Comment choisir un servomoteur

Lorsque vous recherchez un servomoteur, vous trouverez des milliers d'options. À elle seule, la société ADVANCED Motion Controls propose plus de 200 modèles de servomoteurs, sans compter les options sur mesure. Le choix d’un servomoteur nécessite d’examiner attentivement les besoins de votre projet et les options disponibles. Ce guide présente les facteurs qui déterminent ce choix ainsi que les règles empiriques applicables à chacun d’entre eux.

Vous êtes pressé ? Télécharger l'aide-mémoire pour le choix des servomoteurs, ou passer directement à la liste de contrôle pour la sélection.

Quels sont les facteurs qui déterminent l'adéquation d'un servomoteur ?

Les servomoteurs se déclinent en différentes plages de puissance, tailles, options réseau, niveaux d'intelligence, formats, fonctionnalités numériques, etc. Les facteurs ci-dessous sont ceux qui déterminent si un servomoteur est adapté à votre application.

ADVANCED Motion Controls propose un outil de recherche de servomoteurs qui vous permet de définir vos critères et vous propose une sélection filtrée de servomoteurs qui y répondent.

Comment les besoins en matière d'application et d'utilisation permettent de choisir le servomoteur adapté

Votre solution de contrôle de mouvement doit être adaptée aux besoins de votre application, et non l'inverse.

Commencez par avoir une vue d'ensemble :

Qu'est-ce que tu es en train de faire ?

S'agit-il d'une grande machine industrielle, d'un robot mobile ou d'un appareil de bureau ? S'agit-il d'un système à un seul axe ou à plusieurs axes ?

Quel type de tâche votre système effectue-t-il ? Les réponses à ces questions déterminent vos besoins en alimentation, le type de signal (analogique ou numérique) et les modes de fonctionnement requis.

Vous devez ensuite déterminer quels éléments de votre conception sont flexibles et lesquels sont immuables. Devez-vous utiliser un moteur spécifique ?

L'espace disponible est-il limité ?

Êtes-vous lié à un réseau de communication en particulier ?

Si vos paramètres sont très précis, le choix d'options disponibles pourrait être plus restreint, voire inexistant. Dans ce cas, vous devrez peut-être revoir votre conception ou envisager une solution sur mesure.

La manière dont la machine est utilisée est tout aussi importante que sa conception. Les problèmes détectés tardivement, après le démarrage de la production ou une fois que les produits sont parvenus au client, sont les plus graves. Les règles empiriques présentées dans les sections suivantes ont pour but de vous aider à les éviter.

Moteur et rétroaction : adapter le variateur au moteur

Un servomoteur commande un moteur spécifique et lit les données fournies par son capteur de rétroaction ; la décision de commande s'en déduit donc choisir le servomoteur adapté en fonction du couple, de la vitesse, de l'inertie et du cycle de service de votre charge.

Règle générale : Choisissez d'abord le moteur et le dispositif de rétroaction, puis un variateur compatible avec les deux.

• Type de moteur. Les moteurs à balais effectuent la commutation de manière mécanique. Les moteurs sans balais et les moteurs linéaires s'appuient sur le variateur, qui utilise soit des capteurs à effet Hall (commutation trapézoïdale), soit un codeur (commutation sinusoïdale, pour un couple plus régulier à basse vitesse).
• Commentaires. Le variateur doit lire le périphérique dans son format natif : incrémental TTL, sin/cos 1 Vp-p, BiSS-C ou EnDat 2.2 absolu, ou encore des résolveurs. Avec les codeurs absolus, le protocole doit être compatible.
• Tension. La constante de force contre-électromotrice du moteur multipliée par sa vitesse maximale doit rester bien inférieure à la tension d'alimentation.
• Inductance. Les moteurs linéaires et sans fentes à faible inductance peuvent nécessiter une inductance en série pour respecter les exigences minimales du variateur.

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Courant : assurez-vous qu'il y ait suffisamment de courant, mais n'en abusez pas

La plage de puissance est sans doute le facteur le plus déterminant dans le choix d'un servovariateur. Si votre variateur ne fournit pas suffisamment de puissance, votre moteur ne pourra pas tourner, ou du moins pas avec le couple ou la vitesse que vous souhaitez.

C'est pourquoi il est si important de bien définir les exigences en matière de vitesse et/ou de couple de votre application.

Assurez-vous que le courant est suffisant

Vous avez conçu un robot de livraison qui a été déployé dans de nombreux sites. Tout fonctionnait parfaitement pendant la phase de développement et les premiers tests chez les clients, mais un client vous a ensuite contacté pour vous signaler que ses robots restaient sans cesse bloqués sur une pente.

Après avoir effectué quelques mesures, vous constatez que les variateurs de servomoteurs atteignent leurs limites de courant.

Règle générale : Ajoutez une marge de sécurité supplémentaire de 25% à la limite de courant au-delà de ce que vous pensez être nécessaire pour l'application.

Pourquoi est-ce important ? : Une capacité de courant supplémentaire permet de garantir un fonctionnement ininterrompu lorsque les conditions ne correspondent pas à vos prévisions, d'autant plus que l'environnement d'exploitation peut être très différent de l'environnement de test.

Quand cela peut être utile :

• Lorsque les conditions changent. Dans le scénario ci-dessus, un nouvel emplacement présentait une pente plus raide que celle pour laquelle le robot avait été testé. Sur une surface plane, atteindre la limite de courant peut simplement se traduire par une accélération plus lente. Sur une pente, atteindre cette limite peut entraîner un blocage.
• Quand les machines prennent de l'âge. Le frottement peut s'accentuer avec le temps, ce qui nécessite davantage de puissance pour accomplir la même tâche.
• Lorsque la charge varie. Les clients peuvent augmenter la charge utile.

Si vous augmentez la limite de courant, assurez-vous que le moteur puisse supporter ce courant supplémentaire.

N'en faites pas trop

Si la limite de courant reste fixée à la valeur nominale du variateur, un variateur surdimensionné peut fournir un courant bien supérieur à celui pour lequel le moteur a été conçu. Dans ce cas, il convient de réduire la limite de courant afin de protéger le moteur, à condition que celui-ci ait été correctement dimensionné pour l'application.

Dans la plupart des cas, une puissance excessive n'aura pas d'incidence sur les performances, mais elle peut entraîner une augmentation des coûts. Si votre système ne consomme que 2 A en continu et 6 A au maximum en crête, il n'est vraiment pas judicieux d'utiliser un servomoteur délivrant 30 A en continu et 60 A en crête.

Un variateur plus puissant est généralement aussi plus volumineux, et un variateur conçu pour supporter un courant nettement plus élevé peut ne pas offrir la précision de régulation du courant requise pour l'application.

Un examen plus approfondi de la mise à l'échelle actuelle

La boucle de courant est la boucle la plus interne et constitue la base d'un système hautement performant. Lors de la conception de nos servomoteurs, nous adaptons le retour de courant à la puissance nominale du servomoteur.

Si l'on prend un variateur de 50 A, toute la plage de sortie, dans ce cas de -50 A à +50 A, doit être représentée par un signal compris entre -10 V et +10 V, ou, dans le cas d'un variateur numérique, par un nombre défini de bits, 2^14 bits par exemple. Dans cet exemple, la mise à l'échelle serait la suivante :

(signal de ±10 V) / (sortie de ±50 A) = (plage de 20 V) / (plage de 100 A) = 200 mV/A pour le signal analogique, soit environ 160 bits/A pour le signal numérique

Plus l'intensité nominale du servomoteur est élevée, plus la rétroaction de courant doit être étalée.

Comme la rétroaction doit couvrir une plage plus large, on commence à perdre en précision pour le contrôle des faibles courants. Si votre application nécessite un faible courant, vous obtiendrez un meilleur contrôle du courant en choisissant un servomoteur dont les caractéristiques techniques correspondent davantage à celles de votre application.

Tension d'alimentation : tenir compte des variations de tension

Les servomoteurs ont une plage de tension d'alimentation ; vous devez donc vous assurer de pouvoir fournir correctement cette tension au servomoteur. Notre guide sur Choix d'une alimentation électrique pour un servomoteur explique en détail les différentes tailles.

Règle générale : Dans la mesure du possible, vous devez choisir une combinaison alimentation électrique/servovariateur qui vous offre une marge d'au moins 25% entre la tension d'alimentation ET les limites de sous-tension et de surtension du servovariateur.

Pourquoi est-ce important ? : Les fluctuations de tension peuvent avoir plusieurs causes et provoquent des déclenchements intempestifs, tant en cas de sous-tension que de surtension.

Quand cela peut être utile :

• Lorsque la tension du secteur à l'installation est différente de celle du secteur où vous avez développé la machine. Les différences peuvent être particulièrement marquées lorsqu’on compare les tensions d’un pays à l’autre. Étant donné que de nombreux systèmes de contrôle de mouvement utilisent des alimentations non régulées, toute variation de la tension secteur modifie la tension fournie au servovariateur. Pour un servomoteur dont la tension nominale est comprise entre 20 et 80 V CC, une alimentation non régulée de 24 V CC pourrait s'avérer trop faible dans certaines régions, tandis qu'une alimentation non régulée de 80 V CC pourrait être trop élevée dans d'autres.
• Lorsque la régénération entre en ligne de compte. La régénération correspond au moment où le moteur passe du mode de consommation d'énergie à celui de générateur. La tension de régénération peut atteindre des niveaux bien supérieurs à ce que la plupart des gens pourraient imaginer, ce qui peut entraîner des coupures dues à une surtension et, dans certains cas, endommager des composants. La régénération est particulièrement intense dans les applications verticales et lors de décélérations importantes.
• Lorsque les piles sont presque à plat. Dans le cas d'applications alimentées par batterie, vous devez tenir compte de la limite de sous-tension et vous assurer que le servomoteur continuera de fonctionner lorsque la batterie sera faible et que vous commencerez soudainement à consommer la pleine puissance.

Isolation : assurez-vous d'avoir une isolation adéquate

Si vous utilisez une alimentation non isolée avec un servomoteur non isolé, lors de la première mise sous tension, la masse flottante de l'alimentation génère un courant très important qui circule à la fois par la masse de signal du servomoteur et par la masse du contrôleur, ce qui provoque la destruction du servomoteur et de l'ordinateur qui y est connecté.

Les alimentations les plus simples se composent d'un redresseur à double alternance et d'un condensateur. Elles fournissent une puissance importante à moindre coût. Elles ne sont pas isolées, ce qui signifie qu'elles présentent une masse flottante : la différence de potentiel entre la masse de l'alimentation et la terre est généralement supérieure à 150 V.

La différence de tension est très importante ; l'utilisation d'une résistance de rappel à la masse est donc hors de question. Ce type d'alimentations peut parfaitement être utilisé avec des servomoteurs, à une condition : les servomoteurs qui y sont raccordés doivent disposer d'une isolation entre la masse d'alimentation et la masse de signal.

Sur un servomoteur non isolé, la masse d'alimentation et la masse de signal sont reliées entre elles en interne.

La masse du signal est également reliée au contrôleur, aux cartes réseau, aux ordinateurs, aux alimentations logiques et au blindage des câbles ; avec toutes ces connexions, il existe forcément plusieurs chemins vers la masse.

Règle générale : Pour éviter les problèmes, il faut au moins une de ces deux choses :

• Un transformateur d'isolement entre le réseau alternatif et la masse de l'alimentation électrique, ET/OU
• Isolation optique entre la masse d'alimentation et la masse de signal du servomoteur.

Ces informations devraient figurer dans la fiche technique. Notez que cette règle ne s'applique pas aux systèmes alimentés par batterie ni aux servomoteurs alimentés directement en courant alternatif.

Les alimentations électriques sans transformateur sont moins chères et plus puissantes. Leur utilisation ne présente aucun risque si le servomoteur est doté d'une isolation intégrée.

Les servomoteurs sans isolation peuvent être plus petits et moins chers. Ils peuvent être utilisés en toute sécurité si l'alimentation électrique est équipée d'un transformateur d'isolement.

Quand cela peut être utile : Chaque fois que l'alimentation provient d'une source de courant alternatif. Faites particulièrement attention lorsque vous utilisez des blocs d'alimentation dont la tension de sortie est comprise entre 100 et 200 V CC. Les blocs d'alimentation dont la tension nominale est inférieure à 100 V CC utilisent généralement des transformateurs abaisseurs pour réduire la tension ; ces transformateurs assurent également l'isolation. Les servomoteurs conçus pour fonctionner à une tension supérieure à 200 V CC sont généralement isolés pour des raisons de sécurité et de réduction du bruit.

Modes de fonctionnement

Le fonctionnement de votre appareil détermine la manière dont votre moteur doit être piloté et, par conséquent, les modes de fonctionnement dont votre servomoteur doit disposer. Les modes de fonctionnement les plus courants sont le mode couple (courant), le mode vitesse et le mode position.

Si vous recherchez un moteur fonctionnant à un couple défini et ne nécessitant aucune compensation face aux perturbations externes, le mode couple devrait suffire. La quasi-totalité des servomoteurs disponibles sur le marché disposent d'un mode couple.

Le mode « vitesse » est disponible sur de nombreux variateurs analogiques et numériques. Un variateur fonctionnant en mode « vitesse » utilise un dispositif de rétroaction pour surveiller la vitesse du moteur ; il envoie ainsi une puissance supplémentaire au moteur si celui-ci n'atteint pas la vitesse de consigne.

Cela s'avère utile pour des applications telles que les systèmes de convoyage, les machines-outils et la robotique mobile, où l'on souhaite obtenir les mêmes performances quelle que soit la variation de charge.

Le mode de positionnement est disponible sur de nombreux variateurs numériques. Il est utilisé lorsque la position du moteur est essentielle au bon fonctionnement du système, comme c'est le cas pour les robots industriels et les imprimantes 3D. Les dispositifs de rétroaction de position absolue permettent de déterminer la position réelle du rotor à tout moment, quel que soit le moment où l'appareil a été mis sous tension.

Les boucles de vitesse et de position peuvent certes être bouclées par un variateur, mais les variateurs dotés d’un mode vitesse et/ou position peuvent soulager le variateur de cette charge ou offrir ces niveaux de contrôle dans des applications autonomes ne disposant pas de variateur externe. Si vous avez besoin d'un servovariateur capable de changer de mode de fonctionnement en fonction des tâches à accomplir, les variateurs numériques AMC proposent en option la commutation de mode à la volée.

Contrôle centralisé ou distribué (analogique ou numérique)

Dans un système de mouvement à un seul axe, le choix d'un servomoteur analogique ou numérique n'a pas vraiment d'importance. Dans un système à plusieurs axes, en revanche, cela fait une différence.

Si l'ensemble de la commande provient d'une source centralisée et est transmise individuellement à chaque variateur, vous pouvez configurer votre système avec des servomoteurs numériques ou analogiques, à condition de disposer d'un contrôleur puissant capable de gérer la logique.

Vous devez également raccorder chaque servomoteur individuellement au contrôleur, ce qui nécessite généralement beaucoup de câblage et implique que tous les appareils soient relativement proches les uns des autres. Les servomoteurs analogiques d’AMC, les Gamme AxCent, sont conçus pour permettre un contrôle centralisé.

Si vous souhaitez répartir le contrôle sur l'ensemble du système via un réseau, vous devrez utiliser des servomoteurs numériques, tels que ceux proposés par AMC dans sa gamme Performance de DigiFlex et FlexPro familles de variateurs. Les variateurs numériques à servomoteur peuvent alléger la charge de traitement du contrôleur grâce à leurs propres processeurs internes et à leur mémoire de stockage.

Le contrôle de position peut être assuré en envoyant des points de position individuels, le servomoteur utilisant alors une interpolation linéaire pour définir la trajectoire entre ces points (mode synchrone cyclique), ou une interpolation du troisième ordre (modes PVT et PV).

Pour les trajectoires simples ou lorsque le mouvement est toujours identique, les séquences de mouvement préconfigurées sur les variateurs peuvent être déclenchées par de simples commandes émises par le contrôleur ou par un autre variateur.

Réseau

Les servomoteurs numériques permettent un contrôle en réseau, ce qui permet au contrôleur d'envoyer ses commandes en un seul paquet le long d'une “ chaîne en guirlande ” de servomoteurs, plutôt que de les envoyer individuellement à chacun d'entre eux. Les réseaux sont également bidirectionnels, ce qui permet au servomoteur de renvoyer des informations au contrôleur.

Si votre application est déjà configurée pour utiliser un réseau spécifique, il est préférable de conserver ce paramètre, par souci de simplicité.

Pour un réseau en temps réel permettant de synchroniser l'ensemble du système, il est recommandé de choisir un variateur de servomoteur doté d'une communication réseau via Ethernet, telle que EtherCAT, Ethernet Powerlink, PROFINET ou Ethernet/IP.

Si vous recherchez un réseau plus traditionnel et peu coûteux, mais qui reste fiable, vous pouvez opter pour un servomoteur CANopen ou Modbus.

Taille et facteur de forme

Si un servomoteur ne rentre pas, vous ne pouvez pas l'utiliser. Pour des applications telles que la robotique ou les appareils portables, il est essentiel de trouver un servomoteur qui puisse s'intégrer à l'intérieur.

On ne peut pas toujours opter pour la plus petite option et s'en tirer à bon compte. La taille va généralement de pair avec la puissance : plus le variateur est grand, plus il peut fournir de puissance. La tendance vers des solutions de servomoteurs plus compactes crée quelques exceptions à cette règle, comme les servovariateurs micro de ADVANCED Motion Controls, mais la règle générale reste valable.

Montage sur panneau Les servomoteurs présentent le format traditionnel des servomoteurs. Ils sont équipés d'un dissipateur thermique en forme de support qui permet de les fixer à un tableau électrique, à l'intérieur ou à l'extérieur de l'appareil, et sont disponibles dans une large gamme de puissances nominales.

Montage sur PCB Les servomoteurs, également appelés « servomoteurs enfichables », constituent la solution idéale si vous recherchez une solution embarquée plus compacte. Ces servomoteurs se branchent généralement directement sur une carte de commande ou une carte de montage dotée de toutes les connexions nécessaires au moteur, à la tension d'alimentation et au retour d'information. On les retrouve le plus souvent dans les appareils portables, les robots et les petites machines.

Support de véhicule Les servomoteurs sont destinés à la robotique mobile, comme les véhicules à guidage autonome. Ces servomoteurs sont entièrement enfermés dans un boîtier rigide. À l'instar des servomoteurs à montage sur panneau, ils sont équipés d'un grand dissipateur thermique qui est généralement fixé par des vis au châssis de l'appareil.

Le format ne détermine pas les performances d'un disque dur ; il ne fait que définir la manière dont la technologie est intégrée.

Quand aucun entraînement standard ne convient : entraînements modifiés et sur mesure

Si aucun disque ne répond à tous ces critères, vous devrez peut-être adapter votre configuration. Si une refonte ne suffit pas ou n'est pas envisageable, c'est à ce moment-là que vous devriez envisager une solution modifiée ou servomoteur personnalisé solution.

Les servomoteurs modifiés peuvent bénéficier de diverses adaptations, telles que l'inversion de la logique, un revêtement de protection ou même la sérigraphie de votre logo sur le boîtier. Si une simple modification ne suffit pas, vous aurez peut-être besoin d'une solution de servomoteur sur mesure. Les solutions sur mesure sont souvent les plus économiques compte tenu des problèmes d'intégration qu'elles permettent de résoudre, ainsi que de leurs fonctionnalités spécifiques à l'application. Aujourd'hui, les produits sur mesure et modifiés représentent chacun environ un tiers de notre activité, le tiers restant étant constitué de produits standard.

Liste de contrôle pour le choix d'un servomoteur

Chaque cas est différent ; comme le suggère l'expression “ règle générale ”, aucune de ces règles n'est absolue, à l'exception d'une seule : contactez toujours le support technique. En ligne, nous répondons généralement dans un délai d'un jour ouvré. Par téléphone, notre équipe est à votre disposition pendant nos heures d'ouverture habituelles.

Chez ADVANCED Motion Controls, nous vous proposons bien plus que servo drives. Nous vous aiderons à choisir le servomoteur le mieux adapté à votre application. Nous concevons et fabriquons des servomoteurs depuis 1987 ; n'hésitez donc pas à faire appel à notre expérience pour vous aider.