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Raspberry Pi : Utilisation des périphériques externes

Définir la PWM

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Vous allez découvrir ce qu'est la modulation de largeur d'impulsions (PWM). Voyez aussi les différentes applications qui peuvent lui être associées.
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Transcription

Dans cette vidéo, je vais vous parler de la modulation de largeur d'impulsion. qui se dit PWM en anglais. Alors, la définition, on appelle « rapport cyclique » qui est souvent noté « alpha » le rapport entre « T on » et « T ». Forcément, c'est un rapport de deux temps, donc il est sans dimension. En général, on le multiplie par 100 et on a une valeur en pour cent. Par exemple, dans notre cas, la broche GPIO peut fonctionner à 3,3 Volts, d'ailleurs, c'est la valeur maximale qu'elle peut délivrer, donc, à 100%. Alors, pour une valeur quelconque d'« alpha » la valeur moyenne en sortie vaudra alpha fois 3,3 volts. Le principe est le suivant : vous avez une période qui est de valeur fixe et qui est définie en fait dans le programme, nous verrons cela plus tard. Et puis vous pouvez avoir un rapport cyclé, donc, un « T on » qui est variable. Donc là, dans ma petite animation GIF que j'ai effectuée, vous voyez pour différentes valeurs d'« alpha » nous avons une valeur moyenne en sortie qui varie de façon directement proportionnelle. Les applications : la première chose, c'est de se dire qu'une sortie PWM est avant tout une sortie pour un convertisseur numérique analogique. Accesseur, il faut le trafiquer un petit peu, et là, le trafic, c'est pas grand chose, c'est une résistance qui a faire l'appel, un condensateur de découplage mis en parallèle avec la charge, et puis, à partir de là, on fonctionne de la valeur de la PWM, ici, dans mon exemple, avec une tension de 3,3 volts max, et c'est normal, parce qu'on ne peut pas aller au-dessus ni au-dessous, c'est du tutoriel. Avec un rapport cyclique de 50 % on obtiendrait donc une valeur moyenne de 1,65 volts avec une petite ondulation de tension aux alentours. Alors, après ça dépend de votre cahier des charges. Si vous dites : « Non, moi, je veux quelque chose de parfaitement lisse », dans ce cas-là vous augmenterez la valeur de la capacité ou vous diminuerez la valeur de la charge. Mais la charge, en fait, pour vous, elle sera fixée, parce que d'ailleurs vous avez un autre système électronique à une impédance qui est fixée. Donc, il faudra plus jouer sur le paramètre « F » qui est ici. Donc, « C » va dépendre principalement de la période, de l’impédance de la charge que vous allez devoir subir, c'est pas vous qui allez vous la fixer, et puis de la qualité de l'ondulation désirée. Alors, j'ai fait quelques petits exemples, j'ai fait d'un Screenshot, d'un logiciel qui s'appelle le « Proteus », que j'utilise au quotidien en tant que professeur aussi bien que l'ingénieur en université qu'au lycée, et il est très convié là, c'est dans sa version de démonstration, vous pouvez faire ce genre de petite simulation. J'ai choisi ici un générateur PWM et puis je lui dis : « Voilà, tu t'es mis à 50% et puis tu va m'envoyer une PWM à 20 kilohertz avec une amplitude qui va de 0 à 3,3 volts ». Donc, c’est le signal que vous avez ici en jaune. J'ai mis une résistance, en fait, de tirage de 100 ohms, c'est vrai qu'il faut qu'elle ne soit pas trop importante, et puis, une capacité de 1 microfarad, et, donc, par contre, une impédance de charge qui est déjà conséquente. Là, je ne suis pas tout à fait à 10 kilos, mais j'en suis pas loin. Donc, vous voyez, vous avez une ondulation de la tension sortie pour un rapport cyclique de 50%, et ça me donne donc 1,52 volts de valeur moyenne de tension. Encore un autre exemple. Cette fois-ci j'étais beaucoup plus drastique, je suis toujours sur le même paramètre, mais cette fois-ci j'ai mis un condensateur de 10 microfarads qui est beaucoup plus important, dix fois plus, ce qui entraîne en fait un lissage total de la tension. Donc, ça nous fait 1,68 volts de valeur moyenne. Attention, si vous mettez un condensateur trop grand et si vous avez une variation de la PWM, et c'est ce qui va arriver, cette variation ici va entraîner une variation très très lente de la valeur moyenne. Donc, il faut trouver le bon compromis entre ce que vous voulez récupérer et puis, en fait, l'ondulation maximale que vous désirez. Encore un autre exemple pour illustrer mes propos. Cette fois-ci j'ai juste changé le rapport cyclique, je l'ai mis à 75%, vous voyez, et puis vous voyez quelque chose de lissé pour 10 microfarads. Mais attention, 10 microfarads, c'est déjà beaucoup, parce que quand je passe de 50 à 75 subitement entre le fait de passer de 1,65 à 2,5volts de tension moyenne, ça peut prendre un temps certain et ça peut être dans le domaine électronique, mais une catastrophe, parce que les temps de réponse sont beaucoup beaucoup trop longs. Alors, les autres applications. Tout bête, notamment dans la Commande des servomoteurs, c'est-à-dire que là, vous envoyez en fait une largeur d'impulsion avec une période de 20 millisecondes, et vous changez le rapport cyclique en fonction de la largeur du rapport cyclique. Vous allez en fait faire tourner le moteur dans un sens ou dans un autre. Plus simplement, ça sert à compter aussi sur des fronts montants ou des fronts descendants un rapport cyclique de 50%. Ça sert simplement à compter du temps. A chaque impulsion vous savez que vous avez votre PWM qui est réglée au temps, vous pouvez vous en servir comme d'un compteur à recommander des circuits spécialisés pour du contrôle du moteur continu ou du moteur pas à pas, ce que nous allons faire après, où encore faire du son via un montage amplificateur, via haut parleur ou encore avec un buzzer. Attention, vous envoyez un signal carré au rectangulaire. Ce n'est pas sinusoïdal, donc c'est très très moche à entendre, si je puis dire, puisque vous savez que tout signal périodique peut être décomposé en série de Fourier, donc, en une somme de sinusoïde, et toutes les sinusoïdes hormis celle du fondamental se baladent dans ce rectangle. Ça fait que vous vous retrouvez avec plein plein plein d'harmonique. Je prends un exemple très concret. Par exemple, vous voulez faire un « la ». C'est pas parce que vous allez mettre un « la » avec des créneaux à 440 hertz que vous allez obtenir un « la » vraiment très beau. Donc, il va être entaché d'harmonie qui est, vous allez voir, quelque chose de très distordu et d'assez peu agréable à l'oreille. Alors, nous, nous allons utiliser la commande d'un moteur pas à pas. Donc, voici en fait le circuit électronique. C'est une carte que j'ai faite où on vient connecter ici des broches du moteur pas à pas, et nous avons un driver ici qui est capable de fournir sous 12 volts jusqu'à 1,2-2 ampers maximum pour chaque déroulement. Donc, ici nous avons des diodes d'anti-retour. Je ne rentre pas dans les subtilités en fait électroniques. Nous avons essayé notre driver le L298 qui est associé lui-même à L297 qui va s'occuper en fait de pouvoir effectuer la commande de ce driver juste par trois broches que nous allons commander par le biais de notre Raspberry avec validation, donc, avec un GPIO que nous allons mettre à un, le sens que l'on mettra à un ou à zéro connecté à un GPIO pour faire tourner le moteur dans un sens ou dans l'autre, et puis, en fait, l'horloge qui va nous servir justement d'entrée pour notre PWM. Et puis, en fait, on peut finir avec une application un petit peu servomoteur avec cette petite animation GIF, où en fait cette animation permet de mettre en évidence qu'en fonction de la largeur d'impulsion vous allez faire tourner d'un quart de tour à droite ou à gauche l'axe de votre moteur. Donc, il faut savoir que le câblage est assez normalisé et que le signal de commande qui va sortir de la PWM de notre GPIO de la Raspberry, sera connecté ici sur le câble orange, parce qu'il est soit orange soit jaunes, soit blancs, avec une alimentation qu'on pourra prendre aussi sur GPIO sachant qu'il faut absolument que l'ensemble fasse moins en boîte. Justement ce petit servomoteur, là, est vraiment fait pour le modélisme, donc, nous pourrons éventuellement nous en servir.

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Date de parution :24 mars 2016

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