Aperçu du contrôle du mouvement

Qu'est-ce qu'un servo ?

La servocommande, également appelée "commande de mouvement" ou "robotique", est utilisée dans les processus industriels pour déplacer une charge spécifique de manière contrôlée. Ces systèmes peuvent utiliser une technologie d'actionnement pneumatique, hydraulique ou électromécanique. Le choix du type d'actionneur (c'est-à-dire le dispositif qui fournit l'énergie pour déplacer la charge) est basé sur les exigences de puissance, de vitesse, de précision et de coût. Les systèmes électromécaniques sont généralement utilisés dans des applications de haute précision, de faible à moyenne puissance et à grande vitesse. Ces systèmes sont flexibles, efficaces et rentables. Les moteurs sont les actionneurs utilisés dans les systèmes électromécaniques. Grâce à l'interaction des champs électromagnétiques, ils génèrent de l'énergie. Ces moteurs fournissent un mouvement rotatif ou linéaire. Voici une représentation graphique d'un système servo typique :

Ce type de système est un système à rétroaction, qui est utilisé pour contrôler la position, la vitesse et/ou l'accélération. Le contrôleur contient les algorithmes permettant de fermer la boucle souhaitée (typiquement la position ou la vitesse) et s'occupe également de l'interface machine avec les entrées/sorties, les terminaux, etc. Le variateur ou l'amplificateur ferme la ou les boucles internes (généralement la vitesse ou le courant) et représente le convertisseur de puissance électrique qui entraîne le moteur en fonction des signaux de référence du contrôleur. Le moteur peut être de type à balais ou sans balais, rotatif ou linéaire. Le moteur est l'actionneur électromagnétique réel, qui génère les forces nécessaires pour déplacer la charge. Des éléments de retour tels que des tachymètres, des lvdts, des encodeurs et des résolveurs sont montés sur le moteur et/ou la charge afin de fermer les différentes boucles d'asservissement.

ADVANCED Motion Controls conçoit et fabrique des variateurs et des amplificateurs pour les systèmes d'asservissement. Les variateurs et amplificateurs sont largement utilisés dans les systèmes de contrôle de mouvement où un contrôle précis de la position et/ou de la vitesse est nécessaire. Le variateur/amplificateur traduit simplement les signaux de référence à faible énergie du contrôleur en signaux à haute énergie pour fournir la tension et le courant du moteur. Dans certains cas, l'utilisation d'un variateur numérique remplace le système de commande contrôleur/variateur ou contrôleur/amplificateur. Les signaux de commande représentent soit le couple, la vitesse ou la position du moteur et peuvent être de nature analogique ou numérique. La commande analogique +/-10 VDC reste le signal de référence le plus courant, mais elle cède rapidement la place aux commandes numériques en réseau.

Contrôleur

Le contrôleur est le "cerveau" d'un système d'asservissement. Il est responsable de la génération des trajectoires de mouvement et de la réaction aux changements de l'environnement extérieur. Les contrôleurs peuvent être quelque chose d'aussi simple qu'un interrupteur marche/arrêt ou un cadran contrôlé par un opérateur. Ils peuvent également être aussi complexes qu'un ordinateur capable de contrôler activement plusieurs axes asservis, de surveiller les entrées/sorties et de gérer toute la programmation de la machine.

En règle générale, le contrôleur envoie un signal au variateur, ce dernier alimente le moteur et le retour d'information du moteur est renvoyé au contrôleur et au variateur. Le retour d'information de la charge est également acheminé vers le contrôleur. Le contrôleur analyse le retour d'information et corrige les erreurs en actualisant le signal envoyé à l'amplificateur. Le contrôleur est considéré comme la partie intelligente de l'asservissement, fermant les boucles de vitesse et/ou de position tandis que l'amplificateur ferme la boucle de courant. Cependant, de nombreux amplificateurs ferment les boucles de vitesse et/ou de position, ce qui réduit les demandes de calcul du contrôleur.

Formes physiques des contrôleurs

Les contrôleurs se présentent sous diverses formes et les gens les choisissent en fonction du coût, des performances, de la commodité et de la facilité d'utilisation. La plupart des contrôleurs entrent dans la catégorie des microcontrôleurs, des automates programmables et des contrôleurs de mouvement. Chaque catégorie est décrite ci-dessous.

Microcontrôleurs

Il s'agit d'un type d'ordinateur petit et peu coûteux qui exécute un programme stocké dans une mémoire non volatile. La configuration d'un microcontrôleur pour un système nécessite généralement un programmeur expérimenté, et la fermeture de boucles telles que la position et la vitesse peut être assez difficile. Souvent, lorsqu'on conçoit un système d'asservissement à l'aide d'un microcontrôleur, on fait en sorte que l'amplificateur/le variateur ferme les boucles souhaitées, tandis que le microcontrôleur renvoie simplement des commandes particulières à l'amplificateur. Ces commandes peuvent dépendre des entrées dans le microcontrôleur (capteurs, interrupteurs, etc.).

PLCs

À la fin des années 1960, les contrôleurs logiques programmables (PLC) ont été utilisés pour la première fois pour éliminer le fouillis de fils et les cauchemars de dépannage associés aux circuits de relais séquentiels. Les PLC peuvent remplacer les relais mécaniques, dont la durée de vie est limitée. Ces contrôleurs sont plus chers que les microcontrôleurs, mais avec raison.

Les automates sont dotés d'un processeur et d'une mémoire permettant de programmer, de sauvegarder et d'exécuter des commandes. Il dispose également d'un rack et d'emplacements E/S permettant d'ajouter des modules E/S à l'automate selon les besoins. Ces modules peuvent ajouter des fonctions telles que des compteurs à grande vitesse, des horloges en temps réel ou des capacités de servocommande.

Les avantages des automates programmables incluent l'extensibilité et la résistance aux environnements difficiles. Leur prix est généralement inférieur à celui des contrôleurs de mouvement.

Contrôleurs de mouvement

Les contrôleurs de mouvement sont construits spécifiquement pour le contrôle du mouvement (d'où leur nom). Par conséquent, les commandes et les E/S sont spécifiques aux besoins des acteurs de l'industrie du mouvement. Contrairement aux autres, les contrôleurs de mouvement sont souvent basés sur un PC, ce qui permet une interface utilisateur graphique. Ils sont généralement dotés de fonctions avancées qui facilitent le réglage, la détection de la commutation et d'autres fonctions. Un contrôleur de mouvement, en général, vous rendra la vie plus facile qu'un automate programmable ou un microcontrôleur. En raison de leurs fonctions supplémentaires, ils sont généralement plus chers.

Commande

La commande est le signal qui est envoyé du contrôleur au servomoteur.

Les servomoteurs numériques peuvent être contrôlés par différents réseaux, notamment CANopen, Ethernet, EtherCAT, Ethernet Powerlink, Synqnet, USB, RS232 et bien d'autres, qui vous permettent de commander le moteur en connectant le variateur directement (ou presque) à un ordinateur. Les signaux réseau ont l'avantage de pouvoir communiquer plus que la simple commande de sortie, y compris l'état des E/S, l'état du variateur, les informations de position et bien d'autres choses encore.

Les servomoteurs analogiques sont contrôlés par des signaux analogiques +/-10V et des signaux PWM & Direction.

Entraînement

Le servomoteur est le lien entre le contrôleur et le moteur. Également appelés amplificateurs d'asservissement, leur rôle est de traduire les signaux de référence à faible énergie du contrôleur en signaux de puissance à haute énergie pour le moteur. À l'origine, les variateurs étaient simplement l'étage de puissance qui permettait à un contrôleur de piloter un moteur. Au départ, il s'agissait de modèles à un seul quadrant qui alimentaient des moteurs à balais. Plus tard, ils ont intégré des capacités à quatre quadrants et la possibilité d'alimenter des moteurs sans balais. Quatre quadrants signifie la capacité de piloter et de régénérer un moteur dans les deux sens.

La tendance actuelle est d'ajouter de nouvelles fonctions et capacités aux variateurs. Aujourd'hui, on peut s'attendre à ce que les variateurs gèrent tous les retours système, y compris les encodeurs, les résolveurs et les tachymètres, ainsi que les interrupteurs de fin de course et autres capteurs. On demande également aux variateurs de fermer la boucle de couple, la boucle de vitesse et la boucle de position et on leur confie la responsabilité de générer des trajectoires. Au fur et à mesure que la ligne de démarcation entre le contrôleur et le variateur s'estompe, le variateur prend en charge un grand nombre de fonctions de contrôle plus complexes qui étaient auparavant du ressort exclusif du contrôleur.

L'avenir de la technologie d'entraînement continuera à s'appuyer sur les exigences de l'industrie du contrôle du mouvement. Ces demandes comprennent :

Une bande passante plus large pour augmenter le débit de production
Contrôle accru de la vitesse et de la position pour permettre une fabrication plus complexe et miniaturisée.
Capacité accrue du réseau à coordonner étroitement les axes d'une machine et à coordonner les machines dans une usine.
Fonctionnement simplifié, convivial et universel

Moteur

Le moteur convertit le courant et la tension qui proviennent de l'entraînement en un mouvement mécanique. La plupart des moteurs sont de type rotatif, mais des moteurs linéaires sont également disponibles. Il existe de nombreux types de moteurs qui peuvent être utilisés dans les applications servo.

La liste suivante des types de moteurs est couramment utilisée dans les applications servo.

Monophasé

Les moteurs monophasés ont deux fils d'alimentation et sont très faciles à installer. Les moteurs de cette catégorie peuvent inclure des moteurs à balais, des charges inductives et des bobines mobiles. Les amplificateurs conçus pour les moteurs à balais sont généralement utilisés pour piloter des charges monophasées, bien que la plupart des variateurs triphasés d'AMC puissent également faire fonctionner ces moteurs.

Brosse

Le moteur monophasé le plus courant. Les balais sont une forme de commutation mécanique qui dirige le courant dans les bonnes bobines au bon moment.

Actionneur linéaire

Les actionneurs linéaires utilisent un moteur rotatif couplé à une boîte d'engrenages pour déplacer un arbre linéaire dans un sens ou dans l'autre. Le moteur de l'actionneur est souvent un moteur à balais.

Bobine à voix

Une bobine mobile est conceptuellement similaire à un haut-parleur audio. Le mouvement est linéaire et sa course est généralement limitée à moins de 13 mm. De nombreuses applications de bobines vocales nécessitent un servomoteur haute performance et un système d'entraînement. ADVANCED Motion Controls est souvent le premier choix.

Palier magnétique

Les paliers magnétiques font flotter un arbre en rotation sur un coussin magnétique contrôlé par des servos. Ils sont utilisés lorsqu'un faible frottement est nécessaire ou lorsque la vitesse de l'arbre est trop élevée pour les paliers conventionnels. Les paliers magnétiques utilisent des électro-aimants pour faire léviter l'arbre en rotation de sorte que rien ne le touche physiquement. Un système de palier magnétique typique nécessite 4 ou 5 entraînements - un x et un y de chaque côté de l'arbre rotatif et un palier de butée optionnel pour empêcher l'arbre de flotter. Les exigences de performance des entraînements peuvent être extrêmement élevées en raison de la nature dynamique du système.

Charge inductive

Les charges inductives sont souvent utilisées par les universités et les scientifiques pour créer des champs magnétiques pour leurs expériences. ADVANCED Les variateurs Motion Controls ont réussi à contrôler des charges inductives de moins de 80uH d'inductance à plus de 1H (1 000 000uH) d'inductance. Il existe des considérations particulières concernant l'énergie stockée dans une grande inductance, et notre service d'assistance technique sera heureux d'en discuter dans le cadre de votre projet.

Triphasé

Rotation sans balais

Les servomoteurs sans balais à aimants permanents ont une densité de puissance plus élevée, une meilleure dissipation de la chaleur et nécessitent moins d'entretien que les moteurs à balais. Les moteurs sans balais peuvent être un peu plus difficiles à installer en raison de l'augmentation du câblage. Notre gamme numérique facilite les choses en automatisant le processus de commutation.

Linéaire

La construction d'un moteur linéaire est la même que celle d'un moteur rotatif, mais ouverte et aplatie. La configuration d'un entraînement pour un moteur linéaire est identique à celle d'un entraînement pour un moteur rotatif. Les moteurs linéaires sont utilisés dans les applications à entraînement direct où les exigences en matière de vitesse et de précision sont supérieures à ce qu'un moteur rotatif et une vis à billes peuvent fournir.

Considérations relatives à la charge

Les considérations relatives à la charge doivent inclure l'objet à déplacer, les pièces mobiles de la machine et tout ce qui peut provoquer des instabilités indésirables, comme les accouplements et le jeu. La masse totale des pièces mobiles de la machine a une inertie qui se répercute sur le moteur. Les points de friction, comme ceux des étages linéaires et des roulements, augmentent la charge du moteur. Les accouplements flexibles ajoutent des résonances dont il faut tenir compte.

Commentaires

Dans les systèmes de commande modernes, des dispositifs de rétroaction sont utilisés pour s'assurer que le moteur ou la charge atteint la position ou la vitesse commandée. Les amplificateurs et les contrôleurs servo utilisent cette rétroaction pour déterminer la quantité de courant à fournir au moteur à tout moment, en fonction de sa position et de sa vitesse actuelles par rapport à la position qu'il doit atteindre. Il existe deux principaux types de retour d'information : absolu et relatif (également appelé "incrémentiel").

Feedback absolu

Les dispositifs absolus fournissent une position définitive dans une plage spécifiée dès la mise sous tension (c'est-à-dire sans routine de recherche).

Feedback relatif (incrémental)

Ces dispositifs ne fournissent que des mises à jour incrémentielles de la position. Pour connaître la position du moteur ou de la charge, la rétroaction incrémentielle doit être utilisée conjointement avec un certain type de rétroaction absolue (un interrupteur de fin de course, par exemple) pour déterminer la position initiale. Une fois la position initiale connue, la rétroaction relative peut fournir des informations sur la position dans toute la gamme de mouvements.

Parmi ces deux types généraux de retour, il existe de nombreux dispositifs de retour différents. Voici quelques-uns des dispositifs les plus couramment utilisés dans le contrôle du mouvement.

Types de commentaires

Codeur en quadrature

Les codeurs sont le dispositif de retour de position le plus répandu dans le contrôle du mouvement. Les codeurs linéaires peuvent avoir des résolutions inférieures au micron et les codeurs rotatifs peuvent avoir des résolutions supérieures à 100 000 comptes par tour. Ce sont des dispositifs de retour relatifs.

Codeur sinusoïdal

Les codeurs sinusoïdaux utilisent des ondes sinusoïdales à la place des ondes carrées des codeurs en quadrature. Cela permet d'interpoler les comptes intermédiaires des codeurs à plus de 1024 fois. Des résolutions de plus de 4 millions de comptes par résolution sont possibles. Il s'agit de dispositifs à rétroaction relative.

Codeur absolu sinusoïdal

Ils utilisent les mêmes encodeurs sinusoïdaux que ci-dessus, en plus d'un dispositif mécanique ou d'un circuit électrique capable de maintenir les informations de position absolue sur plusieurs milliers de tours. Ces dispositifs transfèrent les informations de position via un protocole série tel que : Hiperface^®, EnDat^® et BiSS.

Capteurs de Hall

Il s'agit d'un retour à faible résolution qui est souvent nécessaire pour le contrôle de la commutation. Il peut également être utilisé pour le retour de vitesse à des vitesses plus élevées. Ils fournissent 6 unités de retour absolu dans chaque cycle électrique.

Résolveur

Un résolveur est essentiellement un transformateur rotatif. Ce retour est capable de résolutions supérieures à 16 bits. Les résolveurs sont le retour d'information de choix pour les environnements à haute température et à fortes vibrations. Ils fournissent un retour absolu en un tour.

Profils de mouvement

L'objectif de tous les systèmes d'asservissement est de déplacer une charge quelconque. La manière dont la charge est déplacée est connue sous le nom de profil de mouvement. Un profil de mouvement peut être aussi simple qu'un mouvement d'un point A à un point B sur un seul axe, ou il peut s'agir d'un mouvement complexe dans lequel plusieurs axes doivent se déplacer de manière précise et coordonnée. Un exemple de profil est illustré à la figure 1. La distance totale parcourue, D, est trouvée en calculant l'aire sous la courbe. T est le temps total requis pour le mouvement. La pente de la courbe de vitesse représente l'accélération ou la décélération à cet instant précis. Il existe plusieurs types de profils de mouvement utilisés avec les systèmes de servocommande. Les plus souvent utilisés sont Vélocité constante, Trapézoïdalet Courbe en S profils de mouvement.

Des choses à retenir :

Vélocité proportionnelle à 1/T
Accélération proportionnelle à 1/T²
Puissance (pic) proportionnelle à 1/T³

Les implications de ce dernier point sont profondes. Par exemple, si vous avez un système existant et que vous voulez que les mouvements soient deux fois plus rapides, le système aura besoin de 8 fois plus de puissance !

Vélocité constante

Ce profil de mouvement maintient une vitesse constante entre les points (voir figure 2a). Il s'agit du profil de mouvement le plus basique car seule une commande de vitesse est utilisée.

La vitesse constante serait utilisée dans quelque chose comme un convoyeur ou un ventilateur.

Les machines de positionnement de précision n'utilisent pas le profil de vitesse constante car une machine du monde réel ne peut pas changer de vitesse instantanément. Il y aura un délai qui fluctuera en fonction des changements de la charge et du système. Dans la figure 2B, la ligne en pointillé représente la trajectoire de vitesse réelle de la charge. Ta et Td représentent le temps nécessaire à l'accélération et à la décélération. Ces temps peuvent varier en fonction des fluctuations de la charge.

Trapézoïdal

Le profil de mouvement trapézoïdal incline la courbe de vitesse pour créer des taux d'accélération et de décélération prévisibles. Un profil de mouvement trapézoïdal est illustré à la figure 3. Le temps d'accélération et de décélération est précis et répétable. Ta et Td existent toujours, mais il s'agit désormais de valeurs spécifiées et non plus de valeurs aléatoires.

Si ta = td = T/3 pour un profil de déplacement trapézoïdal, la puissance globale utilisée est un minimum
L'erreur de dépassement existe toujours pour un déplacement trapézoïdal, mais cette erreur est négligeable pour de nombreux systèmes.
Les machines de haute précision nécessitent un profil de mouvement différent.

Courbe en S

Le profil de mouvement de la courbe en S permet un changement progressif de l'accélération. Cela permet de réduire ou d'éliminer les problèmes causés par les dépassements, et le résultat est une réduction considérable des vibrations mécaniques perçues par le système. Les points d'accélération minimale se situent au début et à la fin de la période d'accélération, tandis que l'accélération maximale se situe entre ces deux points. Cela donne un profil de mouvement qui est rapide, précis et régulier.

Calculs de couple et de puissance

En partant du profil de vitesse, le profil de couple peut être dérivé en prenant la dérivée de la vitesse. Une pente positive dans le profil de vitesse correspondra à un couple positif et une pente négative à un couple négatif. La raideur de la pente correspond à la magnitude du couple.

Ensuite, la courbe de puissance peut être obtenue en multipliant la courbe de vitesse par la courbe de couple (couple x vitesse = puissance).

Conception d'un système

Les informations contenues dans ces trois profils constituent la base de la conception du système.

À partir des profils de vitesse et de couple, vous pouvez limiter votre sélection de moteurs aux modèles capables de fournir le couple et la vitesse requis.
- Sur la base des données du moteur (Kt - constante de couple, Kv - constante de tension, Rm - résistance du moteur), vous pouvez alors déterminer les besoins en courant et en tension du système.
  - À partir du couple de pointe, vous pouvez calculer le courant de pointe (I). I = T / Kt
  - À partir de la vitesse de pointe, vous pouvez calculer la tension de pointe (V). V = Vitesse * Kv + I * Rm
Lorsque les exigences en matière de courant et de tension sont connues, vous pouvez alors sélectionner un servomoteur.

Plus d'équations

Le couple est proportionnel au courant.
Couple*Vitesse = Puissance
KT =Constante de couple (lb-in/A)
Le couple RMS est important pour l'alimentation et les considérations thermiques.