CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS PARIS CENTRE ___________________ MEMOIRE présenté en vue d'obtenir le DIPLOME D'INGENIEUR CNAM SPECIALITE : ELECTRONIQUE -AUTOMATIQUE OPTION : AUTOMATIQUE par Amadou SECK ___________________ Conception de commande embarquée multitâches d'un ascenseur électrique Soutenu le 4 Juillet 2014 _________________
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Conception de commande embarquée multitâches d’un ...
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CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS
PARIS CENTRE
___________________
MEMOIRE
présenté en vue d'obtenir
le DIPLOME D'INGENIEUR CNAM
SPECIALITE : ELECTRONIQUE -AUTOMATIQUE
OPTION : AUTOMATIQUE
par
Amadou SECK
___________________
Conception de commande embarquée multitâches
d'un ascenseur électrique
Soutenu le 4 Juillet 2014
_________________
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JURY
PRESIDENT : Mr Henri BOURLES Professeur
MEMBRES : Mr Tarek RAISSI Maître de conférence
Mr Pierre CHANTRE Maître de conférence
Mr Mohamed GHAZEL Examinateur
Mr Geoges SZAFRANSKI Examinateur
Résumé
Ce mémoire a pour objectif d’étudier une commande embarquée multitâches d’un ascen-
seur électrique à travers toutes ses phases de conception à la réalisation de la maquette.
La première partie présente l’historique de l’ascenseur puis les motivations qui ont con-
duit au choix de l’embarqué et celui du calculateur RST avant d’arriver à la démarche de
conception adoptée.
La deuxième partie s’articule autour des études de dimensionnement de la partie méca-
nique, électrique et électronique ainsi à la gestion de projet pour cette application levage
descente.
La troisième partie aborde la modélisation et l’identification des paramètres du système de
traction composé d’un moteur à courant continu à aimant permanent, d’un réducteur,
d’une charge, d’un variateur de vitesse. Elle comporte également le calcul du régulateur
RST à implanter pour la loi de commande et des simulations sur Matlab.
La dernière partie traite de l’informatique industrielle où vous trouverez l’algorithme mul-
titâches de l’application, le choix du microcontrôleur et la mise en œuvre avant de terminer
par les essais et mesures.
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Remerciements
Dans le cadre de la réalisation de ce projet, je tiens à remercier particulièrement Mr Raissi
qui est à la fois mon tuteur de stage par rapport au cnam et mon tuteur de stage au sein de
mon entreprise. Il a su m’orienter dans la recherche de solutions dans la partie programma-
tion, de même pour me mettre en rapport avec des techniciens du cnam pour me sortir des
impasses. Pour cela je remercie Mr Marichal qui m’a aidé dans la réalisation d’une pièce
mécanique en aluminium pour l’enroulement du câble de traction que je ne pouvais pas
faire car je n’ai pas d’expérience dans le tournage. De même je remercie Mr Aristides
Alexandre qui m’a orienté dans la solution de développement avec l’arduino que je ne
connaissais pas avant mais dont j’ai pu acquérir des connaissances de par la multiplicité et
diversité des tutoriels sur youtube. Cela m’a coûté de longues nuits de veille que ma
femme n’a pas trop apprécié mais elle comprend parfaitement que rien ne s’obtient sans
labeur. Je la remercie également pour sa compréhension.
Je tiens également à m’excuser pour le bruit de voisinage occasionné durant la fabrication
de la maquette et aussi pendant que je faisais mes essais à des heures inadéquates.
Pour finir je remercie le jury présent de sa disponibilité pour assister à ma soutenance.
GLOSSAIRES
ALR : Alarme cabine
AREF : Analog Reference
AUT : Autorisation
BC0 : Bouton cabine niveau 0
BC1 : Bouton cabine niveau 1
BC2 : Bouton cabine niveau 2
BC3 : Bouton cabine niveau 3
BP0 : Bouton palier niveau 0
BP1 : Bouton palier niveau 1
BP2 : Bouton palier niveau 2
BP3 : Bouton palier niveau 3
Cu : Charge utile
Cuv : Cuvette
CODA : Codeur incrémental broche A
CODB : Codeur incrémental broche B
CM66 : Régles de construction métallique
Crs : Course
ConVit : Consigne de vitesse
CEL : Cellule
CMF : Commande frein
CSV : Commande synthèse vocale
CGO : Commande gond
DEG : Distance entre guide
DDE : Doigt magnétique descente
DMO : Doigt magnétique montée
DEI : Descente inspection
DSP : Digital System Processing
ETHCS : Ethernet Chip select
Et0 : Arrêt étage 0
Et1: Arrêt étage 1 en montée
6
Et2: Arrêt étage 2 en montée
Et3: Arrêt étage 3
E1t :Arrêt étage 1 en descente
E2t :Arrêt étage 2 en descente
FRB : Fin de course révision basse
FRH : Fin de course révision haute
FTP : File Transfert Protocol
FEH : Fin de course extrême haute
FEB :Fin de course extrême basse
FOC : Fin de course ouverture porte cabine
FOP : Fin de course ouverture porte palière
GEMMA : Guide d’études des modes de marche et d’arrêt
Hdn : Hauteur d’arrivée
HL : Hauteur libre
Imoteur : Intensité moteur
IND : Indicateur
MFA : Mode de fonctionnement automatique
MFD : Mode de fonctionnement à distance
MFM : Mode de fonctionnement manuel
MST : Mise sous tension
MOI : Montée en inspection
MISO : Master in Slave out
MOSI : Master out Slave in
Mg: Marge de gain
Mp: Marge de phase
Mm: Marge de module
Mr: Marge de retard
PCV : Porte cabine verrouillée
PL : Passage libre
PMR : Personne à mobilité réduite
PCV : Porte cabine verrouillée
PS1 : Point de sécurité 1
PS2 : Point de sécurité 2
PS3 : Point de sécurité 3
7
PS4 : Point de sécurité 4
P0V : Porte palière 0 verrouillée
P1V : Porte palière 1 verrouillée
P2V : Porte palière 2 verrouillée
P3V : Porte palière 3 verrouillée
RCS : Relais chaîne de sécurité
REO : Bouton réouverture
RST : Nom donné aux trois blocs d’un correcteur en automatique
1.2 BESOIN DE PERFORMANCE FIABILITE ET SECURITE .................................................................................................. 14
1.3 POURQUOI LE CHOIX D’UN REGULATEUR RST .......................................................................................................... 15
1.4 POURQUOI LE CHOIX DE L’EMBARQUE....................................................................................................................... 15
1.5 DEMARCHE DE CONCEPTION ...................................................................................................................................... 16
2. Cahier des charges .............................................................................................................................. 17
6. Gestion du projet ................................................................................................................................. 34
6.3 PLANIFICATION DU PROJET ........................................................................................................................................ 40
6.4 COUT DU PROJET ......................................................................................................................................................... 41
7. Modélisation et Identification du Système ........................................................................................ 47
7.1 PAR EXPERIMENTATION ........................................................................................................................................... 49
7.1.2 PROCEDURE DE DETERMINATION DES PARAMETRES MOTEUR ............................................................................... 50
7.1.3 DETERMINATION DES PARAMETRES MOTEUR PAR LA METHODE FREQUENTIELLE ................................................ 53
9
7.1.4 SIMULATION SUR MATLAB .................................................................................................................................. 55
7.1.5 ANALYSE ET INTERPRETATIONS DES RESULTATS .................................................................................................. 59
8.1 CONDITIONS A REMPLIR PAR LE RST ........................................................................................................................ 65
8.2 PROCEDURE DE CALCUL DU RST ............................................................................................................................... 65
8.3 DETERMINATION DES POLYNOMES RST .................................................................................................................... 67
9. Choix du Microcontrôleur .................................................................................................................. 79
9.1 LES CRITERES DE CHOIX ............................................................................................................................................ 79
9.2 TABLEAU DES CARACTERISTIQUES TECHNIQUES ....................................................................................................... 80
9.3 CHOIX DU MICROCONTROLEUR .................................................................................................................................. 80
10. Implémentation Loi de Commande .................................................................................................. 82
14. Table des figures ............................................................................................................................. 105
10
15. Table des tableaux .......................................................................................................................... 106
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1. Introduction
Devant l’accroissement de la population dans les villes et la progression galopante des conquêtes de
terrain en vue de construction de bâtiments, d’infrastructures, d’espaces verts, de zone d’activités, nous
distinguons de moins en moins de terrains libres. Certains pays contournent le problème en construi-
sant sur l’eau des quartiers. Cependant dans les deux cas la construction en hauteur de plus en plus
haute semble être la bonne solution pour optimiser un espace réduit. Mais au-delà d’un certain nombre
de niveaux il devient infernal pour de simples humains que nous sommes d’avoir l’endurance pour
monter à pied tous ces étages. La pénibilité est plus grande quand nous avons en plus des bagages ou
un handicap physique d’où donc la nécessité d’un ascenseur pour participer à l’opérabilité du bâtiment
et au confort de ces occupants. Ces ascenseurs maintenant banalisés étaient à leurs débuts comme
beaucoup de choses d’ailleurs une grande innovation qui avait marqué les esprits de ses bienfaits et
parfois aussi de ses terreurs dues aux accidents mortels qu’ils occasionnaient. Pour les éviter ou les
limiter des normes évolutives de plus en plus strictes sont édictées pour leur conception , construction
et installation.
Autrefois un mécanicien et un électricien pouvaient former une équipe pour concevoir un ascenseur
électrique ou un mécanicien et hydraulicien pour faire un ascenseur hydraulique. Aujourd’hui plu-
sieurs corps de métier s’associent pour le concevoir à savoir le mécanicien, l’électrotechnicien,
l’automaticien, l’électronicien, l’informaticien.
En plus de l’aspect sécuritaire rendant la conception d’un ascenseur de plus en plus complexe, l’aspect
confort et performance à la demande du marché, élèvent le degré des exigences et contraintes de con-
ception.
L’automaticien endossant dés fois les fonctions d’informaticien, d’électronicien a donc un rôle pri-
mordial à jouer dans l’attente de ces objectifs de conception. Par conséquence il est souvent le chef de
projet.
Nous allons donc vous présenter ses choix de conception , sa démarche de conception, ses outils de
conception, son planning, les coûts , sa gestion du projet et puis la mise en œuvre et validation.
Pour finir nous conclurons sur la satisfaction des objectifs fixés par le cahier des charges.
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1.1 Historique
Les hommes ont toujours cherché un moyen de hisser des charges dans les constructions verticales de
jadis. Pour cette raison certains disent qu’il existait forcément un treuil durant la construction des py-
ramides en Egypte sans pouvoir le certifier. Un certain architecte romain Vitruve s’est permis
d’avancer que cette découverte du treuil revient à Archimède en l’an 236 avant Jésus Christ.
Certains archéologues ont fait des découvertes de gaines verticales à Rome dans le colisée et les palais
de Césars et pensent qu’elles étaient destinées aux monte- charges équilibrés par contrepoids.
Au château de Versailles entre la fin du XVIIè et début XVIIIè où commençait à se dessiner le besoin
de transport de personnes, vient à point nommé « la chaise volante » équilibrée par un contrepoids dont
le déplacement est assuré par la force des bras d’une tierce personne .
Ce n’est qu’en 1853 dans une salle d’exposition dans le hall du Crystal Palace à New York, que Elisha
Graves Otis inventeur du parachute démontre l’efficacité de son système de sécurité en cas de rupture
de câbles pour que le transport vertical de personnes prenne tout son envol.
En 1857 Otis installe dans un magasin son premier ascenseur à usage public desservant cinq étages,
pouvant transporter 450kg à une vitesse de 0,2m/s.
En 1867 le Français Léon Edoux le père du mot « ascenseur » fait découvrir lors de l’exposition uni-
verselle de Paris au Grand palais 2 ascenseurs hydrauliques qu’il destine comme monte-charge de
chantier.
Il y revient en 1878 cette fois pour faire un ascenseur hydraulique pouvant transporter 80 personnes sur
60m à la vitesse de 1.10m/s.
Et pour la première fois en 1880 un allemand Werner Siemens et Hulstie, lors de l’exposition univer-
selle à Mannheim exhibent leur ascenseur électrique qui va à la vitesse de 2m/s.
L’exposition universelle la plus marquante pour l’ascenseur est celle faite en 1889 à Paris à la Tour
Eiffel où cinq ascenseurs réalisés par 3 constructeurs Léon Edoux (1), Roux Combaluzier (2), Otis (2).
Les années passent l’ascenseur évolue et intégre au fur et à mesure les nouvelles technologies de son
époque. La première est celle intégrant les premiers transistors réalisés par Roux Combaluzier en 1967.
Aujourd’hui elle est en phase avec les nouvelles technologies intégrer dans les microprocesseurs , mi-
crocontrôleurs ce qui lui confèrent une puissance de calculs lui permettant d’exécuter les commandes
multitâches , de prévenir des disfonctionnement. Bref , la technologie de l’ascenseur ne cesse de se
perfectionner en s’appuyant aux avancées dans l’électronique, l’électrotechnique, robotique et infor-
matique.
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Figure 1
Figure 2 Figure 3
14
1.2 Besoin de performance fiabilité et sécurité
La construction des gratte-ciels dans le monde pour ne citer que la tour de Burj Dubaï s’élevant à
818m dans le ciel (162 étages ,ascenseur 18m/s), abritant plus de 35000 personnes, ou la tour Taipei
101 à Taïwan faisant 512m (101 étages ,ascenseur 16.66m/s) avec plus de 12000 personnes à
l’intérieur, ou la tour de Sears Tower à chicago haute de 527m (110 étages, ascenseur 10m/s) avec
plus de 30000 personnes à l’intérieur ou tout simplement les bâtiments de moyenne hauteur mais de
forte affluence tels que les bureaux , ERP, se doivent d’abriter des ascenseurs fiables et très perfor-
mants. Un accident ne pourrait être toléré et serait catastrophique au vu de la capacité de charge, de la
vitesse et de la masse . Des dysfonctionnements par intermittence ou en mode dégradé sont à écarter
car ils influeront directement sur l’opérabilité du bâtiment durant les heures de pointes. En fonctionnement , quelle que soit la vitesse, les personnes étant à l’intérieur ne doivent pas sentir de
secousse . Elles doivent également sortir de la cabine sans trébucher pour des raisons de mauvaise
précision d’arrêt.
Au cas où il arriverait que l’ascenseur se bloque entre les étages pour une raison quelconque, le sys-
tème devrait sécuriser les occupants, prévenir le service maintenance et permettre d’intervenir rapide-
ment en mode manuel pour désincarcérer les personnes. S’il n’y a pas de personnes pouvoir le déblo-
quer en le ramener au niveau bas porte fermée avec une commande à distance.
En outre on exige maintenant des performances énergétiques respectueuses de l’environnement.
Figure 4 Figure 5
15
1.3 Pourquoi le choix d’un régulateur RST
Ce choix résulte du cahier des charges qui m’impose à la fois plusieurs exigences relatives à la per-
formance telle la précision d’arrêt aux étages , la vitesse d’approche à l’étage à desservir , la vitesse
en marche normale ou nominale et ceux-ci quelles que soient les perturbations présentes. De même
nous voulons réduire le maximum les erreurs de modèle pour avoir une robustesse en stabilité.
Le bouclage du système est assuré par un codeur incrémental générant un bruit de mesure qu’il faudra
gérer.
Pour ce qui vient d’être précité le choix du régulateur RST semble être le plus judicieux car il permet
de définir à gré les racines du polynôme ABf(s), combiner au pouvoir d’agir sur la dynamique du sys-
tème indépendamment du suivi de consigne défini dans le polynôme T(s).Ce qui augmente donc notre
degré de liberté d’agir.
Il me permet également de prendre en compte le bruit de mesure en déterminant la valeur de δ0>=1 et
finalement de pouvoir affiner mes compromis performances/robustesses pour satisfaire le cahier des
charges.
1.4 Pourquoi le choix de l’embarqué
L’embarqué nous permet d’implémenter tout notre programme à l’intérieur d’un microcontrôleur pour
réaliser notre application multitâches suivant les processus qu’on lui incorpore dans sa mémoire flash
tout en amoindrissant les composants autour. Actuellement les microcontrôleurs gèrent des millions
d’opérations à des vitesses inimaginables. Tout ceci grâce à la vitesse d’intégration du silicium . Ce qui
fait dans un microcontrôleur, nous pouvons maintenant réaliser des opérations de calculs complexes
fournis par les circuits DSP intégrés et également par de nombreux périphériques de communication et
de contrôle.
Ainsi aujourd’hui , les constructeurs de microcontrôleurs nous facilitent énormément la mise en œuvre
de nos applications en nous réduisant fortement les encombrements de matériel ,en nous offrant la
possibilité de pouvoir les reprogrammer, les faire évoluer et tout ceci à des prix dérisoires.
Le choix de l’embarqué contrairement à un automate est motivé principalement par le coût,
l’encombrement, la portabilité du programme, la facilité de mise à jour du logiciel .
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1.5 Démarche de conception
Naturellement, il serait inconcevable de mener une conception sans avoir au préalable identifier et dé-
finir le besoin consigné dans le cahier des charges fourni par le client ou transcrit pour lui.
Dans ce cahier des charges nous y trouvons les spécifications techniques, fonctionnelles, budgétaires et
temporelles.
Nous allons commencer par lister les données d’entrée que l’on dispose puis les données de sortie dési-
rées, ensuite nous choisirons les fonctions à mettre en œuvre pour obtenir le résultat souhaité en faisant
en sorte d’user des technologies les plus récentes possible, de respecter les normes en vigueur, de pen-
ser au coût , au délai, à la maintenabilité, fiabilité, sécurité, au moyen de fabrication, au moyen de
transport, aux accès.
En deuxième étape, il faudra faire des plans d’esquisse pour matérialiser les contraintes dimension-
nelles et cinématiques .
En troisième étape pour ce qui est des schémas fonctionnels, écrire les lois physiques reliant les en-
trées et sorties pour obtenir un modèle que nous veillerons à identifier tous les paramètres. Pour ce qui
est des schémas géométriques, suivant les sollicitations subies par les pièces, nous pouvons écrire les
équations mécaniques et les dimensionner de façon à ce qu’elles supportent les efforts les plus défavo-
rables en respectant également les normes en vigueur sur le choix de certains paramètres.
En quatrième étape , faire des simulations de ces modèles sur logiciel si possible avant de faire les
plans d’ensemble, de fabrication, et la nomenclature complète de matériel.
En cinquième étape , faire des demandes de prix , d’échantillons, de délais de livraison.
En sixième étape, vérifier les coûts, les délais, les caractéristiques techniques des échantillons déman-
dés.
En septième étape , transmettre tous les plans au service fabrication.
En huitième étape une fois le produit fini, faire des essais et des mesures avant validation et livraison
du produit.
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2. Cahier des charges
L’ascenseur doit soulever une charge utile de 10kg sur une hauteur de 1.5m. Le fonctionnement doit tolérer une surcharge de 25% de la charge utile soit 2.5kg en plus.
En fonctionnement normal, il doit avoir une vitesse nominale de 0.5m/s. A l’approche des étages à desservir il doit avoir une vitesse de ralentissement de 0.25m/s. La précision d’arrêt à l’étage à desservir doit être plus ou moins 10mm. En cas de survitesse supérieure à 1,15 fois la vitesse nominale, l’ascenseur doit être arrêté en moins de 2s .
Pour des besoins de télésurveillance, l’ascenseur doit pouvoir être commandé à distance . L’ascenseur desservira 4 étages. La porte cabine sera équipée d’un opérateur avec moteur bipolaire.
Pour faciliter son utilisation par les personnes mal voyants et malentendants , il doit être doté d’une synthèse vocale, de boutons de commande émettant un bip lors d’un appui et de gond à l’arrivée.
Matériels : Maquette ascenseur, Logiciel de programmation Arduino Mega , Arduino Ethernet, Logiciel step 7 siemens, Logiciel Matlab, Logiciel Autocad et un budget alloué au projet.
Durée et délais : 12 mois de réalisations
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2.1 Spécifications fonctionnelles
l’ascenseur doit tolérer une surcharge de 25% , il faudra donc prévoir alors le dimensionnement du
moteur et des câbles de traction en fonction ,un pèse charge numérique est à prévoir aussi ;
il doit avoir 2 vitesses, donc 2 consignes de vitesses que le RST va se charger pour satisfaire la re-
quête ;
il doit s’arrêter à l’étage avec une erreur de plus ou moins +/-10mm du palier il faut dans ce cas un
asservissement de position gérer par le RST également;
il doit détecter la survitesse en cas de dépassement de 15% de la vitesse nominale et l’arrêter en moins
de 2s , normalement le RST ne le permettra pas s’il fonctionne bien à moins qu’il y ait rupture de câble
et dans ce cas l’arrêt devra être assurer mécaniquement par un dispositif attitré que nous avons pas
réalisé dans ce projet. Nous pouvons nous le permettre car il ne peut pas accueillir de personnes.
il doit signaler cette anomalie de survitesse par envoi d’un mail ou sms au service maintenance par le
du protocole Ethernet avec le service FTP ou SMTP ;
l’ascenseur doit permettre son pilotage à distance par le protocole Ethernet sécurisé ;
Il doit signaler l’étage desservi par une synthèse vocale, associer donc la lecture d’un enregistrement à
chaque étage une fois l’ascenseur à l’arrêt. De même chaque activation de boutons de commande doit
s’accompagner d’un bip sonore délivré par un bipper.
Un gond sera utilisé pour marquer l’arrêt en plus de la synthèse vocale.
2.2 Spécifications techniques
- Cu :10kg ;
- Vn :0.5m/s ;
- Va :0.25m/s ;
- Crs :1.5m ;
- Cuv :0.105m ;
- Hdn :0.5m ;
- Dimensions intérieures cabine : LxP 200x165mm ;
- Dimensions intérieures gaine : LxP 400x360 mm;
- Hauteur totale gaine :2100mm ;
- PL cabine : 100mm ;
- HL cabine : 210mm ;
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- Type de portes cabine et palières : 2VOC ;
- calculateur RST à implémenter dans la programmation de l’arduino à l’aide de simulink pour
respecter la précision d’arrêt de +/-10 mm et les 2vitesses de consignes 0.5m/s et 0.25m/s.
- moteur pas à pas bipolaire pour la porte cabine 4v/0.8A 200pas ;
- moteur de traction à courant continu 24V avec réducteur et frein 24V ;
- codeur 512points/tour pour 5v/tour avec les infos de sens et nombre de tours ;
- pèse charge numérique ;
- synthèse vocale ;
- carte Ethernet ;
- ligne téléphonique ;
- afficheur 7 segments pour le numéro d’ étage à afficher à chaque palier et en cabine ;
- machinerie haute à l’aplomb de la gaine ;
- entrainement par tambour ;
- On se fixe comme objectif de commande :
� une marge de phase (Mp) de : 45°
� une marge de gain (Mg) de : 6dB
� un temps de réponse(tr) de : 1s
� une erreur de vitesse (Ɛv)de : 15%
� une erreur de position(Ɛp) de : 0,66%
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3. Détermination et choix du Moteur
La détermination et le choix d’un moteur doit se faire suivant le type d’application en terme de vitesse,
couple, puissance, environnement, secteur d’alimentation, système de contrôle de commande. Dans le
cas nous concernant notre application est de type levage descente, l’objectif est de contrôler la vitesse
de sortie, la position. Il doit soulever une masse totale de 17 kg sur une hauteur de 1.5m avec une vi-
tesse maximale de 0.5m/s .Pour se donner une marge de portée, nous allons le dimensionner pour une
masse de 20kg et une hauteur de 2m. Il est dans un abri sec, il lui faut une alimentation et frein de 24
V en tension continue. Nous utilisons un convertisseur de puissance de type pont H piloté par un
microcontrôleur pour commander le moteur.
3.1 Détermination du moteur
Masse totale à soulever M=20kg ;
Hauteur de levage max H=2m ;
Diamètre enroulement D=0.05m ;
Rendement global supposé η=0.9 ;
Vitesse nominale Vn=0.5m/s ;
►Calculons la vitesse Vn en tr/mn en continu :
v(tr/mn)= (Vn(m/s)/D)*60/π AN : v(tr/mn)=(0.5/0.05) * 60/π =191 tr/mn
► Calculons le couple continu Tc :
Tc= (D/2)*(M*g)/η AN : Tc=(0.05/2)*(20*9.81)/0.9=5.45Nm
► Calculons la puissance mécanique nécessaire :
Convertissons d’abord 191tr/mn en rd/s � 191*2*π/60=20.001 rd/s
Pm=Tc*ω AN : P=5.45*20.001=109watts
Nous avons besoin d’un moteur de puissance minimum de 109 watts alimenté sous 24v avec un
couple mini de 5.45Nm à la vitesse de 191tr/mn.
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3.2 Choix du moteur
Nous allons procéder au choix du moteur équipé d’un frein et d’un réducteur dans le catalogue de
Dunkermotoren en veillant à ce que la vitesse de sortie du réducteur soit la plus proche de la valeur
calculée ci-dessus.
Donc si nous choisissons le moteur ayant une vitesse angulaire de 3200tr/mn ,
nous aurons comme rapport de réduction n=3200/191=16.75 . En consultant le catalogue (voir annexe
1 page1/6 et 2/6), nous choisissons le réducteur PG63 d’un rapport de 16.8 proche de celui trouvé par
calcul.
► Calculons maintenant le couple en sortie du réducteur sachant son rendement ηr =0.81 .
Le moteur choisi à un couple de 0.62Nm pour la vitesse de 3200tr/mn . Nous aurons donc à la sortie
du réducteur la valeur du couple déterminée par l’expression suivante :
Tcm=Tm*n*ηm AN : Tcm=0.62*16.8*0.81=8.43Nm
►Calculons la puissance mécanique Pm fournie par ce moteur avec sa réduction :
Pmr=Tcm*ω An : Pmr=8.43*20,001=168.6 watts
Le moteur choisi ci-dessus couvre largement ce besoin de puissance car il est de 240watts soit deux
fois plus la puissance dont nous avons besoin.
4. Dimensionnement partie électrique
Pour le dimensionnement électrique nous procéderons par définir le bilan de puissance en calculant
l’intensité maximum consommée dans le circuit de puissance ainsi que dans le circuit de commande.
Nous fixerons ensuite une densité de courant nous permettant de déterminer les sections des câbles
utilisés. Nous dimensionnerons également le disjoncteur différentiel en tête de ligne en amont du trans-
formateur puis le fusible en aval du transformateur protégeant les circuits puissance et commande des
des courts circuits.
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4.1 Dimensionnement partie puissance
Une alimentation stabilisée de laboratoire pouvant fournir 30V/10A , protégée des courts circuits et
surcharge , fournit au moteur ,par le biais d’un variateur, la puissance nécessaire à son fonctionnement.
Nous allons donc pas nous occuper de son dimensionnement car le constructeur en a fait son affaire.
Le moteur bipolaire dédié à la porte cabine , le circuit de sécurité, les éclairages cabine et gaine, le
frein moteur traction ainsi que tous les autres éléments seront alimentés par un transformateur dont
nous allons veiller à bien dimensionner ci-dessous :
Faisons d’abord le bilan de puissance consommé par les charges en aval :
Moteur pas à pas : 4Vdc/0.8A
Frein moteur : 24Vdc=/0.31A
Codeur incrémental : 5Vdc/0.085A
10 Boutons de commande cabine et palier : 24Vdc/0.01A/boutons--�0.01*10�0.1A
6 Indicateurs de position :5Vdc/0.025A /segment--�7*6*0.025---�1.5A
2 Doigts magnétiques pour la position : 24Vdc/0.15A/doigt-�2*0.15�0.3A
1 Doigt magnétique pour la sélection :24Vdc/0.15A
Circuit chaine de sécurité :24Vdc /3.28A avec longueur de câble de 6m .
Spot éclairage cabine :12Vdc/0.24A
Synthèse vocale :5v/0.025A
Consommation max carte Arduino :5v/0.8A
Consommation totale des charges= 7.59A
Puissance max à fournir =7.59x24= 182.16 watts
Le constructeur du transformateur préconise d’appliquer la formule suivante pour choisir le transfor-
mateur (voir annexe 6).
P appel=0.8*( ∑Pm+∑Pv +Pa)
∑Pm : Somme de toutes les puissances de maintien des contacteurs
∑Pv : Somme de toutes les puissances résistives
Pa : Puissance d’appel du plus gros contacteur
Dans notre circuit électrique nous n’avons pas de contacteurs donc ∑Pm +Pa=0.
P appel =0.8*182.16=145.72VA
En consultant le tableau des puissances instantanées admissibles en VA avec un cosφ=0.5 (voir an-
nexe3 page 5/6 ) ,nous prenons la valeur immédiatement supérieure à 145.72VA c'est-à-dire 160VA.
Puis nous choisissons en fonction de la puissance instantanée admissible en VA avec un cosφ=0.5 , la
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puissance nominale de 100VA pour le transformateur . Donc le transformateur sera de valeur
100VA/24V.
Déterminons les fusibles de protection du circuit de commande :
Ic/c min= Us/((U²s/P)*Uc/c%/100+(2ρl/S))
Us : Tension secondaire du transformateur
P= puissance du transformateur
Uc/c %= tension de court-circuit du transformateur
L=longueur de la ligne en m
S=section de la ligne en mm²
ρ=0.027ohm mm²/m
On relève sur la courbe de dimensionnement par la chute de tension sous cosφ=0.5 Uc/c%=2.5%
(voir Annexe3 page 5/6 )
La longueur de la ligne est de 6m
La section du câble est 2mm²
De ces informations nous calculons Ic/c min =24/((24²/100)*0.025+(0.027*6/2)=106.66 A.
Si nous prenons un temps de coupure à 5s maximum pour le courant Ic/c min
Nous trouvons d’après le constructeur le fusible gG en fonction de la relation suivante :
In<= Ic/cmin/4 � AN : In= 122.32/4=26.66
Le calibre standard du fusible gG appelé F1 sur le schéma de puissance sera alors de 32A .
Pour le choix du disjoncteur en amont , nous devons connaître le courant de court-circuit du réseau.
Le transformateur est installé sur un réseau d’EDF tarif bleu (6,KVA à 36KVA) avec une puissance
souscrite de 6 KVA .
Pour ce type de tarification, EDF limite par le biais de fusible d’accompagnement disjoncteur le cou-
rant de court-circuit maximum à 4kA.
Nous choisirons donc un disjoncteur qui aura un pouvoir de coupure supérieur ou au moins égal à
notre courant de court-circuit accompagné d’un différentiel de 30mA pour la protection des personnes.
En consultant le catalogue de Legrand , nous prendrons le disjoncteur différentiel type C DNX3 4.5kA
de 32A et de pouvoir de coupure 6kA avec un I∆n 30mA. (voir annexe 3page 1/6 à 4/6)
24
Déterminons la valeur de C1 condensateur de filtrage de la tension après redressement .Ce condensa-
teur doit supporter la tension crête c'est-à-dire 28 volts en sortie du transformateur multipliée par ra-
cine de 2 .
Vcmax=28 *racine²(2)=28*1.414=39.59V
de cette valeur nous enlevons la chute de tension des deux diodes de redressement sur une alternance
ce qui donne Vcmax-(2*0.7)=39.59-1.4 =38.19V
Nous souhaiterons limiter l’ondulation de la tension à 10%. Nous avons alors Vfluc=Vcmax*10%
Après ce condensateur nous avons un régulateur de tension 24V qui va délivrer une tension continue
quasi parfaite de 24V. Nous rajoutons cependant un autre condensateur C2 dont la valeur donnée est
conseillée par le constructeur du régulateur pour lisser la tension de sortie .
Nous choisirons un condensateur standard de 10000����F/50V.
4.2 Dimensionnement partie commande
Nous nous fixons une densité de courant de 5A/mm²
Pour le Moteur pas à pas : 4Vdc/0.8A –Longueur de câble 6m
S=0.8/5=0.16mm²
nous prendrons un fil standard de 0.2mm²
Pour le Frein moteur : 24Vdc=/0.31A -Longueur de câble 4m
S=0.31/5=0.062mm²
nous prendrons un fil standard de 0.08mm²
Pour le codeur incrémental : 5Vdc/0.085A- Longueur de câble 2.5m
S=0.085/5=0.017mm²
nous prendrons un fil standard de 0.08mm²
1 Doigt magnétique pour la sélection : 24Vdc/0.15A
S=0.15/5=0.03mm²
nous prendrons un fil standard de 0.08mm²
25
Circuit chaine de sécurité :24Vdc /3.28 A � longueur câble de 6m
S=3.28/5=0.656 mm²
nous prendrons un fil standard de 0.75mm²
Spot éclairage cabine :12Vdc/0.24A
S=0.24/5=0.048 mm²
nous prendrons un fil standard de 0.08mm²
Synthèse vocale :5v/0.025A
S=0.025/5=0.005 mm²
nous prendrons un fil standard de 0.08mm²
Déterminons maintenant la valeur des résistances et de la diode à installer pour avoir notre tension
d’entrée de 24Vcc réduite et stabilisée à 4.7V, puis vérifions le résultat avec Isis.
La tension de la diode zener Vz à choisir doit être égale à la tension de sortie Vs que l’on désire stabi-
lisée en l’occurrence 4.7V.
Commençons par calculer la valeur R2 si nous désirons avoir une intensité de 20mA en sortie :
R2=Vs/Is=4.7/0.02=235ohms . La valeur standard proche est 220omhs
La tension d’entrée VeM=Vem=24V
Izmin vaut 1mA (voir annexe 4 page 2/7)
En faisant la loi des mailles en entrée nous allons déterminer la valeur de R1 :
R1= (VeM - Vs) / (isM + Izmin)=(24-4.7)/(0.02+0.001)=919ohms Nous choisirons la valeur standard 1Kohms. Calculons la puissance dissipée par la résistance R1 : PR1=(VeM-Vs)²/R1=0.36W Calculons la puissance dissipée par la résistance R2 : PR2=(Vs)²/R2=0.10W Calculons la puissance dissipée par la diode zener : Pz=(VeM-Vz)*Vz/R2=0.09W
26
Simulation sur Proteus-Isis
Figure 6
4.3 Schémas électriques
Figure 7
27
Figure 8
Figure 9
28
Figure 10
Figure 11
29
5. Dimensionnement partie mécanique
Dans cette partie nous aborderons le dimensionnement de la structure gaine, cabine ainsi que le câble
de traction , son adhérence et pour finir nous vérifions l’arbre moteur.
5.1 Dimensionnement gaine
La dimension de la gaine est définie en fonction de plusieurs paramètres. Parmi ces paramètres il y a
les dimensions de la cabine et portes après viennent ensuite les dimensions du matériel utilisé dans la
gaine puis les distances requises définies par la norme entre partie mobile (cabine) et partie fixe (élé-
ments gaine).
En outre la norme fixe également les volumes de sécurité de refuge en partie haute entre le toit de ca-
bine et la partie basse entre dessous cabine et cuvette et ceux partant des parties les plus saillantes. Ces
volumes tiennent compte aussi la vitesse de la cabine et des types d’amortisseurs utilisés à savoir des
amortisseurs à dissipation d’énergie ou d’amortisseurs à accumulation d’énergie suivant leur course.
Il arrive parfois dans certaines configurations de bâtiments existants types hausmanniens , ces volumes
de sécurité ne peuvent être tenus, dans ces situations la norme préconise l’installation d’un dispositif
de sécurité écartant ce danger d’écrasement avec l’accompagnement d’une analyse de risques.
La partie structure doit être dimensionnée suivant la norme CM 66 et ou Eurocode 3 de façon à sup-
porter les charges qui lui sont soumises en restant dans la limite élastique.
Dans notre cas nous n’aurons pas besoin de vérifier le dimensionnement de notre structure métallique
en tube de 30x30x2 formant la gaine car les charges maximales qui lui sont appliquées (20kg+
0.5*20*0.5²)=22.5kg sont très loin des contraintes que peuvent supporter l’acier c'est-à-dire
24daN/mm².
Vous trouverez ci-dessous la vue 3D de la gaine ainsi que la vue en plan.
30
Figure 12
31
Figure 13
5.2 Dimensionnement cabine
Les dimensions de la cabine sont définies suivant sa charge et sa surface. Ces deux critères sont liés et
normalisés (voir tableau en annexe 5 Page1/3 ).
La charge utile dépend du nombre de passagers en raison de 75 kg/personnes et de sa surface environ
0,25m²/personnes. En plus de ces critères normatifs il y a d’autres fonctionnels qui s’y rajoutent à sa-
voir la hauteur libre sous plafond cabine , le passage et hauteur libre de la porte sachant pour
l’accessibilité des personnes à mobilité réduite PMR il faut 800mm de largeur de porte, 1000mm mini
de largeur cabine et 1250mm mini de profondeur. Se ramenant à notre maquette nous avons un équiva-
lent d’une cabine de 1500kg au niveau surface à échelle réduite de 1/10ème respectant l’accès PMR.
Cependant nous limiterons la charge à 1000kg ramenée à l’échelle 1/10ème .
Cette cabine , « sa masse et sa charge utile » est soutenue par les traverses de l’étrier en partie basse
isolée par des cylindres blocs, elle est tenue en partie haute par les montants de l’étrier. Les parois ,
planchers, plafond sont boulonnés et dimensionnés pour résister au sectionnement.
32
Figure 14
Figure 15
33
5.3 Dimensionnement câble de traction
Le bon dimensionnement de ces câbles de traction est capital car la cabine est suspendue à travers eux.
D’ailleurs la norme prévoit des coefficients de sécurité importants à cet égard avec un nombre mini de
câbles dépendant du type d’entraînement choisi à savoir adhérence ou tambour. Dans le cas de
l’adhérence il faudrait un minimum de 3 câbles et pour le tambour il faudrait 2 câbles. Leurs sections
dépendent de la charge suspendue. Un rapport mini entre le diamètre de la poulie et celui du câble est
fixé par la norme (voir annexe 5page2/3). Les procès-verbaux de résistance à la rupture des câbles sont
tenus d’être dans le dossier technique de l’installation.
L’adhérence de ces câbles sur les poulies doit être vérifiée. Ce câble s’enroule sur un tambour lisse en
aluminium pour cela nous ne vérifierons pas l’adhérence.
Pour notre cas nous sommes en entraînement par tambour il nous faudrait donc 2 câbles de traction
mais nous nous permettrons d’en utiliser un seul de diamètre 3mm en nylon dont la charge à la rupture
est de : 30KG . La charge maximale portée par les câbles est de 22.5kg. Pour notre application nous
nous pouvons nous permettre de ne pas appliquer certains points de la norme car nous ne transportons
pas de personnes.
5.4 Dimensionnement arbre moteur
L’arbre moteur subit d’énormes contraintes combinées de torsion et de cisaillement. Le constructeur
donne obligatoirement la charge maximale qu’il peut supporter. A partir de cette information nous
nous contenterons de vérifier la charge que nous allons lui appliquer.
Et cette charge nous l’avons déjà définie au moment du dimensionnement de la puissance mécanique
du moteur. Elle est de 20Kg + la charge dynamique ce qui nous donne 22.5kg et l’arbre peut suppor-
ter jusqu’à 25kg d’après le constructeur.
34
6. Gestion du projet
Dans le respect des objectifs fixés par le cahier des charges, à savoir les performances attendues , le
budget alloué et le délai fixé, il devient sinéquanon de définir une politique de gestion du projet en
tenant compte du niveau des technologies utilisées les plus à la pointe et dont on a un bon retour
d’expérience moyennant le rapport qualité prix , les temps de mise en œuvre, les moyens matériels
participant à la réduction des temps , des délais de livraison à raccourcir si possible en négociant avec
les fournisseurs , le transport si nécessaire , l’accessibilité, la maintenabilité, le recyclage.
6.1 Plans d’ensemble
Ces plans d’ensemble nous permettent de matérialiser dans les trois plans de l’espace l’ensemble des
matériels composants l’ascenseur et permettant son fonctionnement dont vous trouverez les vues ci-
dessous :
35
Figure 16
36
Figure 17
37
Figure 18
38
6.2 Nomenclature matérielle
Voilà en dessous le listing des pièces utilisées dans la construction de l’ascenseur.
Liste d'approvisionnement Type Quantité Qualité Longueur Largeur Poids Total
de la pièce Poids
(pièce) (mm) (mm) (kg/pièce) (kg)
�������������������������������� ��������
Tube carré 20*2 14 S235JR 396 0,4 5,8
Tube carré 20*2 10 S235JR 356 0,4 3,7
Tube carré 20*2 8 S235JR 200 0,2 1,7
Tube carré 30*2 8 S235JR 1 000 1,7 13,4
PL40x3 5 S235JR 139 0,1 0,7
Tube carré 30*2 4 S235JR 240 0,4 1,6
PL30x3 4 S235JR 400 0,3 1,1
PL30x3 4 S235JR 420 0,3 1,2
PL35X3 2 S235JR 1 000 0,8 1,6
Tube carré 20*2 4 S235JR 380 0,4 1,6
Tube carré 30*2 4 S235JR 105 0,2 0,7
T20 2 S235JR 2 000 1,8 3,5
Tube carré 20*2 1 S235JR 396 0,4 0,4
PL35X3 2 S235JR 1 085 0,9 1,8
72 38,9
������������ ��������
PL 2x45x20 48 S235JR 45 20 0 0,7
PL 2.5x213x60 10 VSt3ps6 213 60 0,3 2,5
PL 2.5x60x20 10 Aluminium 60 20 0 0,2
PL 3x500x460 4 VSt3ps6 500 460 5,4 21,7
PL 3x500x420 4 VSt3ps6 500 420 4,9 19,8
Type Quantité Qualité Longueur Largeur Poids Total
A ce stade nous devons faire subir à notre système des perturbations en entrée- sortie pour pouvoir
juger ses performances comparées aux objectifs fixés.
Nous utiliserons une impulsion pour simuler une perturbation constante de courte durée pour l’erreur
de position , une rampe pour simuler une perturbation pour l’erreur de vitesse et un échelon pour une
perturbation constante.
Pour la robustesse nous pouvons mieux l’apprécier par la valeur de la marge de module Mm et la
marge de retard Mr.
9. Choix du Microcontrôleur
9.1 Les Critères de choix Le choix d’un microcontrôleur est très simple en soi. Il suffit de connaître en premier le nombre
d’entrées /sorties que l’on désire leurs types à savoir analogique ou numérique , quels périphériques
d’application pour communiquer avec le monde extérieur , leur nombre ,combien d’interruptions ex-
ternes sur événements souhaités , et enfin vient en dernier la taille des mémoires RAM/FLASH ainsi la
vitesse du processeur désirée.
Aujourd’hui les constructeurs de microcontrôleur nous rendent cette tâche facile en nous mettant des
configurateurs sur internet pour faire nos choix comme le cas de microchip avec Maps.
Pour des applications moins complexes nous disposons aujourd’hui des cartes de développements en C
Open source abritant un microcontrôleur avec des périphériques avancés et beaucoup d’entrées sorties
comme par exemple les cartes arduino . Il y en a différents types selon ce que l’on désire .Nos be-
soins pour notre application sont définis ci-dessus :
80
9.2 Tableau des caractéristiques techniques
9.3 Choix du microcontrôleur
Notre application utilisera la carte Arduino Mega avec le microcontrôleur Atmega 2560 de chez AT-
MEL, dont voilà ci-dessous les caractéristiques :
- Microcontroller ATmega 2560 - Operating Voltage 5V - Input Voltage (recommended) 7-12V - Input Voltage (limits) 6-20V - Digital I/O Pins 54 (of which 15 provide PWM output) - Analog Input Pins 16 - DC Current per I/O Pin 40 mA - DC Current for 3.3V Pin 50 mA - Flash Memory 256 KB of which 4 KB used by bootloader- SRAM 8 KB - EEPROM 4 KB - Clock Speed 16 MHz
Rôle broche Type de signal Type de Qté
Entrées Numérique 33
Analogique
Sorties Numérique 34
Analogique 2
Timers Digital 8 bits
16bits 1
Interruptions Digital 3
Communication Digital I2C 1
Communication Digital SPI 1
Communication Digital USB 1
Communication Digital Ethernet 1
Tableau 6
81
- Serial: 0 (RX) and 1 (TX); Serial 1: 19 (RX) and 18 (TX); Serial 2: 17 (RX) and 16 (TX); Serial 3: 15 (RX) and 14 (TX).
[6],L’Ascenseur une longue histoire http://www.ascenseurs.fr/content/download/358/2606/version/6/file/Historique++com
plet.pdf
[7], histoire des ascenseurs - Saint Georges sur fontaine www.saintgeorgessurfontaine.com/otis.htm [8],Tour des records à Dubaï pour conjurer la crise - Le Figaro http://www.lefigaro.fr/conjoncture/2010/01/02/04016-20100102ARTFIG00145-tour-des-records-a-dubai-pour-conjurer-la-crise-.php [9], JEREMY BLUM. Tutorials for Arduino (20 vidéos ) https://www.youtube.com/channel/UC4KXPjmKwPutGjwFZsEXB5g [10], JEREMY BLUM. Tutorials for Cadsoft eagle (3 vidéos ) https://www.youtube.com/playlist?list=PL868B73617C6F6FAD [11], Aaron LEE. Arduino Tutorial (11 vidéos) https://www.youtube.com/channel/UCpXPZ1Fk03fI4cObt6VGSoQ [12],Arduino Step by Step (46 vidéos) https://www.youtube.com/channel/UCWDoV_pvMOBr7ekrZJ7qEbQ [13], Jean Philippe MULLER. Réponse d’un système (1 vidéo) https://www.youtube.com/watch?v=rmT9pe_H6Tc [14], Prof. Madan Gopal, Department of Electrical Engineering, Control system (41 vidéos) https://www.youtube.com/playlist?list=PLA74601484F6994D8