Dans cette optique nous vous proposons une série d'articles sur la construction d'automates. Nous décrirons des dispositifs élémentaires sous forme de modules. Il appartiendra aux lecteurs de les combiner entre eux.
Le montage de ce mois-ci permettra de se familiariser avec les systèmes d'asservissement. Ils autorisent la liaison entre un circuit de commande et un dispositif quelconque. D'usage courant, ils sont employés en radiocommande et sont indispensables au fonctionnement des automates et robots. Cet article s'adresse donc tout particulièrement aux modélistes.
I - Qu'est-ce qu'un asservissement ?
Un dispositif d'asservissement a pour but d'astreindre un objet quelconque à occuper une position déterminée. Il comporte trois organes essentiels dont l'ensemble constitue un servomécanisme :
1° Un moteur qui a pour mission de déplacer l'objet par l'intermédiaire d'une transmission (chaîne, courroie ou engrenages ...).
2° Un contrôleur ou capteur de position, composé généralement par un potentiomètre dont l'axe est lié mécaniquement à l'objet. (On proscrira pour cette liaison tout système à courroie susceptible de déraper.)
3° Un circuit de commande (comparateur) qui agira sur le moteur en fonction de l'information fournie par le capteur et de la position que l'on veut faire occuper à l'objet. Il déterminera le sens de rotation du moteur ainsi que son arrêt lorsque la position correcte est atteinte.
En pratique, le schéma de base est celui de la figure 1. Un des potentiomètres sert de capteur, l'autre de bouton de commande. Les deux tensions variables, V1 et V2, issues de ces potentiomètres, sont appliquées aux entrées d'un ampli op. (utilisé comme comparateur) qui va amplifier leur différence.
Celui-ci délivrera, en sortie, une tension positive si V1 est plus grand que V2 et négative dans le cas contraire. Cette tension va alimenter le moteur.
Si le moteur est connecté dans le bon sens (une chance sur deux), il va fonctionner de manière à ramener constamment le potentiomètre capteur dans une position identique à celle du potentiomètre de commande.
Fonctionnement du servomoteur
En fait, la position d'équilibre est atteinte après une série d'oscillations. On les évite à l'aide d'un « comparateur à fenêtre » qui permet de ménager une plage de repos (moteur arrêté) autour de la position d'équilibre. Ce montage sera décrit plus loin.
On voit donc que ce principe permet, moyennant l'utilisation d'un moteur approprié, de commander n'importe quel mécanisme en partant d'une force minime.
II - Applications possibles
Un servomécanisme permet d'envisager un grand nombre d'adaptations personnelles (il suffit d'être un peu bricoleur) : construction d'automates, télécommande, orientation d'antennes, etc.
La figure 2 donne un exemple de bras articulé style manipulateur à distance pour laboratoire. On peut aussi construire plusieurs servomécanismes pour obtenir une mobilité dans d'autres directions.
Dans un prochain article nous verrons une application originale dans le domaine de la moto. En effet, cette étude a été menée par le Moto-Club de l'Ecole Spéciale de Mécanique et Electricité lors de la construction d'une moto destinée aux championnats de France de vitesse. Cette moto, équipée de l'allumage à capteur précédemment décrit, a obtenu de bons résultats aux championnats 81. (E.P. n° 13.)
III - Analyse du schéma (fig. 3)
Afin de pouvoir assurer l'autonomie du montage sur une batterie unique, l'alimentation de type symétrique (+ Vcc et - Vcc) n'a pas été retenue. La tension proche de 5 V sera fournie par une pile, une batterie ou bien des cellules solaires, ce qui est plus spectaculaire. Dans ce dernier cas il faudra utiliser une dizaine de cellules montées en série. On trouve d'ailleurs dans le commerce des panneaux (3 - 6 - 9 V) tout à fait appropriés à cet usage.
Le circuit comparateur est composé de deux amplis op. A1 et A2 qui vont commander la rotation du moteur dans un sens ou dans l'autre par l'intermédiaire de T1 et T2.
D1 et D2, munies des réglages P1 et P4, permettent d'ajouter ou retrancher quelques dixièmes de volts à la tension issue de P2, afin d'arrêter le moteur avant qu'il n'ait atteint la position d'équilibre.
Prenons un exemple :
Le curseur de P2 se trouve en dessous de la position de référence déterminée par P1 (voir conventions « haut » et « bas » sur schéma).
L'ampli A1 fournit alors une tension proche de + Vcc qui va provoquer la mise en marche du moteur et la « montée » du curseur de P2. La tension s'annulera à partir du moment où les entrées inverseuse et non inverseuse de A1 seront au même potentiel. D1 permet d'obtenir ce résultat lorsque le curseur de P2 est un peu en dessous de celui de P1.
Si l'inertie est trop grande, le curseur dépasse cependant la position d'équilibre, ce qui déclenche le fonctionnement du moteur en sens inverse (A2), entraînant ainsi une série d'oscillations.
Aussi a-t-on prévu les réglages P3 et P4 qui permettent de choisir la largeur de la plage de repos.
R1 et R2, en limitant la course totale, évitent que le moteur ne vienne forcer en butée.
Les LED D3 et D4 faciliteront les réglages.
Réalisation pratique
Comme cela a été dit, toute l'attention devra être portée sur l'aspect mécanique.
Le circuit imprimé (fig. 4) sera reproduit sans mal par une des nombreuses méthodes décrites dans la revue.
Le principal problème mécanique est celui de la liaison moteur-potentiomètre. On pourra utiliser des engrenages récupérés sur un jouet ou un programmateur de machine à laver. Il faudra choisir la démultiplication en fonction de la force du moteur et de l'utilisation envisagée. L'idéal est de trouver un moteur équipé d'origine d'un réducteur.
L'avant-bras de notre robot a été directement fixé sur l'axe du potentiomètre. Mais il est possible d'envisager tout autre dispositif.
Un minimum d'imagination est indispensable. Il ne faut pas hésiter à se donner les moyens de mener à bien la construction : plâtre, résines, bois, carton, scies, marteau, limes, clous, colles ... sont autant d'outils et de matériaux qui permettront de donner vie à vos idées les plus folles.
Réglages
Le moteur étant débranché, mettre le montage sous tension. En manoeuvrant le bras articulé on peut allumer successivement les diodes D3 et D4. La position d'équilibre est atteinte lorsque les deux sont éteintes. Ceci se produit au moment du passage de l'une à l'autre. On peut alors apprécier l'effet des réglages P3 et P4 sur la grandeur de la plage de repos.
Ecarter ensuite le bras de sa position d'équilibre et connecter le moteur. Si le bras se rapproche de la position précédente la connexion est correcte, s'il s'en éloigne, inverser les fils du moteur.
Conclusion
Nous voici encore bien loin des androïdes parlant et marchant décrits par les auteurs de science-fiction.
Cependant, nous aurons l'occasion de revenir sur ce montage et d'envisager des réalisations plus complexes.
Par exemple, il est tout à fait possible d'enregistrer sur magnétophone une série de mouvements, tout aussi facilement que la voix ....
G. DUNEAU
Liste des composants
1 robot en carton ou autres matériaux.
1 petit moteur + réducteur (engrenages).
R1, R2 : 100 Ω (marron, noir, marron).
R3, R4 : 100 kΩ (marron, noir, jaune).
R5, R7 : 82 Ω (gris, rouge, noir).
R6, R8 : 47 Ω (jaune, violet, noir).
D1 D2 : 1N4148.
D3, D4 : LED rouge et verte (tension de seuil 2 V).
T1, T2 : 2N2222.
P1, P2 : 4,7 kΩ linéaire.
P3, P4 : 47 kΩ (ajustables).
1 circuit intégré TBB 324, LM 324N.
Electronique Pratique N49 Mai 1982
