Moteurs pour makers – 1re partie : le kit Adafruit résout le problème de mouvement de la tête

Je dois admettre que je suis actuellement dans une position un peu délicate. Il se trouve que j'ai décidé d'ajouter du mouvement à quelques-uns de mes projets de loisirs, mais je suis plutôt novice lorsqu'il s'agit de sélectionner et de déployer les différents types de moteurs et d'actionneurs disponibles. Je ne sais pas non plus comment déterminer certains éléments comme le couple, les rapports de transmissions et d'autres caractéristiques de ce genre.

Je me souviens d'avoir assisté à des conférences à ce sujet dans le cadre de mon diplôme universitaire, mais c'était à cette obscure époque que nous appelions la fin des années 70, soit il y a plus de 40 ans an arrière. Je suis convaincu que mes professeurs m'ont enseigné toutes sortes de choses utiles, mais j'ai bien peur que mes petites cellules grises ne soient en train de me faire défaut.

Comme je dis toujours, « montrez-moi une LED clignotante et je vous montrerai un homme en train de saliver » (vous pouvez me traiter de ringard si vous voulez). Ainsi, le premier de mes projets de loisirs implique une tête de robot dotée de LED tricolores en guise d'yeux. Lorsque j'ai commencé, je cherchais à créer une plateforme bon marché et amusante (certains diront plutôt rapide et grossière) avec laquelle jouer. J'ai donc simplement bricolé quelque chose avec du bois et du carton, en fixant le tout avec de la colle thermofusible.

Pendant un certain temps, tout allait pour le mieux dans le monde de Max (où les papillons sont plus gros, les fleurs plus éclatantes et le chant des oiseaux plus doux). Mais l'un de mes amis m'a dit que ce serait encore plus impressionnant si j'ajoutais du mouvement à l'ensemble. Plus précisément, il m'a suggéré de faire en sorte que les yeux puissent bouger de droite à gauche et de bas en haut, et que la tête tout entière puisse bouger et s'incliner.

Tout cela nous ramène au fait que je ne suis qu'un ours sans cervelle lorsqu'il s'agit de faire un choix parmi les différents types de moteurs et d'actionneurs disponibles. Je comprends les différences majeures entre les moteurs CC à balais, les moteurs triphasés sans balais, les moteurs pas-à-pas, les servomoteurs et les actionneurs linéaires, mais je ne sais pas vraiment lesquels utiliser pour diverses applications, comme une tête de robot.

Commençons par les servomoteurs

Tout cela va nécessiter quelques recherches qui donneront sans doute lieu à un futur article de blog. En attendant, pour commencer à jouer avec quelque chose, je viens de commander deux mini-kits robotiques Pan/Tilt 1967 d'Adafruit (Figure 1).

Figure 1 : Fourni entièrement assemblé, le kit pan-and-tilt 1967 est équipé de deux micro-servomoteurs (de type SG-90 ou SG-92) lui permettant d'effectuer un panoramique à 180° de droite à gauche et de s'incliner à 150° de haut en bas. (Source de l'image : Adafruit)

Je sais que je peux utiliser la modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour contrôler ces servomoteurs directement à l'aide des broches de sortie numérique d'un microcontrôleur, mais j'ai toujours préféré maintenir une certaine forme d'isolement entre mon microcontrôleur et le monde extérieur, même s'il ne s'agit que d'un transistor à effet de champ (FET).

En supposant que je décide d'utiliser des servomoteurs dans mon implémentation finale (avec le temps), je vais devoir contrôler au moins deux servomoteurs pour chaque œil et au moins trois ou quatre servomoteurs pour la tête principale. J'ai donc décidé d'investir dans une carte de variateur PWM 815 12 bits à 16 canaux d'Adafruit (Figure 2).

Figure 2 : Grâce à son interface I2C utilisant seulement deux broches de microcontrôleur, cette carte PWM à 16 canaux peut être utilisée pour contrôler à la fois des LED et des servomoteurs. (Source de l'image : Adafruit)

Ce qui est génial avec cette carte, c'est qu'elle est contrôlée à l'aide d'une interface I2C, ce qui ne nécessite donc que deux des broches de sortie numériques du microcontrôleur. Chacune des 16 sorties PWM peut être utilisée pour commander une LED ou un servomoteur.

Moteurs CC sans balais

Par une étrange bizarrerie du destin, j'ai également commencé à réfléchir il y a peu à un autre projet qui nécessite un savoir-faire en matière de moteurs. Tout a commencé il y a trois ou quatre ans, lorsqu'un ami m'a fait cadeau d'un superbe condensateur variable d'autrefois (Figure 3).

Figure 3 : Ce condensateur variable utilise un ensemble de plaques en métal pour former le stator fixe, avec un second ensemble de plaques qui forme le rotor mobile, et de l'air comme diélectrique. (Source de l'image : Max Maxfield)

Je viens de faire une recherche rapide sur Google pendant que personne ne regardait et j'ai découvert que le condensateur variable avec diélectrique à air a été inventé par l'ingénieur hongrois Dezső Korda, qui a reçu un brevet allemand pour son invention en 1893.

Occupant une surface cubique d'environ 30 cm x 30 cm x 30 cm, ce dispositif est beau à voir. La structure principale est formée de différents métaux, et les structures formant le condensateur sont isolées électriquement du cadre au moyen de séparateurs en verre isolant. Je ne sais pas si ce genre de dispositif est encore fabriqué (j'en doute), mais si c'est le cas, je tremble rien qu'en pensant au prix que pourrait valoir un nouveau modèle.

Avant de me le donner, mon ami avait monté le condensateur sur un socle en bois (que j'ai l'intention de remplacer par quelque chose de plus spectaculaire), retiré ses butées de fin de course pour qu'il puisse tourner en continu à 360°, et ajouté un moteur et une courroie de transmission (que l'on voit en bas à droite de la photo).

J'ai un peu honte de dire que cette merveille prend la poussière depuis plusieurs années sur l'une des étagères de mon bureau. J'y ai jeté un coup d'œil par hasard il y a quelques semaines, et je me suis dit que je devais vraiment en faire quelque chose.

Pour être honnête, je ne pensais pas que cela poserait problème jusqu'à ce que je regarde le moteur à l'intérieur et que je constate la présence de trois fils. Je me suis dit : « Aïe. » J'ai appelé mon ami qui m'a confirmé qu'il s'agissait d'un moteur triphasé sans balais de 12 V. Il m'a dit qu'il utilisait ce type de moteur parce qu'il est extrêmement silencieux, tant au niveau sonore qu'électrique. Je dois donc maintenant trouver un moyen de contrôler la vitesse et le sens de rotation de ce petit coquin.

Conclusion

Sachant que j'ai tendance à me précipiter sur des projets et que le mouvement va certainement jouer un rôle dans un grand nombre de mes futurs projets de loisirs, je vais commencer à m'intéresser de très près aux moteurs et aux actionneurs. Le kit pan-and-tilt 1967 et la carte PWM 817 d'Adafruit se sont avérés très utiles pour commencer, et le seront sûrement pour de futurs projets.

Je viens également de commander un exemplaire du livre « Motors for Makers: A Guide to Steppers, Servos, and Other Electrical Machines » de Matthew Scarpino.

Je vous en parlerai plus longuement dans un prochain article. En attendant, avez-vous des idées à partager ? Comme toujours, n'hésitez pas à m'envoyer vos commentaires, questions et suggestions.