DC Gearmotor (TT Motor)

Présentation

Le moto-réducteur TT est le moteur jaune et bleu au bas de presque chaque voiture robot débutante. C’est un petit moteur CC à balais boulonné à une boîte de réduction plastique, avec un arbre de sortie double-D qui s’emboîte directement dans une roue adaptée. Achetez-en deux, ajoutez un châssis et une roulette, et vous avez un robot qui peut avancer et tourner — d’où son rôle de moteur d’entraînement derrière le premier suiveur de ligne ou éviteur d’obstacles que la plupart construisent.

Seul, un moteur CC nu tourne bien trop vite et trop faiblement pour déplacer quoi que ce soit. La boîte est ce qui le rend utile : elle transforme cette rotation rapide et chétive en la rotation lente et forte dont une roue a besoin.

Fonctionnement

Deux choses se passent dans le carter jaune :

1. Le moteur convertit l’énergie électrique en rotation. Mettez une tension sur ses deux bornes et il tourne ; inversez la polarité et il tourne dans l’autre sens. Plus de tension signifie plus de vitesse.
2. La boîte réduit cette vitesse. Un train d’environ 1:48 signifie que la roue tourne une fois pour à peu près 48 tours du moteur. Vous perdez en vitesse et gagnez en couple dans le même rapport, l’échange voulu — une roue a besoin de force, pas d’un flou. Si ce rapport convient à votre robot, c’est une arithmétique à faire avant d’acheter : voir choisir un moto-réducteur CC.

Pour le commander, vous faites deux choses à la fois : fixez la direction en choisissant quelle borne est positive (le pont en H s’en charge), et fixez la vitesse avec du PWM — en commutant l’alimentation rapidement pour que le moteur voie une tension moyenne. Apprenez cette paire dans commander des moteurs CC avec PWM et pont en H.

Quand l’utiliser

Prenez un moteur TT pour tout robot à roues léger et lent : suiveurs de ligne, éviteurs d’obstacles, robots labyrinthe, première base différentielle. Il est bon marché, indulgent, et chaque tutoriel débutant le vise.

Montez en gamme quand il en faut plus : ajoutez des encodeurs de roues quand vous voulez mesurer distance et vitesse pour l’odométrie, ou passez aux moteurs à engrenages métalliques quand le robot s’alourdit ou doit grimper. Les engrenages plastique se détruisent à l’abus.

Câblage et pièges

• Ne le câblez jamais direct à une broche logique. Le courant de blocage est d’environ 1 A. Pilotez-le via un L298N ou pont en H similaire, alimenté par la batterie — pas par le 5 V de l’Arduino.
• Deux moteurs ne s’accorderont pas. Un PWM identique va rarement parfaitement droit ; ajustez un moteur en logiciel, ou bouclez la vitesse avec des encodeurs.
• Attention à l’appel et à la force contre-électromotrice. Les moteurs creusent l’alimentation au démarrage et renvoient une tension à l’arrêt. Gardez puissance moteur et puissance logique sur des rails séparés partageant une masse commune — voir alimenter un robot.
• Adaptez la roue à l’arbre. L’arbre double-D ne se loge correctement que dans un alésage double-D assorti ; un trou rond glissera.

Les quatre nombres d’une fiche moteur

Chaque moteur CC à balais est caractérisé par quatre chiffres, et ils ne sont pas indépendants — toute la courbe découle de deux d’entre eux.

Le couple d’un moteur CC à balais chute linéairement avec la vitesse, du couple de blocage à 0 tr/min jusqu’au couple nul à la vitesse à vide. Son courant fait l’inverse. D’où trois conséquences à connaître :

La puissance maximale est à mi-vitesse. La puissance est couple × vitesse, et le produit de deux droites culmine au milieu. Un moteur TT sous 6 V produit le plus de puissance vers 100 tr/min.

Le rendement maximal est vers un quart du couple de blocage, bien au-dessus du pic de puissance. C’est le point où faire tourner un robot — pas le pic de puissance, et certainement pas près du blocage.

Le courant de blocage est la contrainte de dimensionnement, pas le courant de marche. Un moteur tirant 150 mA joyeusement appellera 1 A dès qu’une roue se coince contre un mur, et deux calant ensemble font 2 A. Votre pilote et votre batterie doivent tous deux y survivre, car sur un robot cela arrive constamment.

En dimensionner un pour votre robot

L’arithmétique prend cinq minutes et règle la plupart des questions « mon robot est trop lent » avant qu’elles n’arrivent.

Vitesse. Circonférence de roue × tr/min ÷ 60 donne des mètres par seconde :

65 mm wheel -> circumference = pi x 0.065 = 0.204 m
200 RPM     -> 200 / 60 = 3.33 rev/s
speed       = 0.204 x 3.33 = 0.68 m/s

C’est l’allure de marche, à peu près juste pour un suiveur de ligne et plutôt rapide pour un robot labyrinthe qui doit s’arrêter aux jonctions.

Couple. Pour accélérer un robot de masse m à a, chaque roue motrice parmi n exige :

torque per wheel = m x a x r / n

Pour un robot de 500 g accélérant à 0,5 m/s² sur des roues de 65 mm (r = 0,0325 m) avec deux roues motrices :

= 0.5 x 0.5 x 0.0325 / 2 = 0.004 N.m = 0.041 kg.cm

Face à un couple de blocage de 0,8 kg·cm, c’est un facteur de près de vingt en main, d’où les moteurs TT suffisent pour les robots légers et pourquoi on n’a généralement pas à faire ce calcul. Faites-le quand le robot s’alourdit, ou doit grimper.

Puis vérifiez le sol. Le couple moteur n’est qu’un plafond ; la friction est l’autre. Un robot léger sur sol lisse atteint typiquement sa limite de traction vers un quart du couple de blocage — donc l’essentiel de la capacité d’un moteur ne peut pas atteindre le sol. Le tutoriel poussée et traction détaille quelle limite vous heurtez vraiment.

Pourquoi votre robot ne va pas droit

Deux moteurs TT sous PWM identique n’iront pas droit, et cela surprend plus qu’il ne devrait. Les causes, à peu près par ordre de taille :

La dernière ligne est celle qui piège, parce qu’elle n’apparaît qu’à basse vitesse. Un robot qui tient bien à fond et dévie fort en rampant montre deux seuils d’adhérence différents, pas un bogue de direction.

Il y a deux vraies corrections. L’ajustage logiciel est un multiplicateur par moteur trouvé empiriquement — roulez droit, mesurez la dérive sur 2 m, ajustez, répétez. C’est rapide et ne vaut que pour la tension batterie et la surface du réglage. La vraie correction est encodeurs et boucle de vitesse, qui corrige en continu et se moque de la batterie.

La zone morte, et pourquoi elle compte

Sous un certain rapport cyclique, le moteur ne tourne pas du tout — la friction statique des balais et du train doit d’abord être vaincue. Sur un moteur TT, c’est typiquement 20–35 % de rapport, et cela diffère entre deux moteurs du même sachet.

Mesurez les vôtres :

// Ramp up slowly and note where each wheel starts.
for (int duty = 0; duty <= 255; duty += 5) {
  analogWrite(ENA, duty);
  Serial.println(duty);
  delay(500);                 // long enough to see it start
}

Puis compensez, pour qu’une petite commande produise un petit mouvement plutôt que rien :

const int DEADBAND_A = 65;    // measured, out of 255

int applyDeadband(int speed) {
  if (speed == 0) return 0;
  int sign = (speed > 0) ? 1 : -1;
  return sign * map(abs(speed), 1, 255, DEADBAND_A, 255);
}

Sans cela, le quart inférieur de votre plage de commande ne fait rien du tout — ce qui rend une boucle PID très étrange près de sa consigne, puisque les petites corrections n’ont littéralement aucun effet jusqu’à ce que le terme intégral accumulé franchisse le seuil et que le robot fasse un bond.

Dépannage

Moteur TT ou autre chose ?

Le seul conseil d’achat qui épargne le plus de retravail : si vous pensez vouloir des encodeurs, achetez d’emblée des moteurs avec encodeurs. La mise à niveau signifie démonter la transmission, et la différence de prix est de quelques dollars par moteur. Presque tout projet qui commence en suiveur de ligne et grandit en solveur de labyrinthe y arrive.