Exercices sur les principes de l'ouvre-porte motorisé, Exercices de Analyse circuit électriques
Marcel90
Marcel9022 April 2014

Exercices sur les principes de l'ouvre-porte motorisé, Exercices de Analyse circuit électriques

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Exercices de technologies industrielles sur les principes de l'ouvre-porte motorisé. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: Présentation du système, Extraits de la documentation technique et commerciale, Consti...
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Microsoft Word - TEXTE SUJ B OP _ SI 2010 .doc

Épreuve orale de contrôle SUJET B Page 1/17

BACCALAUREAT GENERAL Session 2010

Série S Sciences de l'Ingénieur

EPREUVE ORALE DE CONTRÔLE

Coefficient : 9 Préparation : 2 heuresDurée de l'épreuve : 30 min

Aucun document n'est autorisé.

Le matériel autorisé comprend toutes les calculatrices de poche, y compris les calculatrices programmables alphanumériques ou à écran graphique, à condition que leur fonctionnement soit autonome et qu'il ne soit pas fait usage d'imprimante, conformément à la circulaire n°99-181 du 16 novembre 1999.

OUVRE-PORTE MOTORISE

Composition du sujet : Un dossier TECHNIQUE (P. 1 à 6/17) Un dossier GUIDE POUR LA PRESENTATION ET COMMENTAIRE DES RESULTATS (P. 7 à 17/17)

Déroulement de l’épreuve :

A l’issue des 2 heures de préparation, le candidat expose le résultat de ses travaux pendant 15 minutes, en s’appuyant le cas échéant et si nécessaire sur les documents réponse qui ne seront pas évalués. Puis pendant 15 minutes, des questions relatives au contenu des travaux présentés, portant sur les connaissances nécessaires à la résolution des problèmes à résoudre sont posées au candidat.

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Présentation du système L'ouvre-porte motorisé « WELM »© (voir DT1) de la société DITEC permet de réaliser l'automatisme d'ouverture et/ou de fermeture d'une porte battante. Il permet ainsi de faciliter, par exemple, le passage des personnes handicapées ou encore l'accès à un local lorsque l'on a les bras chargés.

L’ouverture de la porte peut être commandée par le biais d’un détecteur volumétrique de présence ou par le biais d’un bouton poussoir.

La commande de fermeture de la porte s’effectue automatiquement grâce à une temporisation, dont le réglage est effectué lors de l’installation du système.

Les obstacles ou les butées de fin de course sont détectés électroniquement par surveillance du courant dans le moteur électrique et ne nécessitent donc pas de capteurs physiques.

Le cycle de fonctionnement de l’automatisme peut être décrit par le grafcet ci-dessous :

0

1

2

3

Ouverture demandée

Porte ouverte

Temporisation écoulée

Obstacle ou ouverture demandée

Obstacle

OUVRIR LA PORTE

LANCER UNE TEMPORISATION

FERMER LA PORTE

Porte fermée

Ouvre-porte motorisé WELM©

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Extraits de la documentation technique et commerciale

Motorisation :

Degré de protection IP 31

Alimentation électrique 230 V / 50-60 Hz

Intensité du courant absorbé 1 A

Couple maximal disponible en sortie du réducteur 50 Nm

Tension nominale du moteur 24 Vcc

r : résistance interne du moteur 1

K : constante de couple du moteur = constante électrique 0,392 (Nm/A ou V.s/rd)

Réducteur roue et vis sans fin

Rendement du réducteur

Zvis = 1 filet Zroue = 60 dents 0,6

Conditions de fonctionnement :

Temps d’ouverture 2 à 22s / 90°

Temps de fermeture 2 à 22s / 90°

Alimentation autonome (en option) 24 Vcc / 0,5 A

Température de fonctionnement -20°C / +50°C (Batteries: +5°C /+40°C)

Domaine d’application :

Dimensions recommandées pour un usage très intensif (600 cycles/jour)

Dimensions recommandées pour un usage intensif (100 à 200 cycles/jour)

Usage non autorisé

kg = masse du vantail mm = longueur du vantail

Épreuve orale de contrôle SUJET B Page 4/17

DOCUMENT TECHNIQUE DT 1

Constitution d’un automatisme WELM©

6 : Flasques 7 : Carte de commande (microcontrôleur + hâcheur) 8 : Moteur à courant continu 9 : Plaque support 10 : Codeur incrémental 11 : Réducteur roue et vis sans fin 13 : Carter

SORTIE DU MOTOREDUCTEUR,

SOLIDAIRE DU BRAS MOTEUR A

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DOCUMENT TECHNIQUE DT 2

Schéma cinématique

Mur Mur WELM©

Arbre de sortie du motoréducteur

Bras moteur A

Bras articulé B

Porte

A

E

D

B

y

x

BRAS ARTICULE B

BRAS MOTEUR A

WEL

Porte MUR

Installation du système WELM© avec la porte.

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DOCUMENT TECHNIQUE

DT 3

Schéma de principe du modulateur d’énergie (hâcheur) et du moteur électrique du mécanisme WELM©

Moteur à courant continu

- UM = E + r.I

- E = K . Ω - T = K . I

E : Fém (en V) T : Couple moteur (en N.m) Ω : Vitesse de rotation (en rd/s) K : Constante électrique (en V.s/rd) = constante de couple (en Nm/A) r : Résistance interne du moteur (en Ω) I : Courant absorbé par le moteur (en A) UM : Tension aux bornes du moteur (en V)

M …

38 V

T1

T2

T3

T4

Vi Rshunt = 1 Ω

UM Ordres de commande provenant du

microcontrôleur

Ordres de commande provenant du

microcontrôleur

Ordres de commande provenant du

microcontrôleur

Ordres de commande provenant du

microcontrôleur

T1 à T4 : interrupteurs électroniques (transistors)

E

r

I

UM

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QUESTIONNEMENT : Ce type de produit, compte tenu de son utilisation dans des espaces destinés à l’accueil du public (et plus spécialement dans le domaine médical) doit répondre à un certain nombre de normes au niveau de la sécurité des usagers. Parmi ces contraintes, la norme DIN 18650-1, fixe les plages admissibles de vitesse d’ouverture et de fermeture des vantaux et l’effort maximal admissible entre le battant et un obstacle dans le cas d’une opposition accidentelle au mouvement de ceux- ci. Cette étude se propose d’analyser et d’estimer la validité des solutions apportées pour répondre aux exigences définies précédemment. • Etude 1 : Analyse de la constitution générale de l'ouvre-porte motorisé « WELM »© • Etude 2 : Validation de l’amplitude de réglage des vitesses d’ouverture et fermeture. • Etude 3 : Condition de sécurité relative à la présence d’un obstacle s’opposant au

mouvement des portes. • Etude 4 : Autonomie de l’ouvre-porte en fonctionnement sur batterie.

ETUDE 1 : Analyse de la constitution générale de l'ouvre-porte motorisé « WELM »©

Question 1.1 : (sur document réponse DR1)D’après la description de l’automatisme « WELM© » et des informations du DT1, compléter la décomposition fonctionnelle du document réponse DR1 en indiquant :

- les supports des fonctions Acquérir, Traiter, Distribuer, Convertir et Transmettre ; - le type et la nature* des énergies en sortie des fonctions Distribuer et Convertir.

* exemples : Energie mécanique de translation, énergie électrique...

Question 1.2 On désire automatiser l’ouverture d’une porte, située en milieu hospitalier, de longueur 1.20 m et de masse 40 kg. On estime la fréquence d’ouverture/fermeture à 400 cycles par jour.

A l’aide du tableau page 3 :

- Valider le choix de l’automatisme WELM© pour cet usage. Justifier. Question 1. 3 : Auto-apprentissage des butées fin de course L’ouverture et la fermeture comprennent des phases d’accélération et de décélération en début et fin de cycle permettant ainsi un fonctionnement fluide des portes.

Le système ne requiert pas de capteurs de fin de course pour connaître les emplacements des butées d’ouverture et de fermeture de la porte. En effet, ceux-ci sont gérés électroniquement par le biais du microcontrôleur et d’un codeur incrémental (32 encoches), placé sur l’arbre moteur (voir ci-contre).

Principe de fonctionnement :

Après la mise sous tension du système et lors du premier cycle d’ouverture (il en sera de même ensuite pour la première phase de fermeture), le moteur tourne en permanence à la vitesse de 167 tr/min. Pendant cette première phase d’ouverture, le microcontrôleur compte le nombre d’impulsions émises par le capteur incrémental. Lorsque la porte arrive en butée mécanique (mur, butoir de porte…), le microcontrôleur détecte cet arrêt de la porte (absence de signal émis par le codeur incrémental) et mémorise alors le nombre total d’impulsions reçues. Cette valeur est stockée dans une variable « Nio ».

Codeur incrémental placé en bout d’arbre moteur

Roue 32 encoches Détecteur photoélectrique

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Par la suite, cette valeur mémorisée Nio quantifie le nombre de tours que doit effectuer le moteur pour effectuer une ouverture complète. Ainsi, lors des prochaines phases d’ouverture, le microcontrôleur compare la constante Nio mémorisée avec le nombre d’impulsions reçues et adapte en conséquence la loi de variation de vitesse du moteur (accélération, vitesse constante, décélération puis arrêt).

La phase d'ouverture est composée d'une accélération progressive de la vitesse de rotation du moteur jusqu'à atteindre une vitesse maximale d'ouverture définie. Puis, juste avant d'arriver en fin de course, la vitesse de rotation du moteur décroît progressivement jusqu'à atteindre une vitesse d’approche très lente.

Sachant que :

- lors de la première phase d’ouverture, le moteur tourne à vitesse constante de 167 tr/min durant toute la durée du cycle ;

- le codeur incrémental fourni 32 impulsions par tour de l’arbre moteur ;

- la durée de cette première phase d’ouverture dure 12 s.

Calculer le Nombre d’impulsions à l’ouverture « Nio » reçues par le microcontrôleur lors de cette première phase d’ouverture.

Question 1. 4 : Par la suite, la loi de variation de vitesse moteur lors de l’ouverture est paramétrée par le microcontrôleur comme suit (durée d’ouverture de 5s) :

Tc : Durée du cycle complet d’ouverture

Ta : Durée de la phase d’accélération de la vitesse moteur. Représente 5% de Tc

Tm : Durée de la phase à vitesse moteur max. constante. Représente 65 % de Tc.

Td : Durée de la phase de décélération de la vitesse moteur. Représente 30 % de Tc

Calculer les nombres d’impulsions Na, Nm et Nd reçues lors des différentes phases Ta, Tm et Td en considérant que Nio = 1070 impulsions.

Question 1.5 (sur document réponse DR2)Les algorigrammes qui décrivent la gestion de la loi de commande en vitesse du moteur sont donnés partiellement sur le document réponse DR2. Le premier algorigramme (macro « ouverture ») gère la première ouverture à vitesse constante et permet la mémorisation du nombre total d’impulsions reçues Nio (avant blocage moteur) lors d’un cycle complet d’ouverture.

Le deuxième algorigramme est appelé par la macro « Commande ouverture ».

Il lance les différentes commandes en vitesse du moteur (accélération, vitesse constante, décélération et approche).

Vitesse maximale = 500 tr/min

Vitesse d’approche = 70 tr/min

Tc = 5s

Vitesse de rotation du moteur

t 0Ta = 0,25s Tm = 3,25s Td=1,5s

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Dans les deux algorigrammes, une même variable N est incrémentée en permanence à chaque impulsion reçue. Elle n’est remise à zéro qu’au début de chaque algorigramme. Compléter les tests de l’algorigramme « commande ouverture » en utilisant les variables Na, Nm et Nd qui sont calculées dans une autre partie du programme non étudiée ici. Compléter la partie de l’algorigramme « ouverture » qui concerne la valeur à affecter à la variable Nio. En cours de fonctionnement, si la butée mécanique de fin de course est déplacée (réduction ou augmentation de l’angle d’ouverture), le microcontrôleur considère qu’il faut relancer le cycle de 1ère ouverture.

Conclure sur l’intérêt technologique de ce mode de fonctionnement.

ETUDE 2 : Validation de l’amplitude de réglage des vitesses d’ouverture et fermeture. L’installateur peut régler, par le biais de potentiomètres, les vitesses minimum et maximum d’ouverture/fermeture des portes. Le tableau ci-dessous donne les plages de réglages possibles pour des portes destinées au passage de personnes handicapées.

Description MIN MAX VA Vitesse d’ouverture

Temps d’ouverture 4° / s

22 s / 90° 44° / s

2 s / 90° VC Vitesse de fermeture

Temps de fermeture 4° / s

22 s / 90° 44° / s

2 s / 90° Tableau 1 : Plage de réglage des vitesses d’ouverture et fermeture

des portes destinées au passage de personnes handicapées. L’étude suivante va permettre de valider la vitesse MAXIMALE, d’ouverture ou de fermeture des portes, indiquée ci-dessus. Variation de vitesse électronique Le modulateur d’énergie et le moteur électrique du mécanisme WELM© sont schématisés sur le DT 3 : On relève l’allure de la tension UM aux bornes du moteur ainsi que celle du courant IM absorbé par celui-ci lors d’une fermeture à vitesse MAXIMALE. On obtient les oscillogrammes ci-dessous :

38 V

0 V

0 A

1,2 A

16,1 µs29,9 µs

t

t

UM (V)

IM (A) t

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Question 2.1

- Donner la valeur du rapport cyclique du signal UM.

- En déduire la valeur moyenne de la tension UM. A l’aide des informations données sur le DT3 : - Calculer la fem E du moteur pour ce point de fonctionnement. - En déduire la vitesse MAXIMALE de rotation (en tr/min) en sortie du moteur. - Calculer le rapport de transmission du réducteur roue et vis sans fin et en déduire la vitesse de rotation MAXIMALE obtenue en sortie de celui-ci.

Par la suite, on admettra que la vitesse MAXIMALE de rotation en sortie du réducteur

est 9,76 tr/min et que la porte est en phase de fermeture. Question 2.2 : D’après le schéma cinématique du DT2 et les informations du document réponse DR3: - Quelle est la nature du mouvement du bras moteur A par rapport au mur ?- En déduire la direction du vecteur vitesse du point D appartenant au bras moteur par rapport au mur (VD Bras moteur/mur). - Calculer la norme de VD Bras moteur/mur. - Représenter graphiquement, sur le document réponse DR3, le vecteur VD Bras moteur/mur. Question 2.3 : D’après le schéma cinématique du document technique 2 : - Quelle est la nature du mouvement du bras articulé B par rapport au mur ? - Montrer que VD Bras moteur/mur = VD Bras B/mur. - Montrer que VB Bras B/mur = VB porte/mur Question 2.4 : D’après le schéma cinématique du document technique 2 : - Quelle est la nature du mouvement de la porte par rapport au mur ? - En déduire la direction du vecteur VB porte/mur. - Tracer le support du vecteur VB porte/mur sur le document réponse DR3. - Déterminer graphiquement le vecteur VB porte/mur sur le document réponse DR3. Question 2.5 : A partir du résultat précédent : - Calculer la vitesse de rotation MAXIMALE de la porte dans la phase de fermeture. - Celle-ci est-elle conforme aux données du tableau figure 1 (page précédente)?

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ETUDE 3 : VALIDATION DU COUPLE MOTEUR La norme DIN 18650-1 impose un effort maximal entre le battant et un obstacle de 150N. Cet effort apparaît lorsqu’un corps (personne, objet, chaise roulante…) entre en contact avec la porte lors de la fermeture de celle-ci.

L’étude suivante va permettre de valider que le mécanisme WELM© respecte bien la norme DIN 18650-1. Le contact accidentel entre la porte et le corps peut se produire en un point appartenant à différentes zones de la porte.

- La zone de contact I correspond à l’extrémité du battant. Le contact se produit ici si le corps entre en contact à l’extrémité de la porte.

- La zone de contact II correspond à une zone où il est fort probable que le contact se

produit, dans le cas d’une utilisation normale. - La zone de contact III est une zone où le contact peut se produire si le corps entre en

contact plutôt du coté des gonds de la porte. Cela peut se produire, par exemple, avec des fauteuils roulants ou des lits (milieu médical).

Etude du système lors d’un contact dans la zone III.

Une étude statique a déterminé que le couple en sortie du réducteur s’élève à 30 Nm lors d’un effort de 150N sur un point de la zone III. Question 3.1 - Sachant que le couple maximum disponible en sortie du réducteur est de 50 N.m, la norme DIN 18650-1est-elle respectée dans la zone III ?

Corps

Mur

Porte

Bras articulé

Fermeture

Zone de contact I

Zone de contact III

Zone de contact II

WELM©

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Le couple moteur maximal que peut délivrer le moteur est limité électroniquement. Cette limite est réglable lors de l’installation.

La résistance Rshunt, placée dans le pont en H (voir document technique 2), permet d’obtenir une tension Vi, image de l’intensité du courant dans le moteur électrique.

Question 3.2 : En vous aidant des données du tableau page 3 :

- Calculer le couple en sortie du moteur pour un couple de 30 Nm en sortie du réducteur. - En déduire la valeur du courant absorbé alors par le moteur ainsi que la tension Vi obtenue aux bornes de Rshunt.

- La tension Vi est, par la suite, comparée à une tension fixe de référence Vréf, réglable, par l’installateur, à l’aide d’une résistance ajustable (R2). En cas de dépassement du couple max. désiré (présence d’un obstacle), le comparateur de tension délivre une tension Vs au microcontrôleur afin de permettre à celui-ci d’inverser l’alimentation du moteur.

Le schéma de principe est le suivant :

V

Le fonctionnement du comparateur de tension est le suivant :

Si Vi > Vréf alors Vs = 5V : le microcontrôleur inverse l’alimentation moteur

Si Vi ≤ Vréf alors Vs = 0V : le microcontrôleur alimente normalement le moteur

Question 3.3 : - Quelle est la natures de chacun des signaux Vi, Vréf et Vs ? (logique, analogique ou numérique). Expliquer.

α . R2 + R3

Sachant que Vréf = . Valim

R1 + R2 + R3 - Calculer la plage de réglage pour la tension Vréf. Question 3.4 : (sur le document réponse DR4) R2 est ajustée de sorte à obtenir Vréf = 2 V. On se place dans le cas d’une phase de fermeture avec rencontre d’obstacle.

- Compléter les chronogrammes des tensions Vi et Vréf (sur le même graphe en précisant l’échelle des tensions) et le chronogramme de Vs en correspondance dans le temps avec les tensions précédentes.

COMPARATEUR

DE TENSION Vi

Vréf

MICROCONTROLEUR

Vs

R1 = 150 kΩ

R2 = 4,7 kΩ

R3 = 3,9 kΩ

avec α coefficient de réglage de R2 compris entre 0 et 1

Valim 38Vcc

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Question 3.5 : (sur le document réponse DR4) - Compléter les différentes phases obtenues au cours de ce cycle en utilisant les repères 1 à 4 ci-dessous : - 1 : Phase de fermeture à couple constant.

- 2 : Réouverture de la porte.

- 3 : Démarrage du moteur.

- 4 : Présence d’un obstacle.

- 5 : Présence d’un obstacle n’entraînant pas une réouverture de la porte. Question 3.6 : Afin de respecter la norme dans le cas d’un effort dans la zone III, le couple en sortie du réducteur doit être limité à 30 Nm :

- Calculer alors le coefficient α de la résistance R2 que l’installateur devra régler ? Justifier.- Calculer dans quelle plage de valeurs le couple en sortie du réducteur peut-être limité par réglage de la résistance R2 ? - Ce réglage permet-il de respecter la norme DIN ? Justifier votre réponse.

ETUDE 4 : ETUDE DE L’AUTONOMIE

L’ouvre-porte automatique prévoit, en option, un fonctionnement sur batterie afin de parer à une coupure de courant éventuelle. Le constructeur préconise alors la mise en place de 2 batteries 12V / 2Ah chacune afin d’obtenir une tension d’alimentation de 24 V. Question 4.1- Comment faut-il brancher les 2 batteries (série ou dérivation) ? Justifier. - Quelle est alors la capacité en Ah obtenue ? On suppose que l’angle d’ouverture est de 90°. Les temps d’ouverture et fermeture sont donnés dans le tableau fig.1 page 9 On considère que l’ouvre-porte automatique n’absorbe de l’énergie qu’en phase d’ouverture et fermeture. Le courant absorbé par le système est en moyenne de 1,5 A lors de ces phases. Question 4.2 - Calculer l’autonomie théorique (en h) du système. - En déduire l’autonomie en nombre de cycles d’ouverture/fermeture obtenue pour :

o une vitesse maximale programmée o une vitesse minimale programmée

Dans notre étude, la fréquence d’ouverture/fermeture est estimée à 400 cycles par jour. - L’autonomie minimale assurée par les batteries est-elle satisfaisante ?

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+

N = 0

début

1er cycle d’ouverture ?

Nio = 0

Commande moteur à

167 tr/min

Blocage moteur ?

Arrêt commande

moteur

Nio = …..?

fin

Commande ouverture

non

oui

Commande ouverture

N = 0

début

Accélération

N = …….. ?

Blocage moteur ?

Vitesse constante

N = ………... ?

Décélération

N = …………... ?

Approche

Blocage moteur ?

Blocage moteur ?

Blocage moteur ?

fin

N : variable incrémentée en permanence à chaque impulsion délivrée par le codeur incrémental. Elle n’est remise à zéro qu’au début de chaque algorigramme. Nio : variable donnant le nombre d’impulsions total reçues lors d’un cycle complet d’ouverture.

DOCUMENT REPONSE DR2

Ouverture

Au to

-a pp

re nt

is sa

ge d

e la

p os

iti on

d e

la b

ut ée

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DOCUMENT REPONSE DR3

Echelles Dimensions : 1 : 5,7 Vitesses : 1mm => 10mm/s

B

E

D

A

Épreuve orale de contrôle SUJET B Page 16/17

DOCUMENT REPONSE DR4

Question 3.4Question 3.5

t(s)

Evolution du courant moteur lors d’une phase de fermeture dans laquelle un obstacle est rencontré Courant moteur

(A)

0

2

t(s)

Vi (V), Vréf (V)

0

t(s) 0

5

Vs (V)

1

- 1

5

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DOCUMENT REPONSE DR1

Détection Blocage actionneur

ACQUERIR TRAITER

Chaîne d’information Modes de fonctionnement (depuis sélecteur de fonctions)

Présence humaine

Ordres de commande

Vers Sélecteur de fonctions

Chaîne d’énergie

CONVERTIR

TRANSMETTRE

Porte en position initiale

Ouvrir/fermer une porte

automatiquement

Porte en position finale

COMMUNIQUER

ALIMENTER

………………………… ………………………… ………………………..

Energie électrique continue ………………………… ………………………… ………………………….

………………………… ………………………… …………………………

DISTRIBUER

………………………… ………………………… …………………………

………………………… ………………………… …………………………

………………………… ………………………… …………………………

………………………… ………………………… …………………………

Energie électrique 230 V ∼ 50/60 Hz

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