Cours sur la modulation de largeur d'impulsion et PWM


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Cours/TD d’informatique embarquée

Utilisation d’un microcontrôleur MBED

 

Partie 6

Modulation de Largeur d'Impulsion et Machine à Etat PWM & State machine

   

Plan du cours

6.1. Modulation de Largeur d'Impulsion (PWM)

6.2. Application utilisant des PWM

6.3. PWM sur mbed

6.4. Contrôle d'un servo moteur

6.5. Machine à état

6.6. Codage des machines à état en langage C

6.1. Modulation de Largeur d'Impulsion (PWM)

Une modulation de largeur d’impulsion (P________ W______ M____________ = PWM) est une méthode simple qui permet de _______________________________________________________ ________________________________________________________________________________

La commande par PWM est utilisée dans de nombreuses applications (communications, robotique, moteurs…)

En général la période est constante et c’est la largeur de l’impulsion, c’est-à-dire la durée _________________________, qui est variable.

Le rapport cyclique est

__________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________.

Rapport cyclique (duty cycle) = 100% * (_________________)/(période)

A chaque instant le signal PWM a une valeur moyenne (average en anglais) matérialisée ici par un ligne en pointillés

Si le temps haut est petit la valeur moyenne sera _____________________ Si le temps haut est grand la valeur moyenne sera ____________________ En contrôlant le rapport cyclique on contrôle donc la valeur moyenne.

La valeur moyenne du signal PWM peut être obtenue avec un _____________________________ Si la fréquence de coupure est très ____________________ à la fréquence du signal  Vout sera une grandeur analogique

Condition :                                                                                                                                     

En pratique, il n’est pas toujours nécessaire de réaliser ce filtrage, la plupart des systèmes physiques ont des caractéristiques physiques qui agissent comme ____________________________________.

6.2 Applications utilisant des PWM

Composants utilisant la PWM en robotique

•    Contrôle des moteurs à courant continu (commande du hacheur)

•    Commande des servo-moteurs

•    Capteur à sortie PWM (ex : télémètre SFR05)

•    Communication (modulation d’impulsion codée) utilisée en audio

Avantages :

•    Contrôle par microcontrôleur possible

•    Bon rendement énergétique

•    Meilleure tolérance au bruit

•    Pas d’effet de dérive en température

6.3 PWM sur mbed

6 sorties PWM sont disponibles sur les broches

_________________________________

La classe __________________ permet de contrôler la ____________ et le ______________________________ des sorties PWM

Les méthodes associées au type PwmOut sont dans le tableau ci-dessous :

PwmOut

Utilisation/méthode

PwmOut 

Crée une variable de type PWM  associée à une broche 

write

Fixe le rapport cyclique, float compris entre 0.0 et 1.0

read

Renvoie la valeur du rapport cyclique, float compris entre 0.0 et 1.0



period period_ms period_us

Fixe la valeur de la période, en secondes (float), millisecondes (int), et microsecondes (int), en gardant le rapport cyclique constant

pulsewidth pulsewidth_ms pulsewidth_us

Fixe la valeur de la largeur de l’impuslion, en secondes (float), millisecondes (int), et microsecondes (int), en gardant la période constante

Exemple : Génération d’un signal PWM de fréquence 100Hz et de rapport cyclique 35%

#include "mbed.h" PwmOut PWM1(p21); int main() {

  PWM1.period(0.010);     // fixe la période à 10ms

PWM1.write(0.35);        // fixe le rapport cyclique à

35%

while(1){

  } 

}

Exemple : Contrôle de l’intensité lumineuse d’une LED

#include "mbed.h"

Serial pc(USBTX, USBRX); PwmOut Led(LED1); float intensite=0.0; int main() {

  pc.printf(“Contrôle de l’intensité de la Led\n\r");    pc.printf("Pressez ‘+’ ou ‘-’ \n\r");   while(1) {

    char c = (); wait(0.001);

if((c == ‘+') && (intensite < 0.1)) {

      intensite += 0.001;       Led.write(intensite);

    }

if((c == ‘-') && (intensite > 0.0)) {

      intensite -= 0.001;       Led.write(intensite);

pc.printf("%c %1.3f \n \r",c, intensite); 

  }

}

6.4  Contrôle d'un servo moteur

Le chronogramme ci-dessous nous explique comment contrôler la position d’un servo-moteur avec une PWM

Le servo moteur _________________________________________________________________ que peut en fournir un USB standard. Il faudra l’alimenter avec _________________________________ De plus il faut un ___________ et une _________ pour augmenter le niveau de commande à 3,3V.

Exercice 1 :  

Réaliser et tester un programme permettant de régler la position du servo moteur avec deux touches du clavier.

Exercice 2 :  

Modifier le programme précédent en ajoutant le positionnement à 0° ou 180° avec deux touches supplémentaires. Vous devez créer des fonctions et créer une bibliothèque de fonctions (.h et .cpp).

Exercice 3 :  

Réaliser et tester un programme permettant de régler la position du servo moteur avec un potentiomètre. Faites une mise à l'échelle pour qu'un tour de potentiomètre réalise la variation de 0 à 180° sur le servo.

6.5 Machine à état

Une machine à état permet de _________________________________________________________ Exemple de système séquentiel simple : 

1.    Le robot doit démarrer lorsqu'on enlève le jack.

2.    Le robot doit s'arrêter lorsqu'on actionne le contact de fin de course.

3.    Le robot doit rester arrêté lorsqu'on replace le jack. 

               On peut alors reprendre le fonctionnement à la première étape.

               Initialisation - Arrêt                        Jack-retiré - Déplacement            Obstacle percité - Arrêt

Le nombre d'états dans lesquels le robot peut se trouver est fini (ici 3 états) :

•    Attente de départ : le robot est à l'arrêt, la fiche jack est en place

•    En marche : le robot avance

•    Arrêt sur obstacle : le robot a heurté un obstacle et s'est arrêté

On parle de machine ______________________________ ou d__________________________.

Les sorties du système ne dépendent que de ________________________________.

•    Si on connaît l'état du robot, on sait comment agir sur les sorties : les moteurs peuvent fonctionner ou non.



Pour passer d'un état à l'autre, c'est-à-dire les ____________________, on observe les entrées du système.

Remarque : Cette machine à états finis particulière est une machine de Moore très utilisée en informatique industrielle.

ETATS :

•    Un rond représente ________________________________.

•    Chaque état est numéroté de manière unique.

•    A un instant donné, le système se trouve dans un et un seul état.

TRANSITIONS :

•    Une flèche représente ___________________________________________________.

•    A chaque flèche est associée une condition.

•    Si on se trouve dans un état et qu'une transition est vraie, alors ________________________

Remarques :

–   Les transitions qui partent d'un même état doivent être exclusives.

–   Si aucune transition ne peut être réalisée, __________________________________________

Exercice 4 :  

Dessiner une machine à état modélisant une machine à café à capsule (touche café court et touche café long, montée en température, arrêt automatique )

 

On définit une variable etat pour coder l'état du système

On initialise etat à la valeur de l'état initial du système (ici etat=0;)

A l'intérieur de la boucle infinie du programme :

1.    On effectue __________________________________________________________________

2.    On exécute une instruction switch pour ___________________________________________ 3. On exécute une instruction switch pour ___________________________________________

#include "mbed.h"

DigitalIn broche5(p5),broche6(p6); //Jack et Fin de Course DigitalOut moteur(LED1); //commande du moteur (PullUp);  (PullUp); int main(){

  int etat = 0;   while(1){

//1. LECTURE DES ENTREES jack = ();       fin_de_course = ();

//2. GESTION DE L’ETAT switch(etat){           case 0 : if(jack==0) etat=1; break;       case 1 : if(fin_de_course==0) etat=2; break;       case 2 : if(jack==1) etat=0; break; 

    }

//3. GESTION DES SORTIES EN FONCTION DE L’ETAT     switch(etat){            case 0 : moteur.write(0); break;       case 1 : moteur.write(1); break;       case 2 : moteur.write(0); break;

    }

  }

}

Exercice 5 :  

Réaliser un passage à niveau avec des feux (LEDs) et une barrière automatique (servo moteur), un bouton et deux capteurs de présence (photorésistances) en utilisant une machine à état.

 

Questions de cours :

Q1) Que signifie PWM ?

Q2) Expliquer ce qu'est le rapport cyclique

Q3) Quel est la formule donnant la valeur moyenne d'une PWM en fonction du rapport cyclique ? ?

Q4) Que faut-il faire pour obtenir une tension analogique proportionnelle au rapport cyclique d'une PWM ?

Q5) Ecrire les lignes de code permettant de fixer la période d'une sortie PWM dont la fréquence est de 100kHz et la durée du temps haut à 3µs.

Q6) Donner les lignes de code permettant positionner le servo moteur à 135°.

Q7) Dans "automate fini", que signifie le mot "fini" ?

Q8) Que signifie " Les transitions qui partent d'un même état doivent être exclusives" ?

Q9) Quelles sont les 3 parties du codage en C d'une machine à état ?

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