Histoire

1700's

Il est généralement admis que le début de la révolution industrielle a commencé vers 1760. Bien sûr, cela dépend de la référence utilisée. En fin de compte, la volonté d'automatiser les tâches répétitives a commencé à peu près en même temps que l'homme. La "fin" de la révolution industrielle est censée s'être produite il y a environ 100 ans, mais si l'on regarde aujourd'hui, elle ne semble guère terminée. Le niveau d'industrie et d'automatisation actuel dépasse largement les rêves des premiers inventeurs. Des inventeurs qui, au cours des années 1700 et 1800, ont fait progresser la technologie des machines et ont amorcé la création de l'industrie actuelle du contrôle du mouvement.

1800's

Le contrôle du mouvement était inexistant et l'automatisation prenait la forme de moteurs rudimentaires avec des trains d'entraînement à courroie et à poulie. L'alimentation en énergie d'un bâtiment industriel nécessitait une grande roue à eau à l'extérieur ou une machine à vapeur installée au sous-sol.

Habituellement, un train d'entraînement vertical traversait le bâtiment à partir d'une machine à vapeur située au sous-sol pour transmettre la puissance mécanique à chaque étage. Au niveau de l'étage, une transmission convertissait la puissance du train d'entraînement vertical en un train horizontal qui enjambait l'étage.

Chaque service ayant besoin d'énergie mécanique se branchait sur la ligne principale à l'aide d'un mécanisme d'embrayage. Les opérateurs de machines à coudre, par exemple, utilisaient un embrayage à pied pour connecter les machines à coudre individuelles à la source d'énergie.

1900's

Les ingénieurs ont profité de l'élan de la fin du XIXe siècle pour proposer aux consommateurs des appareils électriques. L'invention par Edison du générateur à courant continu dans les années 1870, de l'électricité publique et du moteur à courant alternatif de Tesla dans les années 1880, ainsi que de la première perceuse électrique à main dans les années 1890, a fait place aux machines à laver et aux réfrigérateurs électriques vers 1915. À cette époque, Henry Ford venait tout juste de réaliser une chaîne de production mobile où les pièces étaient standardisées et où l'efficacité de l'usine montait en flèche.

La découverte du retour d'expérience

C'est en 1927 que Harold Black a révolutionné les communications avec le concept de rétroaction négative dans les amplificateurs. Il n'était cependant pas le premier à fermer une boucle de rétroaction, car les thermostats et les fours régulaient la température ambiante par rétroaction depuis la fin des années 1800. James Watt avait déjà travaillé sur une boucle de rétroaction mécanique pour son moteur à vapeur avant cela. Dans le même ordre d'idées, Harold Black a eu une révélation en rentrant du travail un soir : appliquer une partie de la sortie d'un amplificateur à l'entrée pouvait réduire considérablement la distorsion du signal. Peu de temps après la découverte de Black, les premiers produits de contrôle de mouvement pneumatique sont apparus dans les années 1930, utilisant la rétroaction pour le contrôle en boucle fermée.

À cette époque, le contrôle proportionnel-intégral-dérivé (PID) venait tout juste de faire surface en tant que pensée consciente pour la majeure partie du monde. J.C. Maxwell a écrit une analyse mathématique détaillée sur le PID en 1886, mais il a fallu attendre environ 50 ans pour que des produits utilisant intentionnellement le réglage PID arrivent. Les années 40 et 50 ont marqué le début d'avancées majeures dans le contrôle PID. Les gens ont finalement reconnu l'importance de l'analyse mathématique et ont commencé à développer la théorie du contrôle en tant que science. Il s'agissait, bien sûr, d'une période très rudimentaire du contrôle PID.

Dans les années 50, 60 et 70, les vols spatiaux et la guerre ont contribué à stimuler les efforts de développement d'algorithmes de contrôle optimisés. Les dispositifs à semi-conducteurs et la technologie des moteurs se sont développés dans les années 60 jusqu'au point où la commande PID a migré vers les microcontrôleurs. Diverses améliorations et optimisations ont été apportées jusqu'à la fin des années 1970, lorsque la technologie de commutation par modulation de largeur d'impulsion (PWM) a été introduite avec les moteurs à aimant permanent sans balai. Le contrôle du mouvement n'a plus été le même depuis.

Contrôle numérique du mouvement

Au cours des 20 dernières années, les technologies DSP, de mise en réseau et de commutation PWM ont entraîné une augmentation exponentielle de l'utilisation de la commande de mouvement en boucle fermée. La technologie de commutation PWM dans les amplificateurs et les alimentations a rendu possible la transmission de puissance à haut rendement et à faible chaleur. En quelques années seulement, la taille d'un amplificateur de moteur de 2 kW est passée de 100 livres ou plus à quelque chose qui peut être porté à la main et boulonné à un panneau.

Vers 1990, les produits de contrôle du mouvement basés sur le DSP ont commencé à permettre un profilage sophistiqué du mouvement et une communication numérique via des réseaux série. Des changements aussi rapides dans la technologie ont créé une rupture dans la normalisation des produits de contrôle du mouvement. Des protocoles de réseau tels que Profibus (1989), DeviceNet (1994) et Smart Distributed Systems (1994), par exemple, ont tenté de s'emparer du marché des réseaux de contrôle (CAN). L'un des premiers réseaux, CAN, existait depuis le milieu des années 80 pour la communication automobile ; il s'est avéré si polyvalent qu'il est passé dans le monde de l'automatisation dans les années 90. Sercos est apparu au début des années 90 en utilisant sa propre couche matérielle avec des lignes de transmission en fibre optique, tandis que d'autres réseaux propriétaires sont arrivés en utilisant une couche matérielle RS-485.

Aujourd'hui, l'industrie est loin d'être standardisée, avec une incroyable disponibilité de cartes de contrôle de mouvement intelligentes, de servo-amplificateurs, de moteurs, de dispositifs de rétroaction et de liaisons mécaniques. Voir "Motion Control Today" pour une brève mise à jour de toutes ces options.

Présent

Aujourd'hui, les choix sont nombreux lorsqu'il s'agit d'assembler un système. En théorie, le système idéal peut être créé en associant le meilleur réseau, le meilleur contrôleur, le meilleur servomoteur, le meilleur moteur et le meilleur retour. Toutefois, ce rêve est souvent difficile à réaliser en raison de problèmes d'interopérabilité. La raison en est que les fabricants d'équipements de contrôle du mouvement ont tendance à développer leurs propres systèmes propriétaires qui limitent les utilisateurs au matériel produit par ce fabricant. Bien souvent, les utilisateurs trouvent des solutions toutes faites qui conviennent à leur travail, mais ils n'obtiennent pas toujours les meilleures performances possibles. Il y a un compromis à faire entre la commodité et la performance.

Les concepteurs de systèmes de commande de mouvement exigent de plus en plus la disponibilité de solutions standard ouvertes. Les systèmes basés sur des normes ouvertes permettront aux ingénieurs de rechercher les composants qui répondent à leurs besoins en termes de coûts et de performances et rendront plus réaliste le second approvisionnement en composants critiques. CANopen a été développé spécifiquement pour le contrôle du mouvement et est souvent le réseau de choix en raison de sa fiabilité éprouvée dans le contrôle du mouvement et de sa norme ouverte. Ethernet Power Link (EPL) est une extension Ethernet de CANopen qui tire parti des taux de connectivité élevés d'Ethernet tout en conservant les capacités de communication robustes de CANopen. Les normes de réseau ouvertes telles que celles-ci permettront de faire passer le développement des systèmes de contrôle du mouvement à un niveau supérieur de performance et de commodité. L'avenir du contrôle du mouvement verra une meilleure intégration des composants du système et une intégration et une programmation plus faciles.

Contrôleur

Les contrôleurs de mouvement donnent de l'intelligence au mouvement d'une machine. Ils peuvent être autonomes ou des cartes PCI qui se montent directement dans un PC. Des fonctions telles que la génération de trajectoires, le profilage de courbes en S, la compensation, les filtres passe-bas, les filtres coupe-bande et d'autres algorithmes permettent d'obtenir plus facilement que jamais des profils étroitement contrôlés. Les contrôleurs de mouvement peuvent commander des machines à un ou plusieurs axes avec des réseaux distribués ou centralisés. CAN et 100Base-T sont les couches réseau les plus courantes. Ces solutions de mise en réseau sont populaires, mais les sources de commande analogiques et d'impulsions/directions standard occupent toujours une grande partie du marché et sont disponibles sur pratiquement toutes les cartes de contrôleur de mouvement. Les contrôleurs de mouvement s'interfacent généralement avec un amplificateur ou un "servo driver" qui se trouve entre le moteur et le contrôleur.

Entraînement

La ligne de démarcation entre les servomoteurs et les contrôleurs de mouvement commence à s'estomper car les servomoteurs sont dotés de fonctionnalités que seuls les contrôleurs de mouvement possédaient auparavant. Des boucles de contrôle sophistiquées résident dans un nombre croissant de variateurs. C'est une bonne chose car cela permet au contrôleur de mouvement de disposer d'une marge de manœuvre pour des algorithmes de plus haut niveau. Alors que les variateurs analogiques représentent un pourcentage important des systèmes d'asservissement, les variateurs numériques deviennent plus attrayants en raison des E/S programmables et des nombreuses fonctions configurables par logiciel. L'un des nombreux avantages du passage au numérique est que l'ensemble des fonctionnalités d'un servovariateur numérique peut être modifié par un simple téléchargement de micrologiciel, ce qui rend les mises à niveau sur le terrain avec de nouvelles fonctionnalités rapides et faciles.

Moteur

Les moteurs sont disponibles dans toutes les tailles et formes, avec différents systèmes de contrôle. Les moteurs antidéflagrants sont populaires dans les environnements volatils et les moteurs sans cadre permettent une intégration étroite. Les industries pharmaceutiques et des boissons utilisent des moteurs "wash down" pour des applications spécifiques où le moteur sera périodiquement lavé sous pression. Les fabricants de moteurs peuvent créer des moteurs avec n'importe quel type de spécification, y compris la taille, le poids, la forme, le couple nominal, la vitesse nominale, la constante du moteur et plus encore. Il existe de nombreux types de moteurs, notamment les moteurs pas à pas, les moteurs à induction monophasés et triphasés, les moteurs sans balais à aimants permanents, les moteurs à balais à aimants permanents et les moteurs linéaires sans balais. Pour contrôler la position ou la vitesse de l'un de ces moteurs, des dispositifs de rétroaction appropriés sont nécessaires.

Commentaires

Il existe quelques dispositifs de retour standard qui fonctionnent pour la plupart des applications. Parmi eux, on trouve les tachymètres, les codeurs incrémentaux, les codeurs absolus, les résolveurs, les potentiomètres analogiques et les Halls. Alors que tous les dispositifs mentionnés utilisent soit des trains d'impulsions numériques de niveau TTL, soit des signaux analogiques, les dispositifs de retour absolu plus récents sont capables de communiquer en série. Au lieu de simplement lire une tension ou compter des impulsions, le variateur ou le contrôleur doit communiquer activement avec le dispositif de retour pour recevoir une indication numérique de la position du rotor. Avec des codeurs sinusoïdaux de 1 Vcc, certaines applications de haute précision utilisent des techniques permettant d'atteindre des résolutions de plus de 4 millions de comptes/révolution ! Cependant, la résolution réalisable au niveau de la charge dépend largement des liaisons mécaniques et des schémas de retour avancés tels que le retour à double boucle.

Découvrez comment toutes les pièces s'assemblent dans la vue d'ensemble du contrôle du mouvement.