Moteur DC avec roue

Le moteur à courant continu avec roue est l’entraînement le plus simple d’un petit robot roulant : un moteur à balais, un réducteur à engrenages logé dans un boîtier jaune, et une roue à pneu caoutchouc qui vient s’emmancher sur l’axe de sortie. C’est la pièce qui fait avancer les voitures suiveuses de ligne, les robots éviteurs d’obstacles et les maquettes télécommandées.

Deux fils suffisent à le faire tourner. Le réducteur transforme la rotation rapide du moteur en une rotation lente et coupleuse, celle qu’il faut à une roue pour démarrer sans patiner. Deux conséquences en découlent, et elles structurent tout le montage : un moteur de ce type consomme bien plus de courant qu’une sortie de microcontrôleur n’en fournit, et c’est le sens du courant qui décide du sens de rotation.

Ce que contient le lot

Caractéristiques techniques

Pourquoi ce moteur ne se branche pas directement sur la carte

Une sortie de microcontrôleur fournit quelques dizaines de milliampères. Un moteur de ce type en appelle plusieurs centaines en service normal, et bien davantage au démarrage ou lorsque la roue est retenue. Brancher le moteur sur une broche revient donc à faire passer le courant du moteur par le silicium de la carte : la sortie ne résiste pas, et la carte redémarre en boucle.

Entre la carte et le moteur, il faut un étage de puissance — un pont en H. Il remplit deux fonctions : inverser le sens du courant dans le moteur, donc le sens de rotation, et hacher la tension d’alimentation pour doser la vitesse. Le shield moteur L293D en est la version la plus directe à monter : deux ponts en H, quatre moteurs à courant continu, des bornes à vis pour les fils, et un format qui se pose directement sur l’Arduino.

Deux précautions accompagnent toujours ce branchement. D’abord, les masses du module et de la carte doivent être reliées, sinon le module ne reçoit aucun ordre exploitable. Ensuite, l’alimentation des moteurs ne doit pas venir du port USB ni de la sortie 5 V de la carte : au démarrage, la tension s’effondre et la carte se réinitialise. Un pack de piles dédié aux moteurs règle le problème.

Montage sur un châssis

Le boîtier du réducteur n’est pas prévu pour être vissé directement : il se glisse dans un support de moteur TT, une équerre en aluminium qui reprend sa forme et rapporte deux trous de fixation sur la platine du robot. Le support se visse ensuite sur le châssis avec des vis M3 de 10 mm et leurs écrous, qui conviennent à un châssis imprimé en 3D comme à une platine percée.

La roue, elle, s’emmanche à fond sur l’axe de sortie : elle doit s’arrêter en butée, bien droite. Une roue enfoncée de biais force sur les engrenages plastiques du réducteur, et c’est la pièce qui casse en premier. Ne pas frapper sur la roue pour la mettre en place : la pousser à la main suffit.

Pour un robot à deux roues motrices, deux moteurs et une roue libre pivotante placée à l’avant ou à l’arrière donnent la base la plus simple qui tienne l’équilibre. Un robot à quatre roues se contente de quatre moteurs, sans roue libre, mais consomme deux fois plus de courant.

Quelle vitesse, et comment la mesurer

Le boîtier jaune ne porte aucun marquage, et c’est une même enveloppe qui sert à plusieurs rapports de réduction. Les catalogues annoncent, selon la variante, de l’ordre de 80 à 200 tours par minute à vide sous 6 V : l’écart va du simple au triple, et rien sur la pièce ne permet de trancher à l’œil. La mesure vaut donc mieux que l’étiquette, et elle prend deux minutes :

Deux moteurs du même boîtier ne tournent jamais exactement à la même vitesse, et deux moteurs du même lot non plus. Un robot qui doit aller droit demande donc soit un réglage de vitesse séparé pour chaque côté, soit une mesure de la rotation réelle : un capteur de vitesse à fourche infrarouge placé à cheval sur un disque percé, monté sur l’axe, compte les tours et permet de corriger l’écart.

Mini-projet : faire rouler le moteur, en rampe puis en marche arrière

Objectif : démarrer le moteur progressivement jusqu’à pleine vitesse, s’arrêter, puis repartir en sens inverse. Le montage ne demande aucune soudure si le module et le pack sont à bornes, et le programme tient dans une quinzaine de lignes utiles.

Ce qu’il faut

Le câblage

Le moteur ne touche jamais la carte : les deux fils vont sur les bornes de sortie du module, et rien d’autre. Les broches IN1 et IN2 décident du sens, la broche ENA de la vitesse.

Le programme

À téléverser dans l’IDE Arduino :

/*
 * Moteur DC avec roue et module L298N : rampe d'acceleration, arret, marche arriere
 * Carte : Arduino Uno R3
 * Cablage : ENA sur D9 (PWM), IN1 sur D8, IN2 sur D7, alimentation moteur 6 V sur 12V
 * Le moteur ne recoit jamais d'ordre direct de la carte : le module L298N fait
 * l'etage de puissance, la carte ne fournit que le signal.
 *
 * Composants, brochage et fiche complete : www.marocproduits.com
 */

const byte BROCHE_VITESSE = 9;   // ENA, sortie PWM
const byte BROCHE_SENS_A  = 8;   // IN1
const byte BROCHE_SENS_B  = 7;   // IN2

void setup() {
  pinMode(BROCHE_VITESSE, OUTPUT);
  pinMode(BROCHE_SENS_A, OUTPUT);
  pinMode(BROCHE_SENS_B, OUTPUT);

  Serial.begin(9600);
  Serial.println("Moteur DC avec roue : demonstration");
}

/* Regle le sens et la vitesse. sens vaut 1 pour avancer, 0 pour reculer. */
void tourner(int sens, int vitesse) {
  if (sens == 1) {
    digitalWrite(BROCHE_SENS_A, HIGH);
    digitalWrite(BROCHE_SENS_B, LOW);
  } else {
    digitalWrite(BROCHE_SENS_A, LOW);
    digitalWrite(BROCHE_SENS_B, HIGH);
  }
  analogWrite(BROCHE_VITESSE, vitesse);
}

/* Met la sortie PWM a zero : le module ne delivre plus de courant au moteur. */
void arreter() {
  analogWrite(BROCHE_VITESSE, 0);
}

void loop() {
  int vitesse = 0;

  Serial.println("Avancer en montant la vitesse par paliers");
  while (vitesse != 255) {
    vitesse = min(vitesse + 5, 255);
    tourner(1, vitesse);
    delay(40);
  }
  delay(1500);

  Serial.println("Arret");
  arreter();
  delay(800);

  Serial.println("Reculer a vitesse moyenne");
  tourner(0, 170);
  delay(1500);

  Serial.println("Arret final");
  arreter();
  delay(1000);
}

Comment ça marche

• La broche ENA ne fournit pas de courant au moteur : elle fixe le rapport cyclique du pont en H. Une valeur de 255 laisse passer toute la tension, une valeur de 128 la moitié, et le moteur reçoit une tension moyenne d’autant plus faible qu’il tourne lentement.
• Les broches IN1 et IN2 croisent ou décroisent le courant dans les deux branches du pont. Inverser les deux niveaux inverse le sens de rotation ; c’est le seul mécanisme en jeu, et c’est aussi ce qui se passe lorsqu’on permute les deux fils du moteur.
• La rampe du début — cinq unités de PWM toutes les 40 millisecondes — évite l’à-coup de démarrage. Un moteur lancé d’un coup à pleine vitesse fait patiner sa roue et consomme une pointe de courant inutile.
• La mise à zéro de la sortie PWM arrête le moteur sans le freiner : la roue continue sur son élan. Pour un arrêt net, il faudrait un moteur avec frein ou une commande de pont qui court-circuite l’enroulement.
• Le module chute de 1 à 2 V entre son alimentation et le moteur. Un pack de 6 V délivre donc au moteur une tension réelle un peu plus faible, ce qui est sans conséquence ici — mais explique qu’un moteur « 6 V » alimenté par le module tourne un peu moins vite qu’en direct sur le pack.

Les erreurs qui coûtent un moteur

Questions fréquentes

Dans quel sens tourne-t-il ?

Aucun sens ne lui est imposé : un moteur à courant continu s’inverse en permutant ses deux fils, que ce soit au niveau des bornes du moteur ou des broches IN1 et IN2 du module. Il n’y a donc pas d’erreur de branchement possible, seulement un sens à corriger d’un échange de fils.

Faut-il un module par moteur ?

Non. Un module L298N commande deux moteurs à courant continu, un shield L293D en commande quatre : le nombre de moteurs du robot décide du nombre de modules, et deux roues motrices tiennent sur un seul module. Ce qui compte, c’est de réserver à chaque côté du robot deux broches de sens et une broche de vitesse, pour pouvoir corriger le cap.

Peut-on le faire tourner sans microcontrôleur ?

Oui. Un simple inverseur à deux positions alimente le moteur dans un sens ou dans l’autre, et un montage à transistor permet de le commander depuis une sortie de carte. Ce que l’on ne peut pas faire sans pont en H, c’est inverser le sens par la commande elle-même — il faut alors un relais inverseur ou un inverseur mécanique.

Combien de roues motrices pour un robot ?

Deux roues motrices et une roue libre constituent la base la plus économique : le robot tient sur trois points et tourne sur place en faisant tourner ses deux moteurs en sens opposés. Le second moteur se trouve seul dans le catalogue, sans sa roue, ce qui permet de compléter un montage déjà commencé : moteur réducteur DC.

Ce moteur peut-il porter une charge ?

Le réducteur lui donne le couple nécessaire pour démarrer une roue, pas pour tirer un poids. Sur un sol lisse, un petit robot de maquette roulant avance sans difficulté ; sur un tapis épais ou dans une pente marquée, la roue patine et le moteur force. Dans ce cas, on allège le montage et on réduit la vitesse plutôt que d’augmenter la tension.

À combiner avec

Une roue de rechange évite de redémonter le train avant lorsqu’une roue prend du jeu ou perd son pneu, et elle permet de passer un robot de deux à quatre roues motrices. Si vous partez de zéro, une voiture robotique à deux roues fournit la platine, les roues et les moteurs déjà assortis, sur laquelle ce moteur sert ensuite de remplacement ou de second train.