pendant 3 mois grâce à Octave qui m'a prêté un montage autonome à des fins de tests. Les conclusions que je tire de ces essais sont très bonnes.
C'est une carte basée sur le couple L297 / L298 qui permet de piloter des moteurs bipolaires (ou unipolaires à 6 fils en ne branchant pas les points milieu des bobinages, ce qui est mon cas). Elle utilise la technologie "shopper" (souvent nommé à tort PWM) qui permet d'allier faible consommation, couple élevé et vitesse maximale élevée. La régulation en courant est performante mais la vitesse maximale reste très liée à la tension de l'alimentation des moteurs. Un fort survoltage est nécessaire pour tenir des vitesses élevées. La carte supporte jusqu'à 40V en entrée, ça permet d'envisager des vitesses intéressantes avec des moteurs de 4.1V nominaux.
Lors des essais avec la carte d'Octave aucune chauffe du L298 n'a été constatée même lors d'essais où l'ampérage était réglé à son maximum (2A / phase). Un essai du montage avec une alimentation plus performante (24V 5A au lieu de 20V 3A) a permis d'améliorer encore les performances de manière notable. Avec cette alimentation, une seule carte peut emmener allègrement 2 moteurs en parallèle (2 moteurs de 1A / phase et 4.1V nominaux) moyennant une très légère hausse en température du L298 (peu sensible).
Un essai de mesure d'effort capable du chariot a donné un résultat très encourageant, bien que très subjectif :
Le chariot a poussé un bureau à une vitesse de 1000 pas / seconde (600mm / minute) ! Le bureau était un bureau de taille honorable (1,5m *70cm) construit en aggloméré. C'est un meuble lourd et les patins en caoutchouc n'ont pas facilité la tâche du chariot. La transmission entre moteur et charge était assurée par un système vis/écrou à filet trapézoïdal de 2mm de pas.
L'électronique définitive (l'idée initiale) :
Le montage de l'électronique définitive fait appel à une alimentation de puissance encore plus musclée : un transformateur torique de 300VA, pont de diodes en conséquence (400V 25A), lissage par deux condensateurs de 4700 microfarads. La tension lissée s'établit à 38V stables même en pleine charge des 6 moteurs.
L'alimentation de la partie logique des cartes électronique est assurée par une alimentation d'ordinateur (5V). L'alimentation d'ordinateur fournit aussi le 12V nécessaire à l'alimentation du ventilateur de refroidissement des L298 sur lesquels sont montés des gros radiateurs. Le refroidissement doit être soigné car les L298 travaillent à pleine charge. Ils peuvent débiter au maximum 2A par phase du moteur pas à pas et chaque L298 alimente 2 moteurs pas à pas de 1.1A par phase.
Les cartes utilisées ne nécessitent pas de carte intermédiaire pour communiquer avec le PC, le lien est donc direct par un câble multibrins et une prise DB25 pour relier le tout au port parallèle de l'ordinateur. Il est cependant préférable d'utiliser une carte de liaison intermédiaire afin d'isoler les cartes du PC. Cela peut sauver votre carte mère en cas de problème.
L'ensemble de l'électronique est encapsulée dans un boîtier . L'ouverture frontale laisse apparaître le ventilateur qui souffle sur les radiateurs des L298. Ceux-ci sont directement fixés derrière le ventilateur et les cartes électroniques sont montées derrière, soutenues par des colonnettes. Le transformateur torique est fixé derrière les cartes, boulonné à la cloison du fond du boîtier. L'alimentation d'ordinateur prend naturellement sa place à l'opposé du ventilateur car son ventilateur intégré travaille alors en phase avec le premier cité (qui pousse de l'air frais sur les radiateurs alors que le ventilateur de l'alim de PC extrait l'air chaud du boîtier).
J'ai réalisé en plus un boîtier de liaison pourvu de LEDs de visualisation du port parallèle. Il sert à rendre les diagnostiques et les réglages plus simples. Sa première fonction a été de simuler la machine lors des essais de mon propre logiciel de commande : comme je connais l'attribution des canaux sur le port parallèle je peux en déduire si l'ordre donné à bien été transmis.
L'électronique définitive (ce qui est réellement en cours) :
Les alimentations :
La puissance nécessaire pour les moteurs pas à pas (partie puissance des cartes de pilotage des moteurs) est fournie par un ensemble constitué de :
un transformateur torique de 300VA débitant sous 32V efficaces alternatif
un pont de diodes de 400V 25A, pour ménager une marge de fonctionnement correcte
un condensateur de lissage électrochimique de 15000 microfarads
En sortie de cet étage de puissance, j'obtiens un 36-38V lissé.
A partir de cette source et via des régulateurs de tension je génère les tensions de 5V et 12V nécessaire respectivement à la logique de commande et aux pilotages des relais d'activation de broche et des accessoires.
Cette façon de procéder me permet d'assurer que le 5V logique est toujours présent lorsque la puissance est activée.
En effet, une des caractéristiques des cartes de pilotage des moteurs que j'utilise est d'être très sensibles à l'ordre dans lequel les diverses tensions sont appliquées. Si la tension d'alimentation des moteurs est présente en l'absence du 5V logique... Pschittt !!! Destruction assurée des L298.
Le cas m'est arrivé sur une carte avec une brasure défectueuse, le L298 a été littéralement vaporisé en quelques secondes.
Afin d'éviter que ça recommence, le montage décrit ci-dessus m'assure que le 5V est forcément présent avant et après la puissance quand on allume et quand on éteint, même en cas de coupure accidentelle.
La présence de chaque tension est matérialisée par l'allumage d'une diode dédiée et la commutation générale se fait par un interrupteur tournant à clé pour des raisons de sécurité.
Le pilotage des moteurs :
Initialement il était prévu une carte par axe et donc une carte pour deux moteurs. Le L298 de chaque carte était donc potentiellement utilisé à fond tout le temps. J'ai fini par me raisonner et j'ai décidé de faire une carte par moteur, ça me donnera de la marge si je veux passer à des moteurs plus puissants dans l'avenir.
La schématique de la carte est la même que celle des cartes initiales mais la réalisation diffère. Une légère réorganisation des composants et l'utilisation de connectique un peu détournée de son utilisation initiale (Sub-D 15 points) m'a permis de délocaliser le L298 de chaque carte et faciliter son changement (absence de brasure) en cas de panne.
Chaque carte possède un interrupteur permettant de sélectionner les modes pas entier ou demi-pas. La sélection du mode est rendue visible par l'intermédiaire de diodes.
L'interface avec l'utilisateur :
Afin de donner de la versatilité à la machine, la commande se faire de plusieurs manières:
avec le port parallèle :
pour l'utilisation de mon propre logiciel et pour des tests via des petites applis de mon cru
pour l'utilisation de la télécommande de mon cru (3 axes continu ou impulsionnel, vitesse, broche et activation puissance moteur)
avec le port série et une carte d'interprétation, pour des questions de fluidité et de fiabilité
La gestion des alimentations :
Malgré le montage particulier (et sécurisant) de l'alimentation de puissance, la partie puissance moteur n'est commutée que sur demande via un montage relais auto entretenu commandé par un bouton poussoir.
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