Un rotor d'antenne azimut et élévation pour le trafic via satellites

Ca, c'est de la grosse réalisation tant mécanique que électrique et électronique. Je suis en train de réaliser ce rotor d'antenne, déja pour m'amuser un peu, mais surtout pour avoir un vrai rotor bien solide et précis pour suivre les satellites.
Vous allez vous rendre compte au fil de la description, que le mot "solide" n'est pas usurpé.
Pour faire ce rotor, j'ai choisi d'utiliser des réducteurs industriels à vis sans fin, de façon à avoir la robustesse, la précision, et la fonction de freinage sans avoir à utiliser de frein. Sur chacun des axes, sera entrainé un codeur absolu qui donnera au système de commande la position angulaire de l'antenne.
Le système de commande sera composé de deux parties. La première dans le shack avec l'unité centrale pour recevoir du PC et du logiciel de suivi, la trame de position azimut et élévation. Et la deuxième, qui recevra les infos par le biais d'un bus I2C durci pour commander les moteurs, et recevoir les positions des codeurs.
Cette deuxième partie, sera bien sûr à l'extérieur du shack, avec tout l'ensemble mécanique motoréducteurs et codeurs


Quelques parties mécaniques et électriques rassemblées pour l'occasion

J'ai rassemblé quelques éléments pour commencer la réalisation de ce rotor. Pour info, le gros réducteur à droite, peut tenir 350Nm de couple de rotation ! autant dire que ça promet du costaud.

Les accouplements des motoréducteurs

Ca y est ! les accouplements des moteurs sont enfin réalisés. Entre les blocs de jonction pour fixer le motoréducteur sur l'entrée du motoréducteur de sortie et les arbres clavetés, quel boulot.
Maintenant, il faut s'occuper des arbres de sorties et du palier supérieur qui va suporter toute la charge, puis mettre tout ça dans une cage assez solide pour constituer le rotor complet.
Sans oublier, les deux codeurs qu'il faudra aussi fixer et accoupler aux arbres de sortie.

La tour du rotor en cours de construction

Ca commence à prendre forme, voila l'idée qui se concrétise. La tour dont la structure est réalisée en fer cornière de 40 mm soudé. Les plaques support des éléments sont en place, celle du haut supportera le gros palier à roulement, et celle du bas le réducteur d'azimut.
La rigidité de l'ensemble sera complétée durant la phase finale de construction par rapport à la base pour éviter les effets de torsion et rotation au moment des couples de démarrage et arrêt des moteurs.

La tour avec le réducteur azimut et le palier montés

La tour est assemblée avec le roulement supérieur et le réducteur azimut. On voit également le montage du motoréducteur d'entrainement orienté à la verticale. J'ai choisi ce type de montage pour limiter la section de l'ensemble. Le palier est très puissant et la tourelle de reprise pour la fixation du réducteur d'élévation bien dimmensionnée.
Dans cette partie de la tour, seront logés les variateurs de fréquence avec toutes les parties de puissance, contacteur général, relais statiques de puissance, protections, alimentation 24V pour le général.
On apperçoit en dessous du réducteur le codeur absolu d'azimut monté dans l'axe et connecté en direct avec un accouplement.
Toutes les parties de commande seront situées dans le compartiment en dessous avec le codeur. Le but étant de séparer la puissance de la commande pour éviter tous types d'interférences et donc problème de précision ou fonctionnement ératique.
La tour sera complètement fermée par des tôles démontables pour accéder facilement à tous les niveaux. Des précautions particulières seront évidement prises pour que l'ensemble soit étanches à la pluie et présente une bonne protection CEM aussi bien pour ce qui se passe à l'intérieur qu'à l'extérieur, je pense aux antennes d'émission. La casquette de la plaque supérieure permet de dégager les écoulements d'eau verticaux pour protéger les côtés.

Le réducteur d'élévation assemblé sur l'axe vertical

Le gros réducteur est assemblé sur l'axe du palier roulement avec le moteur monté en position verticale sur le coté. En partie gauche, le codeur est monté sur un support réglable pour tendre la courroie.
Toute cette partie sera capotée intégralement pour la protéger des intempéries.
L'axe horizontal traversera complètement le réducteur en une seule pièce de façon à être le plus rigide et précis possible.(la poulie est actuellemnt montée sur un cimblot tenu par une tige filetéte passant au travers du réducteur).

La tour assemblée avant peinture

La tour complètement est terminée avec ses pattes support inclinées. Les ensembles mécaniques sont en place ainsi que quelques équipements électriques.
La tour est prévue pour être posée au sol sur des supports en béton avec un empattement assez grand pour supporter les différents couples de rotation. L'ensemble est trés solide et mesure environ 2m de haut au total.
On peut voir les deux niveaux d'équipement à l'intérieur, avec en partie basse le rack de commande qui recevra le réseau I2C pour communiquer avec l'unité centrale. La partie haute recevra toute la puissance avec les variateurs des moteurs, et le moteur d'azimut avec son réducteur. Bien sûr tout ça sera entièrement fermé par des tôles.

Le compartiment du haut

C'est bien plein ! on peut voir principalement le réducteur d'azimut avec son motoréducteur de commande, puis en dessous le codeur de cet axe.
De chaque coté de l'arbre vertical, on trouve les deux variateurs des moteurs et au dos le contacteur de puissance ainsi que les protections. Sur l'image de droite en bas, il y a le filtre de puissance pour les variateurs.

Le rotor terminé avec les antennes

Voilà le rotor complètement terminé avec les antennes montées.
L'ensemble est monté sur 4 plots en béton qui sont juste posés sur le sol, le poids suffit à ce que ce soit stable.
Le rotor est équipé de deux tubes horizontaux de 2 m de long chacun qui supportent les antennes. Ces deux tubes sont fixés au réducteur par l'arbre claveté traversant et par une clavette et une bride de chaque côté. Autant dire que c'est bien rigide et solide.
L'antenne centrale est fixée par un portique bridé sur les tubes de chaque côté du réducteur, et le tube d'antenne n'est autre qu'un tube de pvc diamètre 40 avec une tringle à rideaux en bois emmanchée à l'intérieur. Sur le rotor 3 antennes : une croisée 4 éléments pour le 137 Mhz, une croisée 9 éléments pour le 144 Mhz et une hélice 12 spires pour le 432 Mhz.
Les coffrets situés à l'arrière abritent les relais coaxiaux et les préamplificateurs.
Les câbles sont portés et guidés par une arche assez longue, de façon à bien dégager la structure pendant la rotation et éviter toute dégradion ou emmélage.

L'unité centrale

Composée d'un microcontroleur PIC, d'une communication série, d'un bus de communication I2C, elle assure la gestion des moteurs du rotor en fonction de la trame reçue du logiciel WXtrack.
La communication série reçoit la trame AZimut et ELévation, le logiciel du PIC l'exploite en fonction des positions lues sur les codeurs des axes, en donnant l'ordre en vitesses et directions aux moteurs.
La communication entre l'unité centrale et le rotor, s'effectue par un bus I2C sur 2 lignes coaxiales.
L'ensemble rotor est composé de :
- des cartes d'entrées logiques pour lire les positions des codeurs, des cartes de sorties logiques et des cartes de sorties analogiques pour piloter en direction et vitesses les variateurs des moteurs.
2 vitesses sont utilisées pour piloter les axes, la grande vitesse pour assurer le déplacement normal, puis une petite vitesse en zone d'approche pour faciliter la précision de positionnement et éviter les accoups aux antennes.
Tout l'ensemble est paramétrable pour chaque axe, vitesses de déplacement, position de park, zone de ralenti des moteurs. Les commandes sur l'unité centrale, permettent de piloter chaque axe en manuel, et de passer en mode automatique, pilotage intégral par WXtrack. Un algorithme particulier, permet au rotor de passer le nord sans problème et de revenir en position de park en automatique à la fin du passage du satellite. Le logiciel assure la gestion complète du rotor en positions et vitesses des moteurs, correction de défaut de position, surveillance des alarmes des variateurs, surveillance des surcourses de sécurité, retour en position de park, etc

Le schéma de l'unité centrale avec PIC 18F452

Cette unité centrale, a été concue pour répondre à cette utilisation mais pas seulement, car j'en ai profité pour utiliser complètement le microcontroleur.
Cet ensemble comporte tous les éléments d'interface pour la rendre le plus universelle possible. Elle comporte un clavier, un écran LCD, des entrées logiques, des entrées analogiques, des sorties logiques, une communication série,et surtout un bus I2C permettant de communiquer avec une foule d'entrées sorties ainsi qu'une mémoire EEPROM permettant de stocker les paramètres du rotor.
Vous remarquerez que le bus I2C est interfacé avec un bus extender permettant ainsi d'avoir de grandes longueurs de câble entre cette UC et le rotor.


Les borniers et connecteurs de la carte UC


Le circuit imprimé de la carte UC


Le synoptique du rotor

Ce synoptique général montre comment est structuré l'interface du rotor, avec ces différentes cartes et fonctions.
On peut donc voir le bus I2C qui communique avec les différentes cartes d'entrées sorties puis les liaisons vers les variateurs des moteurs, pour assurer les commandes de sens de rotation et vitesses.
Les pavés surcourses ont leur importance car ce sont eux qui arrêtent les moteurs en cas de dépassement des positions données par les cames qui sont dans les codeurs. Pour l'axe azimut, la came permet un dépassement de chaque côté du Nord de 75°, ce qui permet au rotor de pouvoir suivre un satellite qui croise le nord sans rupture de suivi. Pour l'axe élévation, l'angle est plus petit car la came protège de 0° à 95°, ce qui est largement suffisant.
Ces fonctions de protections sont très importantes pour éviter les catastrophes en cas de défaillance ou plantage de l'UC. En tout cas, elles ont eu leur utilité durant les phases de mise au point hi !



Le schéma de puissance

Le schéma de puissance avec les différentes liaisons autour des variateurs des moteurs.
Comme vous pouvez le voir les moteurs sont des motoréducteurs triphasés standards du commerce, alimentés par des variateurs en monophasé 220V. Ces variateurs proviennent de récupération et sont un peu surdimmensionnés pour les moteurs mais il vaut mieux cela.
On retrouve donc toutes les commandes en liaison avec les cartes I2C, et les commandes d'évolution des moteurs passants par le relais des surcourses pour couper toutes commandes si dépassement de position. Ces commandes de surcourses sont bien entendu en cablage direct sans passer par l'UC, ce qui peut se comprendre.
On n'oublie pas non plus le filtre en entrée d'alimention des variateurs pour éviter que des produits indésirables se balladent sur le secteur.



Une carte I2C d'entrées codeur

Ces cartes ont un rôle très important, elles vont permettre de lire les informations de positions venant des codeurs.
J'ai utilisé pour cela des interfaces I2C bien connues les PCF8574, le premier lit les bits de D0 à D7 et le deuxième de D8 à D9, oui les codeurs qui sont décrits aussi sur ce site, donnent l'information sur 10 bits soit une résolution du demi degré.
Pour des raisons pratiques, toutes les cartes de cet ensemble sont montées en rack et en fond de pannier de manière à faire circuler les alimentations, le bus I2C et les entrées et sorties logiques et analoqiques en arrière de rack. Par contre, sur ces cartes, pour des raisons pratiques, le connecteur de codeur est sur la face avant de la carte.



Le circuit imprimé de la carte d'entrées codeur


Une carte I2C d'entrées logiques

Ces cartes sont dérivées de la première en plus simple puisqu'il n'y a qu'un seul circuit PCF8574 pour assurer les 8 bits suffisants pour cette application.
Sur le front de carte, on trouve uniquement les leds, car les connections se font sur l'arrière.



Le circuit imprimé de la carte d'entrées logiques


Une carte I2C de sorties logiques

Même type de carte mais en sorties logiques et puissance PNP pour envoyer les différentes commandes vers les variateurs et le relais de mise sous tension.



Le circuit imprimé de la carte de sorties logiques


Une carte I2C de sorties analogiques

Un peu de changement, cette carte met en application 2 PCF8591 pour les entrées sorties analogiques. Pour cette application, seules les sorties analogiques servent pour commander les variateurs en vitesse par l'envoi d'une tension entre 0 et 5V pour un variateur et entre 0 et 10 V pour le deuxième. Cela permet de faire tourner les moteurs assez vite lors des grands déplacements et d'avoir une vitesse plus faible pour aborder la destination finale avec précision. Ces vitesses sont commandées par le logiciel de l'UC lors des contrôles de déplacement.
Les entrées analogiques peuvent un jour servir en complément d'entrées logiques suivant une extension du système.



Le circuit imprimé de la carte de sorties analogiques


La carte d'alimentation du rack et extendeur I2C

Rien de bien compliqué, 2 régulateurs pour fournir du 5V et du 12V à partir de l'alimentation 24V de la tour.
Puis l'extendeur I2C assure la continuité du bus et une bonne qualité de transmission. Attention, c'est un moyen efficace de prolonger un bus I2C, j'utilise cette technique depuis de nombreuses années en domotique et c'est très efficace.



Le circuit imprimé de la carte d'alimentation du rack


Vue de face du rack


Un exemple de réception de satellite météo type NOAA

Bien sûr pour obtenir ce type d'image le rotor ne suffit pas, mais il permet d'assurer un suivi très précis du satellite et donc d'avoir des images de qualité.





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