Polytech Projets Ge » Projets 2016 » 2016 Acquisition rapide multivoies

h1. Résumé

Le projet de fin d’étude en Génie Electrique permet aux élèves ingénieurs de Polytech Clermont-Ferrand de découvrir les exigences qui leur seront imposées dans leur futur métier. Le sujet proposé ici par l’école Polytech Clermont-Ferrand est de créer un système numérique capable d’enregistrer l’évolution dans le temps de plusieurs grandeurs physiques caractérisant un moteur électrique ainsi que les lois de commande qui permettent de contrôler ce dernier. L’étude graphique de l’évolution de ces grandeurs permettra de définir l’efficacité des lois de commande imposées au moteur. La difficulté de ce sujet repose dans le fait qu’il y ait une quinzaine de grandeurs à enregistrer (cela représente un nombre important) et de façon très rapide (une acquisition toutes les 2 μs). Le livrable à rendre en fin de projet est donc une carte électronique permettant de réaliser la fonction d’enregistrement voulue.

Ce travail a également pour but de réinvestir toutes les connaissances acquises durant la scolarité des étudiants mais également d’en approfondir certaines autres notamment sous la forme d’auto-formation.

Mots Clefs : 

Conversion Analogique Numérique - Carte d’acquisition - Acquisition Multivoies - Acquisition Rapide – Microcontrôleur - Programmation - Numérisation

h1. Abstract 

The end-of-studies project in electrical engineering at Polytech Clermont-Ferrand allow the students to discover the professional requirements of their future job. The subject is here proposed by Polytech Clermont-Ferrand and consists in creating a numeric system capable of recording evolution over time of several a three-phase motor’s characteristics dimensions and of controlling laws. Studying graphically the evolutions of those dimensions will define the efficiency of the controlling laws on the motor. The difficulty of this project Is based on the fact that there are fifteen dimensions to record (which is important) and very quickly (an acquisition every 2us). The deliverable at the end of the project is an electronic card which aim to make the recording function.

This work also permits students to use the skills they get during all their schooling and also to learn some new skills by learning by themselves. 

Key Words: 

Analog to Digital Conversion – Acquisition Card – Multichannel Acquisition – Fast Acquisition – Microcontroller - Programing – Digitization 

h1. Introduction 

Le département Génie Electrique de Polytech Clermont-Ferrand met en place, en quatrième et cinquième année du cycle ingénieur, un travail de projet à réaliser par groupe de deux ou trois étudiants qui permet de réinvestir et/ou d’approfondir l’ensemble des connaissances acquises tout au long du cursus universitaire et qui permet également d’acquérir des compétences dans la gestion de projet. Ce projet a pour objectif principal de faire découvrir le métier d’ingénieur tel qu’il est dans la vie professionnelle.

L’institut de recherche Pascal et le département Génie Electrique de l’école d’ingénieur Polytech Clermont-Ferrand ont proposé une thèse sur le création d’une commande vectorielle innovante pour véhicules électrique et hybride. L’objectif de cette thèse est de proposer plusieurs stratégies de commandes innovantes pour le contrôle de moteurs électriques utilisés dans les véhicules hybrides ou électriques. Ces différentes stratégies doivent permettre d’améliorer le rendement de la chaine de conversion électrique et d’améliorer les formes d’ondes de tension et de courant, aussi bien au niveau de la batterie des véhicules qu’au niveau du moteur électrique.

Le projet industriel proposé par le département Génie Electrique de Polytech Clermont-Ferrand s’inscrit au sein de cette thèse. Il a pour but de valider l’efficacité de la stratégie de commande. En effet, en faisant l’acquisition de plusieurs grandeurs caractérisant le système électrotechnique sur lequel la thèse est effectuée puis en observant l’évolution temporelle de ces grandeurs, on peut affirmer ou non que la commande appliquée est efficace et génère l’effet escompté. Ces grandeurs à mesurer sont des tensions, des courants, des puissances mécaniques, des couples mécaniques ou encore des vitesses.

La problématique principale de ce projet est donc de créer un dispositif numérique capable de faire l’acquisition et la numérisation continue d’une quinzaine de grandeurs caractéristiques et à une vitesse de cadencement permettant de respecter les règles relatives à l’échantillonnage et au traitement du signal (Shannon). 

Un dispositif de ce genre existe déjà sur le marché cependant les fonctionnalités sont limitées et le prix onéreux (80 000€ pour acquérir seulement quatre voies). L’enjeux pour l’école Polytech est donc de construire un dispositif plus performant que celui existant en permettant une acquisition d’une quinzaine de voies et cela pour un prix le plus abordable possible.

Pour mener à bien ce projet, les étudiants doivent avoir recours aux connaissances qu’ils ont acquises durant toute leur scolarité mais ils doivent également être capables de s’auto-former notamment grâce à des recherches bibliographiques et webographiques. 

h1. I.	Présentation du client

Polytech Clermont-Ferrand, anciennement CUST, est une école d’ingénieurs publique pluridisciplinaires intégrée au sein de l’université Blaise-Pascal. Elles forment des étudiants dans sept domaines différents :

	Génie Biologique

	Génie Civil

	Génie Electrique

	Génie Mathématiques et Modélisation

	Génie Physique

	Génie des Système de Productions

M. Pasquier, le représentant de cette école et notamment du département Génie Electrique pour ce projet, est maître de conférence, enseignant et chef du département Génie Electrique mais aussi chercheur à l’Institut Pascal, notamment dans les domaines de l’électrotechnique, de la compatibilité électromagnétique, de l’électronique de puissance etc.  M. Pasquier est non seulement le représentant de l’école mais aussi l’initiateur de ce projet.

h1. II. Cahier des charges: 

Le cahier des charges a été rédigé en plusieurs versions puisque les demandes du clients ont sollicité quelques précisions supplémentaires qu'il a fallu prendre en compte petit à petit.

h2. 07/03/2016: Version V0 du cahier des charges

voir fichier lié: cahier_des_charges_20160307.pdf

Validé avec M.Pasquier le  09/03/2016

h2. 09/03/2016: Version V1 du cahhier des charges

voir fichier lié: cahier_des_charges_20160309.pdf

Validé avec M. Pasquier le 14/03/2016

h2. 14/03/2016: Version V2 du cahier des charges

voir fichier lié: cahier_des_charges_20160314.pdf

Validé avec M.Pasquier le 22/03/2016

h2. 03/04/2016: Version V3 du cahier des charges

voir fichier lié: cahier_des_charges_20160403.pdf

Validé avec M.Pasquier le 05/04/2016

h1. III. Gestion de Projet

Le diagramme de Gantt du projet acquisition rapide multivoies se trouve dans l'onglet Gantt.

h1. IV.	Développement

h2. a.	Les problèmes posés

Des calculs préliminaires sur certains points du projet montre que la partie acquisition rapide et simultanée de 15 grandeurs physiques est source de difficulté.

Un premier aspect concerne l'acquisition "rapide" : le cahier des charges impose 500 000 échantillons par seconde minimum d’une grandeur physique. Cela implique de transformer une quantité continue en une quantité discrète sur une durée inférieure à 2 µs.

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Un deuxième aspect porte sur la simultanéité de la conversion du continu en discret. Il est crucial que chaque acquisition d’une grandeur physique soit faite au même moment. En effet, sans la concordance du temps de chaque grandeur physique, il est difficile de faire les liens entre les variations de chaque grandeur. Pour illustrer ci-dessous, si on a un signal A (en rouge) et un signal B (en bleu). Quand le signal A augmente, B également, et quand A diminue, B diminue aussi. Le premier graphique montre quand il y a concordance du temps, on peut conclure que A et B ont un lien mathématiques. Dans le second graphique, s'il n'y a pas de respect du temps, on ne peut déduire s'il y a un lien entre les signaux A et B.

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Un dernier aspect vient après la conversion de 15 grandeurs physiques : il faut mémoriser la valeur obtenue après conversion de chaque grandeur. Cet aspect touche donc une gestion de flux de donné. On rappelle que l'acquisition d'un échantillon se fait tous les 2 µs, cela comporte la conversion de 15 grandeurs physiques et la mémorisation des valeurs obtenues. Le composant de mémoire doit donc stocker la donnée très rapidement.

h2. b.	Solutions envisagées

2 solutions sont envisagées pour résoudre le problème exposé précédemment.

h3. 1.	Solution 1

Un microcontrôleur sera utilisé comme Convertisseur Analogique Numérique (CAN), pour la partie conversion d'un signal continu en un signal discret. Il y a donc 15 CAN, et ces CAN sont reliés par un même fil. Sur ce fil présente un signal top départ, pour lancer la conversion d'un échantillon, et donc assurer la simultanéité. Le fil de top départ est en fait relié à un microcontrôleur dit "maître", et il sera responsable du cadencement de l'échantillonnage.

Une fois qu'un CAN a fini de convertir, il doit envoyer le résultat à un composant de mémoire. À la fin d'une acquisition, le microcontrôleur consulte chaque composant de mémoire pour former un fichier texte et stocke ce fichier dans un autre composant de mémoire plus volumineux.

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Cette solution est onéreuse car elle nécessite 15 mémoire tampons, mais ces mémoires facilitent de respecter la contrainte de temps sur l'échantillonnage, voire même une amélioration de la fréquence d'échantillonnage.

h3. 2.	Solution 2

Cette solution reprend le même schéma que la première solution. La seule chose qui change est qu'il n'y a plus de mémoire tampon. Les CAN envoient directement les données vers le microcontrôleur. Cette méthode requiert un contrôle de flux de donné très précis et très contraignant dans le temps pour respecter l'échantillonnage tous les 2µs.

Cette solution est moins coûteuse par rapport à la première, mais le respect de la fréquence d'échantillonnage peut se révéler difficile

h1. Conclusion

Pour résumer la problématique du projet, le département Génie Electrique de Polytech Clermont-Ferrand désire créer une carte électronique permettant de réaliser des acquisitions de données à une fréquence élevée et sur quinze voies. Ces données sont les caractéristiques d’un moteur triphasé en fonctionnement (tensions, intensités, couple et vitesse) ainsi que les commandes qui permettent de le faire fonctionner (tensions de commande). Cette carte doit permettre d’obtenir les différentes valeurs de l’évolution temporelle de toutes les caractéristiques citées ci-dessus, ce qui permettra ensuite de tracer graphiquement l’évolution de ces grandeurs dans le temps avec une précision relativement fine.

Cette partie d’avant-projet a permis dans un premier temps de rédiger un cahier des charges tenant compte des besoins spécifiques du client quant à la carte à créer. Ce cahier des charges a été validé par le client. En parallèle à cela, la réalisation d’une étude de faisabilité a été nécessaire afin de savoir qu’avec les compétences propres à chacun des membres du groupe et dans le temps imparti, il était possible de réaliser ce projet. Bien que le manque d’expérience soit une contrainte à laquelle il faut faire face, l’organisation choisie pour ce projet devrait aboutir. L’auto-formation sur des domaines non-étudiés en cours prendra également une grande partie du temps mis à disposition. En revanche, il ne devra pas causer de retard trop important dans la réalisation du projet.

h1. Présentations:

Ci-joints, les différentes diapositives des présentations réalisées face au client pendant le déroulement du projet.

h2. Revue de début de projet: 16/03/2016

voir fichier lié: Revue_de_debut_de_projet_AcRaMu.pptx

Rapport: voir fichier lié CR_revue_de_debut_de_projet.pdf

h2. Revue d'appel d'offre: 27/04/2016

voir fichier lié: Revue_d'appel_d'offre_AcRaMu.pptx

Rapport: voir fichier lié CR_revue_d'appel_d'offre.pdf

h2. Revue de lancement: 28/09/2016

voir fichier lié: Revue_de_lancement_AcRaMu.pptx

Rapport: voir fichier lié CR_revue_de_lancement.pdf

h1. Sous-Traitance

Lors de ce projet, en 5ème année, il est possible de faire sous-traité quelques tâches par les élèves de l'année dessous. 

Cette sous-traitance se base sur la méthode agile, en décomposant le travail à sous-traiter sous forme de scénarios dans lesquels une brève description est faite permettant par le demandeur.

Au sein de ce projet, les différents scénarios donnés en sous-traitance sont les suivants:

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