J3eA – 5 (2006) DOI : 10.1051/j3ea:2006020
Apprentissage
par projet en électricité : exemple et mise en oeuvre
L. De Vroey*, F. Vrins, F. Labrique, C. Trullemans, C. Eugène, D. Grenier
Département d’Electricité – Université catholique de Louvain
3, Place du Levant – 1348 Louvain-la-Neuve
Belgique
{devroey, labrique, eugene, grenier} @ lei.ucl.ac.be
{vrins, c.trullemans} @ dice.ucl.ac.be
Laurent De Vroey a obtenu le diplôme
d'Ingénieur Civil électromécanicien à l'Université Catholique de Louvain (UCL)
en 2002 et le DEA en sciences appliquées en 2004. Il est actuellement assistant
de recherche au département d'électricité de l'UCL, où il encadre les travaux
pratiques de différents cours d'électricité. Ses domaines de recherche sont la
modélisation et la simulation du comportement électromécanique de
bio-microsystèmes.
Frédéric
Vrins a
obtenu le diplôme d'Ingénieur Civil électromécanicien à l'UCL en 2002 et le DEA
en sciences appliquées en 2004. Il est actuellement assistant de recherche au
département d'électricité de l'UCL, où il encadre les travaux pratiques de
différents cours d'électricité. Il effectue une thèse de doctorat au sein
du "Machine Learning Group". Ses sujets de recherche concernent
notamment l’analyse en composantes indépendantes, la sélection de variables et
l’entropie de mélange de variables aléatoires.
Francis Labrique est Professeur à la faculté des sciences appliquées de
l'UCL. Il y enseigne les circuits électriques, l'électronique de puissance et
la conversion électromécanique. Ses domaines de recherche se situent en
électronique de puissance et ses applications. De 1985 à 1991 il a été
professeur associé invité à l’Université technique de Lisbonne et en 1997 à
l’ENS de Cachan. Il est co-auteur de neuf livres (en français, en anglais et en
portugais) sur l’électronique de puissance, l’électrotechnique et
l’instrumentation électronique.
Charles Trullemans est Professeur ordinaire au Laboratoire de
microélectronique de l'UCL, Docteur en sciences appliquées, UCL 1974. Il est
chercheur et enseigne dans le domaine de l’électronique, et plus
particulièrement de la conception de systèmes intégrés mixtes. Responsable du
Laboratoire de microélectronique de 1991 à 1995, Doyen de
Christian
Eugène est
Ingénieur Civil électricien et Docteur en Sciences Appliquées de l'UCL.
Professeur ordinaire au département d'Electricité de l'UCL, il y enseigne les
Mesures Electriques, l'Instrumentation et les Capteurs, l'Eclairage,
l'Electricité générale. Il est l'auteur ou co-auteur d'environ 120 publications
dans des revues scientifiques internationales et/ou communications à des
congrès scientifiques sur des recherches qui relèvent principalement du domaine
de
Damien Grenier est
un ancien élève de l'Ecole Normale Supérieure de Cachan où il a obtenu le
doctorat en 1994.Après un séjour post-doc à l'Ecole de Technologie Supérieure
(Montréal, Canada), il a rejoint l'UCL en 1996. Depuis septembre 2005, il est
professeur des universités à l’Antenne de Bretagne de l’ENS de Cachan. Ses
domaines de recherche sont la modélisation et la commande des systèmes
électromécaniques. Il est impliqué dans l'enseignement par projet de ces
matières ainsi que dans le développement de ressources multimédia en ligne
(projet e-lee).
* auteur à qui toute correspondance doit être adressée
RESUME
La formation d’ingénieur à l’Université catholique de Louvain a été réorganisée selon un principe de pédagogie active (apprentissage par problèmes et par projets). Ainsi, il est proposé aux étudiants qui entament leur spécialisation en électricité ou en électromécanique, un projet leur permettant d’aborder à la fois les notions d’électromagnétisme et les notions de circuits électriques et de faire le lien entre ces deux matières. Dans cet article, nous présentons en détails un de ces projets, consistant pour les étudiants à réaliser un capteur de suivi de ligne, ainsi que son électronique de traitement. Des variantes sont également exposées, s’articulant autour de différents types de capteurs intégrés. Nous détaillons les moyens et l’approche mis en œuvre et tirons les conclusions relatives à l’organisation de ces projets.
Mots-clés
apprentissage par projet,
capteurs, électromagnétisme, circuits électriques, suivi de ligne
1. Introduction
Depuis quatre ans, la Faculté des Sciences Appliquées de l’Université Catholique de Louvain (UCL,
Louvain-la-Neuve, Belgique) a effectué un virage pédagogique en adoptant une
démarche d’apprentissage actif, à l’instar de ce qui se fait dans plusieurs
autres universités européennes et nord-américaines [1].
Dans cette approche pédagogique, les étudiants sont
confrontés à des problèmes ou des projets concrets qui les incitent à
rechercher par eux-mêmes les connaissances dont ils ont besoin pour les
résoudre, plutôt que d’attendre plus ou moins passivement que l’enseignant les
leur apporte. Les canaux traditionnels de transmission des savoirs, les cours,
les livres et les notes de référence ont été évidemment maintenus et
constituent même souvent la source principale où puisent les étudiants.
Les problèmes
et les projets peuvent en première approche être vus comme une source de
motivation supplémentaire pour assister aux cours ou ouvrir les livres. Les
projets permettent en plus la confrontation à la réalité expérimentale. Ils
sont également une excellente opportunité pour une approche interdisciplinaire
des problèmes d’ingénierie. Les étudiants y travaillent en groupe, tantôt entre
eux, tantôt avec l’aide d’un tuteur ou d’une autre personne ressource. Ils sont
invités à proposer des solutions, les comparer, les commenter et les valider
que ce soit par simulation numérique ou au travers d’une réalisation concrète,
bref à se former au véritable métier d’ingénieur.
Des cours de restructuration permettent ensuite de
synthétiser les nombreuses notions approchées par les différents groupes, de
voir dans quelle mesure certaines conclusions peuvent ou non être généralisées,
d’ouvrir vers des sujets voisins où les mêmes approches, les mêmes
méthodologies pourraient éventuellement s’appliquer.
Le travail en groupe, au-delà de l’apprentissage
technique proprement dit, est également une excellente opportunité pour les
étudiants d’aborder les aspects humains du travail d’ingénieur, puisqu’ils sont
amenés à organiser efficacement le travail, échanger leurs expériences, émettre
des idées et des avis sur les idées des autres, pour finalement choisir,
réaliser et défendre ensemble leur solution.
Les projets d’électricité présentés ci-dessous
s’adressent à des étudiants ingénieurs civils [2], qui entament une
spécialisation en électricité ou en électromécanique. Le retour d’expérience
décrit ici concerne des étudiants évoluant au sein de l’ancien système (2 ans
de tronc commun + 3 années de spécialité). Il est donc relatif à un projet se
déroulant au cours du premier semestre de la 3ème année. Le nouveau
système issu de la réforme de Bologne prévoit un premier cycle de 3 ans (dit baccalauréat en Belgique) avec une
pré-spécialisation au bout d’un an et demi, suivi d’un second cycle de 2 ans
(dit maîtrise). Il est prévu que le
projet présenté ici (ou une évolution de celui-ci) soit alors donné au second
semestre de la deuxième année.
Dans la suite de cet
article, nous présentons d’abord le canevas des projets proposés aux étudiants,
en détaillant leurs objectifs et la mise en œuvre pratique de ceux-ci.
Ensuite, nous exposons de
manière détaillée l’un de ces projets, en insistant sur la manière dont se sont
déroulées les interactions entre étudiants et équipe enseignante.
Nous proposons alors
certaines variantes de ce projet et insistons sur les points communs et
différences d’approche entre celles-ci et le premier projet présenté.
Enfin, nous tirons les
conclusions de notre expérience des projets dans le cadre de la formation en
électricité des étudiants ingénieurs.
2. OBJECTIFS
L’énoncé du projet est donné tout au début de la
spécialisation en électricité ou électromécanique. A ce stade de leurs études,
les étudiants ont déjà une connaissance de base des circuits électriques :
lois topologiques, relations constitutives des éléments, équations d’évolution
de circuits du premier ordre, notions élémentaires sur les circuits soumis à
des courants et tensions sinusoïdaux. Ils ont de même abordé les équations de
Maxwell dans le vide.
Au cours du semestre, ces notions seront revues et
complétées. Seront notamment abordés l’analyse fréquentielle des circuits
électriques (transformation de Laplace, diagramme de Bode), les opérations
simples de traitement de signal et l’amplificateur opérationnel idéal. On y
insistera surtout sur la mise en application des ces notions théoriques, que ce
soit dans les cours où des dispositifs particuliers seront décrits et analysés
ou dans le cadre du projet où l’on demandera en outre aux étudiants de
concevoir un circuit électronique capable d’effectuer la mesure d’une grandeur
physique.
Le projet, qui représente un volume de 5 crédits
(ECTS), interagit étroitement avec les cours de « Circuits et
mesures électriques – 7 crédits » et d’« Electromagnétisme – 5
crédits ». Il constitue également pour tout ce qui concerne l’analyse
fréquentielle, une mise en pratique du cours de « Mathématiques appliquées :
signaux et systèmes – 5 crédits ». Contextualisant ainsi 22 crédits sur
les 30 que compte le semestre, le projet représente un poids important dans ce
début de formation en électricité et en électromécanique. En schématisant, on
peut dès lors dire que son objectif pédagogique coïncide quasiment avec les
objectifs généraux du semestre en question.
Dans le dispositif pédagogique mis en place, le rôle
spécifique du projet est :
· de faire le lien entre la théorie des
circuits et l’électromagnétisme ;
· d’aider l’étudiant à se familiariser
avec les opérations simples de traitement de signal (amplification, sommation,
filtrage) ;
· de l’initier à la conception de circuits
électriques en développant ses capacités d’analyse des circuits, en le poussant
à décomposer ceux-ci en sous-circuits ayant chacun une fonction spécifique, en
lui faisant dimensionner les composants ;
· de lui enseigner une utilisation
critique des outils de simulation en vue de la validation d’un schéma
(construction a priori d’une idée de la réponse d’un circuit, comparaison avec
le résultat de simulation, comparaison de ce résultat avec le résultat de
mesure) ;
· enfin, de développer en lui des
capacités d’expérimentateur : réalisation de montages électriques et
électroniques simples, utilisation de l’appareillage courant de laboratoire
(sources, générateurs de signaux, oscilloscopes, multimètres), identification
des causes d’écart de comportement entre un circuit réel et son modèle,
corrections éventuelles, examen critique des erreurs de mesure, compte tenu des
performances des appareils.
3. MISE EN OEUVRE
3.1. Planning
Les étudiants travaillent
par groupes de 4, librement constitués. Habituellement, une quinzaine de
groupes sont ainsi formés. Ils disposent d’une dizaine de semaines en moyenne
pour mener à bien le projet proposé (figure 1).
Le mode d'organisation des
étudiants au sein du groupe est laissé libre également. Ces étudiants sortent
en effet de deux années de formation méthodologique au travail en groupe [1] et
sont jugés suffisamment mûrs pour s'organiser par eux-mêmes, que ce soit en
reprenant les modèles qui leur ont été enseignés ou au contraire en
expérimentant d'autres variantes.
Deux rencontres
obligatoires avec l’équipe enseignante jalonnent le travail. Entre ces rencontres,
une plage de deux heures est prévue chaque semaine par l’équipe pour répondre
aux questions des étudiants et suivre l’évolution de leurs travaux. Certains
étudiants exploitent beaucoup cette possibilité, d’autres n’en éprouvent pas le
besoin et ne viennent même pas.
Après trois semaines de travail, les étudiants
présentent oralement devant l’équipe un rapport d’avant-projet comprenant leurs
choix de solution ainsi que les problèmes rencontrés jusqu’alors. Cela oblige
tout d’abord l’ensemble des groupes à faire le point sur leur avancement, à
produire des résultats et à les synthétiser. C’est aussi l’occasion pour
l’équipe enseignante de les encourager dans la direction choisie ou de les
faire réfléchir aux problèmes inhérents à leurs choix et qu’ils n’auraient pas
envisagés. C’est enfin une opportunité pour stimuler les groupes à la traîne.
Ce n’est qu’après cette première évaluation que les
portes du laboratoire sont ouvertes aux étudiants. Ceci évite qu’ils passent
prématurément un temps considérable à expérimenter des solutions pas ou peu
réfléchies.
Une deuxième évaluation a lieu après neuf semaines de
travail. Lors de cette rencontre, les étudiants présentent les résultats
théoriques et pratiques de leur projet, qui doit être fonctionnel. Ils commentent
le rapport qu’ils ont remis quelques jours plus tôt à l’équipe enseignante. Ils
comparent leur solution finale avec leur solution d’avant-projet et tirent les
conclusions qui s’imposent. Si la présentation est convaincante, celle-ci
marque la fin du projet. Si la présentation de certains groupes n’est pas
satisfaisante, l’équipe enseignante leur demande alors d’approfondir ou de
corriger certains points d’ordre théorique qu’elle estime n’avoir pas été
suffisamment étudiés ou assimilés par les groupes concernés. Ceux-ci sont alors
invités à remettre, deux semaines plus tard, un rapport d’étude complémentaire,
qui permettra à l’équipe enseignante de rendre un avis final éventuellement
plus favorable sur leur travail. Cette démarche est donc une chance laissée aux
étudiants d’améliorer leur compréhension et d’atteindre les objectifs
d’apprentissage du projet.
Fig. 1 – Organisation temporelle des projets
L’évaluation finale du travail des groupes par
l’équipe enseignante se fait sur base des objectifs énoncés au début de
celui-ci. Sauf exception, l’évaluation est globale pour les différents membres
du groupe, chacun des membres étant supposé avoir acquis au même degré les
différentes notions reprises dans les objectifs d’apprentissage et avoir contribué
de manière équitable au résultat final. Lors de l’évaluation, il est demandé
que chacun des membres du groupe s’exprime, afin de responsabiliser l’ensemble
des étudiants du groupe.
3.2.
Encadrement
L’équipe pédagogique est constituée de trois types de
personnes. Trois professeurs assurent la coordination et la responsabilité du
projet. Ils en fixent le sujet et les objectifs et participent aux différentes
rencontres avec les étudiants. Trois assistants sont dévolus à l’accompagnement
sur le terrain des étudiants et veillent au bon avancement du projet. Ils sont
les principales personnes de contact pour les étudiants en dehors des plages
prévues à cet effet. Enfin, des « étudiants-moniteurs », sélectionnés
parmi les étudiants de dernière année, renforcent l’encadrement pédagogique,
principalement pour le volet expérimental en laboratoire. Ces étudiants ont
eux-mêmes réalisé le projet deux ans auparavant et connaissent donc les
difficultés rencontrées par leurs jeunes collègues. Les étudiants-moniteurs
peuvent valoriser leur activité d’encadrement et les compétences pédagogiques
qu’elle leur apporte, en la faisant compter pour un cours à option dans le
cadre de leur cursus.
3.3.
Outils
Un certain nombre d’outils de simulation sont à la
disposition des étudiants (logiciels PSpice et MatLab) ; la consultation
de livres de référence et de certains sites internet leur est conseillée par
l’équipe enseignante, tels que le site
http://www.e-lee.net, traitant de circuits linéaires.
Après la première rencontre, qui clôture
l’avant-projet, les étudiants ont accès au laboratoire d’électronique pour les essais et mesures pratiques. Comme
le temps d’accès leur est limité durant le projet (de 2 à 4 heures par semaine
pour chaque groupe), il leur est vivement conseillé de s’organiser
efficacement. Pour ce faire, il est demandé que les visites au laboratoire
soient préparées, que seuls deux étudiants de chaque groupe soient présents
simultanément au laboratoire, et que ces paires d’étudiants varient au cours du
projet, afin que chacun s’implique dans tous les aspects du projet, et pour
forcer les étudiants à partager leurs connaissances.
Au laboratoire, durant les plages horaires prévues,
des membres de l’équipe enseignante sont présents. Leur rôle est d’encourager
les étudiants à travailler de manière autonome : les inviter à rechercher
les informations qui leur manquent dans les fiches techniques des matériels et
composants, les faire réfléchir, leur expliquer comment trouver leurs erreurs,…
En fin de projet, le laboratoire est également accessible aux étudiants, sans
encadrement, par exemple en soirée ou le week-end.
4. UN EXEMPLE
D’APPRENTISSAGE PAR PROJET : REALISATION D’UN SYSTEME DE FILOGUIDAGE ELECTROMAGNETIQUE
Nous présentons ci-dessous l’énoncé et l’approche
suivie pour un exemple de projet réalisé à l’UCL [3] et synthétisés à la figure
2. Un cahier des charges du projet peut être consulté ici.
Fig. 2 –
Objectifs, contexte et sujet d’un projet particulier
4.1. Enoncé du projet
L’énoncé présenté aux
étudiants est le suivant :
Concevoir un capteur et une électronique de traitement
permettant à un véhicule d’être guidé – sans contact – par un fil électrique
parcouru par un courant alternatif. On demande qu’à la sortie du circuit, la
fonction de transfert Vout /
Dx (voir figure 3) soit linéaire autour de zéro et que son signe permette
d’identifier le sens de déplacement par rapport au fil (vers la droite ou vers
la gauche).
Fig. 3 – gauche : schéma du système (trait
continu : fil de guidage ; trait interrompu : axe du
véhicule) ; droite : allure d’une fonction Vout = f(Dx) acceptable
4.2.
Approche des aspects d’electromagnétisme
Le capteur choisi pour la détection de la ligne à
suivre repose sur les principes de l’électromagnétisme. Avant de traiter le
signal reçu par le capteur, il importe de comprendre la nature de ce signal
ainsi que les éléments dont il dépend, afin de dimensionner convenablement le
capteur, élément le plus critique de la chaîne de mesure. Nous décrivons dans
la suite de cette section la démarche suivie pour ce faire par les étudiants.
4.2.1. Considérations générales
Dans ce projet, les tensions induites dans des bobines
de mesure par un fil parcouru par un courant alternatif (iin) sont
exploitées pour en déduire la position du capteur par rapport au fil.
Un choix de départ de
l’équipe enseignante est de ne pas faire usage d’un noyau ferromagnétique pour
supporter les bobines. De cette manière, grâce à la linéarité du dispositif et
à l’homogénéité magnétique du milieu, on peut plus facilement obtenir un
résultat analytique pour les signaux mesurés, même si ceux-ci sont faibles vu
la non-canalisation du flux.
Si l’approche se doit d’être globale, il est néanmoins
nécessaire de s’intéresser aux aspects électromagnétiques de manière séparée
des aspects électroniques liés au traitement des mesures, afin de percevoir
l’influence des différents paramètres dimensionnels et de proposer une
architecture adéquate pour les bobines.
Comprendre l’influence de la position, du nombre de
spires, du diamètre,… des bobines sur la tension induite aux bornes de
celles-ci est primordial et représente pour les étudiants la première approche
pratique de l’électromagnétisme dans leur cursus universitaire.
4.2.2. Etude de la
tension induite dans une bobine
Initialement, aucune indication n’est donnée
concernant le nombre, les dimensions, la position ou les caractéristiques
techniques des bobines nécessaires à la réalisation d’un capteur de suivi de
ligne.
Une première étude est suggérée aux étudiants, qui est
de déterminer la tension aux bornes d’une bobine soit horizontale, soit
verticale, comme résumé à la figure 4.
Des résultats semblables, pour différents jeux de
données, peuvent être obtenus au moyen d’un programme matlab. Dans ce
programme, nous présentons un calcul des tensions induites dans des bobines de
section carrée pour différentes configurations. On y compare aussi les
résultats obtenus si l’on tient compte de la hauteur et de l’épaisseur des
bobines ou si on considère que toutes les spires sont concentrées.
:
Fig. 4 – Synthèse de la démarche
A ce stade, les étudiants considèrent les seuls
aspects d’inductance mutuelle entre le fil de guidage et les bobines en
calculant la force électromotrice induite par le courant parcourant le fil.
Se basant sur les lois de l’électromagnétisme (Lenz,
Faraday, Ampère), les étudiants s’intéressent analytiquement aux effets du
nombre de spires, du diamètre, de la longueur, des distances (horizontale x et
verticale y) des bobines par rapport au fil véhiculant le courant, sur la
tension induite aux bornes des bobines. Ce faisant, ils prennent conscience
qu’il est possible d’utiliser des modèles simplifiés, à condition d’en
percevoir les limites.
4.2.3. Un capteur, deux bobines
Sur base de leur étude précédente, les étudiants
découvrent assez vite que pour obtenir une information complète sur l’amplitude
et le signe de l’écart au fil, le recours à deux bobines est nécessaire. Les
recherches personnelles des étudiants, la concertation entre les groupes ainsi
que les pistes suggérées par l’équipe enseignante les conduisent rapidement
vers différentes configurations géométriques.
Une première configuration, que nous désignerons par conf_a dans la suite, consiste à placer
les bobines sur un même axe horizontal, transversal à la direction du fil
(figure 5).
:
Fig. 5 – Première configuration des bobines (conf_a)
Une deuxième configuration, conf_b, assez proche de la première, consiste à placer les bobines
à la même position que dans le premier cas, mais avec leur axe vertical (figure
6).
Fig. 6 – Deuxième configuration des bobines (conf_b)
Une troisième configuration, conf_c, conceptuellement différente des deux premières, consiste à
orienter l’axe d’une des bobines horizontalement et transversalement à la
direction du fil, et l’axe de la seconde verticalement et en-dessous de la
précédente (figure 7).
Fig. 7 – Troisième configuration des bobines (conf_c)
L’allure de la différence
d’amplitude entre les tensions mesurées par chaque bobine pour les deux
premières configurations est présentée ci-dessous (figure 8).
Fig. 8 – Comparaison des différences entre les
amplitudes des tensions induites dans chaque bobine pour les configurations conf_a (en bleu) et conf_b (en rouge)
Dans ces deux cas, il existe une plage de variation
linéaire de la tension à proximité du fil. Néanmoins, la réponse de conf_a présente une meilleure
sensibilité. La solution conf_b est
donc rejetée par les étudiants soucieux de la qualité finale de leur chaîne de
mesure.
Dans le troisième cas, les deux bobines jouent des
rôles différents. L’amplitude de la tension dans la bobine d’axe vertical
détermine la distance au fil. A même distance, à gauche et à droite du fil, les
amplitudes sont les mêmes mais la phase diffère de 180°. Le signal de la bobine
d’axe horizontal présente une phase constante, quel que soit le côté duquel se
trouve le capteur. Dès lors, ce signal peut être utilisé comme élément de
synchronisation.
A ce stade, les étudiants sont confrontés à deux
difficultés. La première difficulté réside dans la non unicité de la
solution ; la confrontation au choix et à ses justifications est nouvelle
pour eux et pas toujours facile à gérer. La seconde difficulté réside dans le
fait qu’un certain nombre de ces choix dépend directement des caractéristiques
du circuit de traitement qui devra suivre : Quelles tensions doit-on fournir au circuit ? Quels courants le
circuit prélèvera-t-il sur les bobines ? C’est ici qu’apparaît la
charnière entre le problème électromagnétique et le problème électronique, qui
fait prendre conscience aux étudiants que la réalisation d’une chaîne de mesure
nécessite une prise en compte globale de ces différents éléments.
La plupart des groupes ont opté pour la première
configuration, simple dans la compréhension. Certains groupes, encouragés par
l’équipe enseignante, se sont toutefois concentrés sur la troisième
configuration, dont ils ont pu apprécier les avantages lors de la réalisation
de la partie électronique (figure 9). Le développement de la chaîne de
traitement pour ces deux configurations est détaillé dans la section IV.3.
Fig. 9 – Synthèse de la démarche
4.2.4. Réalisation et test des
bobines
La réalisation des bobines et les premières mesures
sur celles-ci révèlent aux étudiants toute la complexité du problème. S’ils se
doutaient qu’un fil de cuivre n’avait pas une résistivité nulle, et que le fait
de bobiner un nombre relativement important de spires devait assez logiquement
engendrer une inductance non négligeable, ils réalisent à ce moment que la
tension théoriquement induite par le courant circulant dans le fil de guidage
et la tension effectivement mesurée aux bornes de la bobine pouvaient être
relativement différentes. Pire : le rapport entre ces tensions varie avec
la fréquence d’alimentation et présente même un maximum !
Une fois remis de leurs émotions, crayon à la main,
ils s’efforcent de proposer une explication rationnelle à ces phénomènes :
la bobine est en réalité un élément partiellement résistif, inductif et
capacitif (figure 10). Le tout est maintenant de représenter schématiquement
ces éléments distribués, d’une façon qui corresponde au mieux au sens physique,
et de les dimensionner. La capacité, provenant des phénomènes diélectriques
entre spires, apparaît en parallèle avec le modèle adopté initialement pour la
bobine. Son effet est de créer un diviseur d’impédance avec les composantes
résistive et inductive, ce qui affecte la valeur de la tension mesurée, rendant
celle-ci différente de la tension induite, avec un rapport qui dépend de la
fréquence.
L’étude fréquentielle du comportement des bobines et
les diagrammes de Bode qu’ils réalisent sur base des éléments calculés leur
permettent de réconcilier théorie et pratique, en adoptant un modèle plus
réaliste.
Fig. 10 – Synthèse de la démarche
Les étudiants se rendent compte que pour modéliser
l’impédance à partir des mesures, ils doivent travailler à plusieurs
fréquences. Les mesures au pont d’impédance, ainsi que les notions de fréquence
de résonance, les aident alors à caractériser les aspects électriques des
bobines. Une idée leur vient : Pourquoi
ne pas travailler à la fréquence de résonance des bobines ? De cette
manière, nous aurons en entrée du circuit électronique une tension de grande
amplitude qui sera plus facile à traiter ! Les groupes qui suivent
cette piste tête baissée et sans autre considération, certains de leur fait, se
brûlent les ailes en se rendant compte que si la résistance et l’inductance
sont en principe assez proches pour deux bobines semblables, il n’en est pas de
même de la capacité parasite, qui dépend fortement de la manière dont ont été
réalisés les bobinages. De ce fait, les fréquences de résonance des deux
bobines peuvent être différentes. Si les étudiants règlent la fréquence du
courant dans le fil inducteur sur la fréquence de résonance de l’une des
bobines, la réponse de l’autre bobine risque d’être fort différente en
amplitude, ce qui est gênant dans les deux premières géométries présentées, ou
en phase, ce qui est gênant dans la troisième.
Une solution suggérée par l’équipe enseignante est de
placer en parallèle avec chacune des deux bobines une capacité de valeur
nettement plus élevée que la capacité parasite, afin d’imposer aux deux
montages une capacité approximativement égale et donc une fréquence de
résonance commune aux deux bobines (figure 11).
Fig. 11 – Synthèse de la démarche
4.2.5. Observations
Grâce à la réalisation pratique des bobines, les
étudiants ont pu approcher concrètement les lois de l’électromagnétisme. Ils
ont pu se rendre compte des ordres de grandeur nécessaires pour les différents
paramètres ainsi que des effets non négligeables d’un désappariement des
bobines. Ils ont pu faire le lien entre l’électromagnétisme (par le biais de la
force électromotrice induite) et l’électronique (par le biais de la tension
totale mesurée aux bornes de la bobine).
4.3.
Approche des aspects électroniques liés au traitement des mesures
Le rôle des bobines présentées dans la section 4.2.
est de transformer un champ magnétique variable, résultant du passage d’un
courant alternatif dans un fil, en une tension alternative. Une étude
approfondie de ces « convertisseurs » a permis d’exprimer la fonction
de transfert liant le courant dans le fil (signal d’entrée iin) en
une tension alternative, mesurée aux bornes des bobines (vb).
Toutefois, il reste à mettre en forme cette tension alternative. Conformément
aux énoncés, il était demandé de fournir une tension continue vo. Un
traitement de signal analogique assure cette conversion. L’étude
électromagnétique nous donne la fonction de transfert entre iin et vb,
alors que la chaîne de traitement de signal engendrera une fonction de
transfert entre vb et vo.
4.3.1.
Considérations générales
Les étudiants ont été invités à proposer une chaîne de
traitement de signal sous forme de blocs fonctionnels. Il est utile pour cela
qu’ils connaissent auparavant les montages électroniques de base
(amplification, sommation, filtrage, redressement).
Le fonctionnement de l’amplificateur opérationnel est
présenté à l’aide de différents modèles dans le cours d’électronique donné en
parallèle. L’équipe enseignante propose également l’étude de schémas simples
construits autour de cet amplificateur, qui permettent d’illustrer les concepts
de contre-réaction et d’impédance d’entrée et sortie. Ces schémas de base, ou
d’autres trouvés dans la littérature ou sur internet par les étudiants, sont
les blocs fonctionnels avec lesquels les étudiants sont invités à construire
une chaîne d’opérations mathématiques constituant le traitement du signal. Pour
les aider tant dans la compréhension des schémas de base que dans la validation
de leurs choix, un outil de simulation, le logiciel Pspice, est à leur disposition.
Après l’avoir présentée à l’équipe enseignante, les
étudiants sont invités à réaliser et tester leur solution en laboratoire, à se
rendre compte des éventuelles limites et imperfections de celle-ci, et à y
remédier le cas échéant.
4.3.2. Modèles de
l'amplificateur opérationnel et blocs fonctionnels
Durant tout le projet, les étudiants sont amenés à
simuler leurs montages. Plusieurs modèles d'amplificateurs ont été proposés, du
plus simple au plus compliqué.
Le modèle le plus simple de l'amplificateur
opérationnel est la source de tension commandée en tension avec impédance
d’entrée infinie (fichier Pspice – student version release 9.1).
La tension de sortie de l'amplificateur est
proportionnelle à la tension entre les bornes d'entrée de celui-ci :
Ce modèle très simple est celui qui a été donné au
cours comme premier modèle de l’amplificateur opérationnel. Le gain g est positif, de l’ordre de 105,
et n’est pas connu précisément. Outre le fait que la tension de sortie peut
excéder les tensions d’alimentation, il souffre d’un défaut très perturbateur
pour les étudiants : il donne quasiment les mêmes résultats pour des
montages à contre-réaction positive et négative. Il en résulte par exemple
qu’un montage de type Trigger de Schmidt aura en simulation la même réponse
qu’un montage inverseur (figure 12).
Fig. 12 – Comparaison des réponses en tension Vout
en fonction de Vin pour le modèle simple dans deux cas de figure
particuliers
La raison en est que ce modèle de l'amplificateur
opérationnel est purement statique. Pour pouvoir tenir compte du comportement
dynamique de l’amplificateur, et en particulier de la stabilité du montage dans
lequel il s’insère, il faut ajouter un pôle à ce modèle
(fichier Pspice).
Les étudiants observent alors que la réaction négative stabilise
l'amplificateur opérationnel, tandis que la réaction positive le mène à
saturation : illustration merveilleuse d'un fonctionnement instable.
D'autres modèles existent
pour tenir compte de l'impédance d'entrée finie et de l'impédance de sortie non
nulle de l'amplificateur opérationnel (fichier Pspice) , des
tensions d’alimentation finies (fichier Pspice) ainsi que
du slew rate (fichier Pspice),
des tensions de décalage (fichier Pspice) et des
courants de polarisation (fichier Pspice).
En utilisant ces modèles, les étudiants simulent un
certain nombre de circuits de base correspondant à des blocs fonctionnels
(figure 13). Ils sont également invités à étudier les interconnexions entre
ceux-ci et à se rendre compte que si on ne prend pas garde aux effets de
charge, les signaux peuvent être altérés. Le problème se pose notamment
lorsqu’un module RC dimensionné hors du circuit est connecté à un montage ayant
une impédance d’entrée faible : le pôle associé à la cellule RC se déplace
lors de l’insertion de ce module dans le circuit.
Fig. 13 – Synthèse de la démarche
4.3.4. Chaînes de
traitement
Dans cette section, nous présentons les chaînes de
traitement proposées par les étudiants. Le rôle global de cette chaîne de
traitement est d’exploiter deux tensions alternatives pour fournir une tension
continue, dont l’amplitude soit proportionnelle à l’écart du capteur par
rapport au fil, pour de petits déplacements du capteur, et dont le signe
indique le sens de cet écart.
Pour chacune des configurations
de bobines décrites dans la section 4.2.2., nous présentons une chaîne de
traitement sous forme de boîtes noires. Il faudra ensuite implémenter chacun de
ces blocs à l’aide de composants électroniques. Aux différents points du
circuit, l’allure du signal est esquissée, permettant de vérifier la fonction
réalisée par chacune des cellules construites autour de l’amplificateur.
·
Configurations
conf_a et conf_b
La procédure de traitement
majoritairement choisie est la suivante : isolation pour s’affranchir d’un
effet de charge éventuel sur les bobines, redressement simple alternance du
signal de chaque bobine, extraction de la valeur moyenne par filtrage passe-bas
et soustraction (figure 14).
Fig. 14 – Synthèse de la démarche
·
Configuration
conf_c
La procédure de traitement choisie est le redressement
synchrone : on redresse le signal de la bobine d’axe vertical en fonction du
signal de la bobine d’axe horizontal (figure 15). Pour ce faire, on utilise un
interrupteur à trois bornes : une commande, une entrée et une sortie. Si
le signe du signal de commande est positif, l’élément joue le rôle de suiveur
(vo=vin), alors que dans le cas contraire, la tension de
sortie est imposée à zéro. Le signe de la valeur moyenne de la tension
redressée est égal au signe du cosinus du déphasage entre les signaux des deux
bobines. On supposera sur base de ce signe que les tensions des bobines sont en
phase ou en opposition de phase. Ce signe nous donne ainsi une information sur
le côté duquel se trouve le capteur par rapport au fil. La distance entre les
bobines et le fil est donnée par l’amplitude de la tension induite dans la
bobine d’axe vertical. Cette méthode est plus directe et bien moins gourmande
en composants électroniques que les configurations exposées précédemment, pour
un même signal en fin de chaîne de mesure.
Fig. 15 – Synthèse de la démarche
5. QUELQUES VARIANTES POSSIBLES
On peut envisager des
variantes au projet précédent.
5.1. Capteur sur noyau de fer
Une alternative consiste à placer les deux bobines sur un
noyau magnétique de ferrite en forme de E.
Dans ce cas, les bobines ont la configuration géométrique conf_a mais le calcul analytique de la tension induite par le fil n’est
quantitativement plus aussi précis étant donné la canalisation du flux que
provoque le noyau. Le flux intercepté par les bobines est plus important que
dans le cas sans fer. De plus, ce type de capteur est moins susceptible d’être
perturbé par d’autres sources de champs magnétiques ou par la présence
d’éléments métalliques voisins du système.
Si la présence du noyau
rend quasi impossible une étude analytique précise, on observe toutefois,
expérimentalement, une allure générale de la tension en fonction de la position
assez semblable au cas traité précédemment avec, en particulier, une plage de
variation linéaire de tension à proximité du fil (figure 16).
5.2. Capteur optique
Une autre variante permet une concentration exclusive
sur la partie électronique. Elle consiste à remplacer les capteurs
électromagnétiques par des capteurs optiques. Il existe des capteurs optiques
intégrés en réflexion comprenant à la fois l’émetteur et le récepteur, ce
dernier fonctionnant dans une plage de longueur d’onde bien adaptée à celle de
l’émetteur. De tels capteurs sont utilisés à l’UCL (par exemple le QRB1134,
fonctionnant dans le proche infra-rouge), dans le cadre d’autres projets (projet intégré en mécatronique [5,6]). La lumière reçue par ce type de capteur est émise
par une diode émettrice LED et le capteur lui-même est constitué d’une
photodiode.
Les capteurs optiques peuvent être utilisés pour faire
du suivi de ligne, de la même manière que les capteurs électromagnétiques dans
les configurations conf_a et conf_b. Il suffit pour ce faire de
remplacer chaque bobine par un capteur optique, et le fil dans lequel circule
le courant par une bande de couleur réfléchissant bien la lumière émise, placée
sur un fond de couleur la réfléchissant peu (figure 17).
Fig. 17 – Montage des capteurs optiques
La tension de sortie du
capteur peut être continue si la lumière est émise en continu. Dans ce cas, le
circuit de traitement est simplifié par rapport au cas du capteur
électromagnétique, les étages de redressement et de filtre pouvant être
supprimés.
On aura toutefois avantage à moduler la lumière émise
par
Fig. 18 – Circuit d’émetteur
6.
CONCLUSIONS
L’organisation matérielle
de projets de l’ampleur de ceux présentés ici demande un investissement
important en temps et en matériel. A l’inverse d’un cours magistral, la
« surface de contact » de ces activités (produit du temps
d’encadrement par le nombre d’étudiants touchés) est relativement faible pour
l’équipe enseignante vu le peu d’étudiants rencontrés simultanément
(consultation individuelle des groupes, étalement de l’occupation des
laboratoires). L’interaction est cependant plus enrichissante pour les
étudiants.
Comprendre les difficultés récurrentes des étudiants
permet toutefois d’assurer un encadrement plus adéquat pour les projets
suivants, en synthétisant par exemple lors d’une séance de cours l’ensemble des
problèmes rencontrés par la majorité des groupes, et en esquissant les
solutions de ces problèmes. De cette manière, on peut réduire grandement le
temps qu’il est nécessaire de passer individuellement avec chaque groupe.
Des projets tels que ceux présentés ci-dessus
permettent aux étudiants d’appliquer des notions vues de manière théorique dans
certains cours préalables ou donnés en parallèle (telles que
l’électromagnétisme et la théorie des circuits), ou qui seront abordées plus
tard dans leur cursus (comme les imperfections des amplificateurs
opérationnels).
La dynamique
d’apprentissage est très différente de celle d’un cours magistral. Lors des
projets, les étudiants se motivent mutuellement, que ce soit au sein des
groupes ou entre ceux-ci. La volonté de certains groupes d’obtenir d’excellents
résultats entraîne les autres à s’investir en conséquence, afin que les niveaux
de qualité ne diffèrent pas trop d’un groupe à l’autre. Loin de tout esprit de
concurrence malsaine, les échanges sont nombreux entre groupes et les
discussions entre les étudiants sont une aide considérable à l’avancement du
projet, au même titre que les rencontres avec l’équipe enseignante lors des
séances de monitorat et de laboratoire.
L’apprentissage par projet confère aux étudiants une
autonomie qui se ressent dans les activités qu’ils mènent dans la suite de
leurs études (et nous espérons au-delà). Nous le constatons au niveau du projet
de 4ème année, étalé sur toute l’année, où les étudiants sont amenés
à concevoir un système beaucoup plus complet (système de communication ou
électronique de commande d’un robot mobile[5,6]). Si l’on prévoit dans leur
cursus des projets de taille et de complexité croissante, il est possible
d’ « amortir » la charge d’encadrement consentie pour le premier
projet. On transmet de ce fait aux étudiants une compétence supplémentaire à
l’issue de leurs études, qui leur donne une « valeur ajoutée » tant
en vue de leur insertion dans la vie professionnelle que pour une prolongation
de leur formation par la recherche.
Pour toutes ces raisons, nous sommes convaincus à
l’UCL de l’efficacité de l’apprentissage par projet, si l’on dispose des moyens
adéquats en matière d’encadrement des étudiants.
7. BIBLIOGRAPHIE
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Raucent, A. Soucisse, Ch.Trullemans, C. Vander Borght, Devenir ingénieur par apprentissage actif
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[2] D. Grenier, P. Anciaux, Ingénieurs civils et industriels :
l’enseignement supérieur de type long des sciences appliquées en Belgique
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Actes du CETSIS-EEA 2003,
Toulouse (France), novembre 2003, pp. 193-198
[3] F. Vrins, L. De Vroey, F. Labrique,
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en électricité (partie 1) : Conception et réalisation d’un système de
filoguidage électromagnétique
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B. Dehez, J. Gyselinck, Apprentissage par
projet en électricité (partie 2) : Modélisation d’un lanceur
électromagnétique
Actes du CETSIS-EEA 2003, pp.
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[5] D. Grenier, P. Fisette, B. Raucent, Fédérer
des activités pédagogiques pour constituer un projet intégré en mécatronique:
compte rendu d’innovation
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[6] D.
Grenier, P. Sente, P. Fisette, B. Raucent, La conception et la réalisation
de robots mobiles comme éléments fédérateurs d’une formation en mécatronique
Actes du Colloque sur l’Enseignement des Technologies
et des Sciences de l’Information et des Systèmes (CESTIS-EEA’99), Montpellier
(France), novembre 1999, pp. 295-298.