Notions de base sur les servovariateurs

"Nous concevons et fabriquons des servomoteurs pour les systèmes de contrôle du mouvement."

C'est la réponse que nous pourrions donner à quelqu'un qui demande "Que fait ADVANCED Motion Controls ?".

Pour certaines personnes, c'est tout ce qu'elles ont besoin de savoir. Pour d'autres, cela peut soulever plus de questions que de réponses. N'oublions pas que tout le monde n'a pas une formation en contrôle du mouvement, en électronique ou même en sciences ou en ingénierie.

Nous allons donc passer en revue les bases des servocommandes à différents niveaux techniques afin que tout le monde puisse avoir une certaine compréhension de ce que nous faisons. Vous pouvez vous arrêter dès que vous vous sentez à l'aise.

Les bases du servomoteur expliquées à un enfant de 5 ans

Les servomoteurs sont comme de petits ordinateurs qui envoient de l'électricité aux moteurs et les font tourner en rond.

Copie du croquis du servomoteur et du moteur

Les bases du servomoteur expliquées à un enfant de 12 ans

Vous suivez jusqu'ici ? Je l'espère. Entrons un peu plus dans les détails.

Les servocommandes sont des dispositifs électroniques constitués de cartes de circuits imprimés, de micropuces, de fils et de connecteurs. Ils sont connectés à des moteurs électriques pour contrôler la rotation du moteur. Ils peuvent faire en sorte que le moteur accélère, ralentisse, s'arrête ou même recule à tout moment.

Ils y parviennent en contrôlant et en dirigeant le flux d'électricité dans les fils du moteur. Sans servomoteur, un moteur peut tourner de façon incontrôlée ou ne pas tourner du tout.

Certains servomoteurs contrôlent de petits moteurs, comme dans l'articulation du coude d'un bras de robot. D'autres servocommandes contrôlent de gros moteurs, comme ceux des machines lourdes ou des roues d'un véhicule électrique. Des moteurs plus puissants nécessitent des servocommandes plus puissantes.

Les principes de base des servomoteurs expliqués à un élève de physique du secondaire

J'espère que vous êtes toujours avec nous, mais c'est ici que les choses commencent à devenir un peu plus techniques.

Comment fonctionnent les servomoteurs et comment le moteur tourne-t-il ?

Piloter le moteur

Comment un moteur tourne-t-il ?

Un moteur électrique se compose de deux parties principales : un rotor qui tourne et est fixé à l'arbre, et un stator qui reste immobile et est fixé au châssis. L'un de ces composants est doté d'aimants ordinaires et l'autre d'enroulements de fils ou "électro-aimants" qui peuvent être mis en marche en faisant passer du courant électrique.

En activant et désactivant successivement les différents enroulements, on obtient un effet magnétique rotatif. Celui-ci exerce une pression sur les aimants ordinaires et fait tourner le rotor.

Les moteurs à balais ont des enroulements dans le rotor et des aimants dans le stator, tandis que les moteurs sans balais ont les enroulements dans le stator et les aimants dans le rotor.

D'une manière ou d'une autre, la quantité de courant traversant les enroulements contrôle la quantité de couple (l'intensité de la rotation), tandis que la tension contrôle la vitesse du moteur (la vitesse de rotation). En régulant le courant et la tension fournis, le servomoteur contrôle le couple, la vitesse et la position de l'arbre moteur.

Moteur 3 phases sans balais

Dans un moteur sans balais, les électroaimants du stator sont mis sous tension et hors tension pour faire tourner le rotor magnétique.

Commandement et contrôle

Contrôleur de la machine

Un grand contrôleur

Mais comment indiquer au servomoteur le couple, la vitesse et la position à viser ? C'est simple. Il suffit d'utiliser un contrôleur, qui peut être aussi simple qu'un cadran ou aussi compliqué qu'un ordinateur.

Le contrôleur envoie un signal (une petite, mais spécifique, impulsion de tension) à l'entrée de commande du servomoteur. Le servomoteur amplifie alors essentiellement le signal pour obtenir le courant ou la tension souhaités pour le moteur.

Servo Drive Alimentation électrique

Un exemple d'alimentation électrique qui se branche sur une prise murale.

Bien sûr, la loi de la conservation de l'énergie nous dit que l'énergie ne peut pas être créée de nulle part.

Alors, d'où vient cette puissance amplifiée ?

Le servomoteur est relié à une sorte d'unité d'alimentation (une batterie ou un dispositif à brancher) qui fournit une tension constante. Le servomoteur prend alors cette tension d'alimentation et envoie de l'énergie au moteur selon les besoins, en fonction du signal de commande.

Commentaires

Si vous suivez l'évolution de la situation, nous avons jusqu'à présent parlé de 3 composants principaux auxquels les servomoteurs sont connectés : Les enroulements du moteur, le contrôleur et l'alimentation électrique. Mais il y a un 4ème élément auquel les servo drives sont connectés qui les rend si efficaces : Le dispositif de rétroaction du moteur.

Retour du compteur de vitesse

Les conducteurs utilisent l'indicateur de vitesse pour avoir un retour d'information lorsqu'ils sont sur la route... ou du moins les conducteurs responsables.

En tant qu'êtres humains, nous utilisons des dispositifs de rétroaction en permanence. L'indicateur de vitesse de notre voiture nous indique la vitesse à laquelle nous allons pour que nous sachions si nous devons accélérer ou ralentir. Un thermomètre de cuisson nous permet de savoir quand notre viande est sur le point d'être cuite. Un manomètre nous permet de savoir si le pneu d'un vélo a besoin de plus ou moins d'air. Une enquête sur les réactions des clients indique à une entreprise où elle doit faire des ajustements. Le retour d'information facilite grandement la prise de mesures correctives.

La plupart des servomoteurs sont équipés d'une sorte de dispositif de retour, tel qu'un encodeur, qui peut être connecté directement à un servomoteur.

La présence d'une boucle de rétroaction permet au servomoteur d'apporter des corrections en temps réel au courant et à la tension qu'il envoie au moteur. Cela garantit que le moteur tourne avec le couple désiré, à la vitesse désirée et à la position désirée, indépendamment des interférences.

Dispositif de rétroaction pour codeur incrémental

Un codeur incrémental est un dispositif de rétroaction commun utilisé dans les moteurs pour suivre le mouvement de rotation.

Par exemple, disons qu'une force externe commence à agir sur l'arbre du moteur, ce qui le fait ralentir par rapport à la vitesse souhaitée. Le signal de retour du moteur indique la vitesse réelle du moteur. Le servomoteur va alors comparer la vitesse réelle à la vitesse cible et augmenter la puissance fournie au moteur pour compenser jusqu'à ce qu'il atteigne la vitesse appropriée.

C'est un peu comme lorsque vous utilisez le régulateur de vitesse dans une voiture et que vous commencez à monter une côte. Sans rien toucher, l'ordinateur de votre voiture effectue tous les changements nécessaires pour que votre voiture continue à avancer à la même vitesse malgré la pente. Dans un servomoteur, tout cela se produit plus rapidement que l'homme ne peut le percevoir, avec des milliers de réglages par seconde.

Les bases des servovariateurs expliquées à un étudiant en ingénierie de niveau universitaire

D'accord, petit malin, tu veux les bonnes choses ? Et voilà.

Jusqu'à présent, nous considérions les servocommandes comme de petites boîtes magiques avec de l'électricité et des fils qui y entrent et en sortent. Nous savons ce qu'ils font, mais pas comment ils le font. Voyons maintenant ce qui se passe réellement à l'intérieur.

Boucles de rétroaction négative

Les servocommandes sont souvent connues sous le nom d'amplificateurs de servocommande car, au fond, c'est ce qu'elles font. Ils amplifient un signal de commande. Mais c'est le développement de la commande par rétroaction qui en fait des dispositifs plus sophistiqués et plus utiles.

Comme nous l'avons mentionné, les servomoteurs utilisent des boucles de rétroaction pour corriger les erreurs.

Dans le contrôle du mouvement et la plupart des autres processus de contrôle, les erreurs sont corrigées à l'aide de boucles de rétroaction négative.

Dans une boucle de rétroaction négative, le signal de sortie du système (de la valeur mesurée) est soustrait de l'entrée de référence du système (la valeur cible) pour créer la nouvelle valeur d'entrée (le signal d'erreur).

Jetez un coup d'œil à ce schéma fonctionnel simple.

Boucle de rétroaction négative simple

Une simple boucle de rétroaction négative.

Disons par exemple que votre objectif est 5 et que votre valeur mesurée est 3. Le signal d'erreur sera finalement de +2. Si votre objectif est de 5 et que votre valeur mesurée est de 7, le signal d'erreur sera de -2.

Ainsi, si la sortie d'un système est trop élevée, le signal d'erreur sera négatif et le système réagira dans le sens négatif pour faire baisser la sortie. Si la sortie du système est trop faible, l'erreur sera positive, et le système réagira dans le sens positif pour augmenter la sortie.

Ce processus se déroule de manière continue, en maintenant l'erreur aussi proche de zéro que possible.

Cette rétroaction négative est essentielle. Si la rétroaction était positive (en d'autres termes, si vous ajoutiez la valeur mesurée à la cible au lieu de la soustraire), un système qui va trop vite compenserait en allant encore plus vite ou un système qui va trop lentement s'arrêterait ou finirait par fonctionner en sens inverse.

Presque tous les servovariateurs sont capables de fermer la boucle de courant, mais d'autres peuvent également fermer la boucle de vitesse et même la boucle de position. Si un système est équipé d'un servomoteur qui ne peut fermer que la boucle de courant, mais que la machine doit également fermer les boucles de vitesse et de position, ces boucles supplémentaires devront être fermées par le contrôleur.

Gains

Le signal d'erreur passe par les "gains" du système, c'est-à-dire l'étape d'amplification qui prend l'entrée du système pour produire la sortie du système. Dans certains systèmes, il s'agit d'un simple gain proportionnel.

Voyons cela comme une installation de microphone et de haut-parleur. Vous parlez dans le micro, votre voix est amplifiée. Si vous vous adressez à une foule de 20 personnes dans un auditorium d'école, il se peut que vous ayez juste un petit gain qui vous fait paraître deux ou trois fois plus fort que vous ne l'êtes réellement. Mais si vous vous adressez à une foule de centaines de personnes lors d'un événement en plein air, vous aurez besoin d'un gain beaucoup plus important pour que tout le monde puisse vous entendre, et le système pourra donc rendre votre voix dix fois plus forte. Dans tous les cas, plus vous parlez fort dans le micro, plus le son qui en sort sera fort.

Boucle de rétroaction du moteur du servomoteur avec gains

Une boucle de rétroaction de base dans un système de contrôle de mouvement avec un servomoteur. Le servomoteur compile le signal d'erreur, puis l'"amplifie" pour obtenir la sortie du servomoteur.

Ainsi, dans un servomoteur d'une application, vous pouvez avoir une constante de gain proportionnel de 5 A/V, où une entrée de 1 V donne une sortie de 5 A, une entrée de 2 V donne une sortie de 10 A, etc.

Dans une autre application, vous pouvez avoir une constante de gain proportionnel de 10 A/V, où une entrée de 1 V donne une sortie de 10 A, une entrée de 2 V donne une sortie de 20 A, etc.

Contrôle PID

Pour certains processus, un gain proportionnel est suffisant pour le contrôle. Mais pour la plupart des processus, comme la robotique, un contrôle plus précis est souhaité. L'un des schémas de contrôle les plus répandus est le contrôle (proportionnel, intégral, dérivé).

Dans le PID, vous avez le gain proportionnel multiplié par la valeur actuelle de l'erreur, mais aussi le gain intégral multiplié par l'accumulation de l'erreur dans le temps (intégrale) et le gain dérivé multiplié par la variation de l'erreur dans le temps (dérivée). Il en résulte presque toujours une correction beaucoup plus précise de l'erreur, ce qui réduit les problèmes tels que le dépassement et l'oscillation.

Boucle de rétroaction du moteur du servomoteur avec contrôle PID

Une boucle de rétroaction de base dans un système de contrôle de mouvement avec un servomoteur doté d'une commande PID.

Les principes de base des servomoteurs expliqués au concepteur de systèmes

Félicitations, si vous êtes arrivé jusqu'ici. Maintenant, regardons au-delà d'une simple combinaison contrôleur-entraînement-moteur et voyons comment les servo drives s'intègrent dans un système complet de contrôle du mouvement.

Niveaux de puissance

Tous les servomoteurs ne sont pas créés égaux. Chaque servomoteur a une tension de fonctionnement nominale et des valeurs maximales de courant de crête et de courant continu. Bien que de nombreux progrès aient été réalisés pour augmenter la densité de puissance (en particulier ces dernières années avec notre famille de variateurs FlexPro), les variateurs plus grands sont généralement plus puissants et ont une résolution de contrôle du courant plus faible.

Peut-être qu'un enfant de 5 ans pourrait comprendre cela, mais juste au cas où, n'essayez pas d'alimenter un minuscule moteur de 5 ampères avec un volumineux servo drive de 80 ampères et n'essayez pas de faire fonctionner un lourd moteur de 80 ampères avec un minuscule servo drive de 5 ampères.

Servomoteur de base pour montage sur panneau

Servomoteur à montage sur panneau

Facteur de forme

Les servomoteurs se présentent sous différentes formes et tailles, certaines mieux adaptées à différentes applications.

Montage sur panneau

Les servomoteurs encastrables sont dotés d'une plaque de base métallique et d'un couvercle en plastique ou en métal fin qui renferme le circuit imprimé.

Les trous ou les encoches de la plaque de base servent à monter les lecteurs sur une surface plane à l'aide de boulons ou de vis.

Il s'agit de la forme traditionnelle des servocommandes, généralement utilisées dans les machines.

Montage sur PCB

Servomoteur FlexPro

Servomoteur monté sur circuit imprimé

Les servomoteurs à montage sur carte de circuit imprimé sont fabriqués sans boîtier ni revêtement. Ils sont conçus pour être montés directement sur une autre carte de circuit imprimé à l'aide de broches ou de soudures, de la même manière qu'un sous-composant peut être fixé.

Ils sont très compacts et offrent une connectivité fiable, mais sont moins protégés des éléments. Ils sont souvent utilisés dans la robotique fixe et mobile.

Les variateurs montés sur PCB sont parfois enfichés dans une carte de montage pour offrir des connexions plus traditionnelles avec des fils et des câbles tout en conservant leur nature compacte. Cela peut éviter au concepteur de la machine de devoir concevoir un circuit imprimé avec les connecteurs à broches exacts correspondant au disque.

Servomoteur monté sur véhicule

Support de véhicule

Les servomoteurs montés sur véhicule sont enfermés dans une coque en plastique épais et une plaque de base lourde. Des cosses à vis sont utilisées pour permettre un courant élevé. Comme leur nom l'indique, ils sont utilisés dans des applications mobiles.

Quel que soit le facteur de forme, les performances sont les mêmes. La différence se situe plutôt au niveau de la facilité d'installation pour différents secteurs et différentes applications.

Réseaux

Dans les robots, les véhicules mobiles, les machines et autres systèmes de contrôle du mouvement, il y a de fortes chances qu'il y ait plus d'un axe de mouvement. Cela signifie plus d'un moteur, ce qui signifie généralement plus d'un servomoteur. Le contrôleur doit envoyer les commandes à tous ces servomoteurs.

Il y a deux façons pour le contrôleur de gérer cela. Avec les servocommandes analogiques, un schéma de commande centralisé est nécessaire, le contrôleur étant connecté individuellement à chaque servocommande.

Réseau de machines Servo Drives

La mise en réseau des servomoteurs simplifie le câblage. Les données et les commandes peuvent circuler sur un seul bus réseau vers chaque nœud, de sorte que le contrôleur n'a pas besoin d'une connexion directe à chacun d'eux.

Avec les servocommandes numériques, cependant, un schéma de contrôle distribué est rendu possible par l'utilisation d'un réseau. Un réseau relie les servocommandes entre elles. Des messages ou des paquets de données peuvent être envoyés par le réseau et les servocommandes répondront aux données qui leur sont adressées.

Il existe une grande variété de protocoles réseau différents. Les réseaux en temps réel tels que EtherCAT ou EtherNet/IP permettent des temps de réponse incroyablement rapides, envoyant des mises à jour en moins d'une milliseconde. D'autres réseaux comme CANopen ou ModBus ne sont pas aussi rapides, mais sont plus faciles et moins coûteux à mettre en œuvre.

Chaque ADVANCED Le modèle de servomoteur numérique de Motion Controls est conçu pour un protocole réseau spécifique, avec de nombreuses options disponibles, y compris les douanes.

 

Autres types de moteurs

De même que les téléphones portables ont évolué bien au-delà de la simple téléphonie, les servomoteurs peuvent aujourd'hui faire bien plus que de faire fonctionner des servomoteurs.

Outre les servomoteurs standard à balais et sans balais, les servomoteurs peuvent également être utilisés pour contrôler des moteurs linéaires, des moteurs pas à pas biphasés et triphasés, des moteurs à induction à courant alternatif, des bobines mobiles, etc.

Schéma du moteur linéaire

Un moteur linéaire est électriquement analogue à un servomoteur sans balais "déroulé", il est donc facilement contrôlé par des servomoteurs numériques.

Même si votre système comporte plusieurs types de moteurs, il est très possible que vous puissiez tous les contrôler en utilisant le même modèle de servomoteur ou des modèles similaires, ce qui simplifie votre conception.

I/O

La fonctionnalité E/S (entrée/sortie) est utilisée dans les servomoteurs numériques pour leur permettre d'échanger des signaux haut/bas avec d'autres dispositifs du système. Ces dispositifs peuvent être des capteurs de température, des interrupteurs de fin de course, des capteurs de pression ou même d'autres servomoteurs.

L'utilisation des E/S peut être très utile pour permettre au servomoteur de contrôler des fonctions simples sur la machine et soulager le contrôleur et/ou le réseau.

Isolation

Vos servomoteurs ou votre alimentation doivent être isolés électriquement. Sinon, vous risquez de vous retrouver avec une masse flottante qui finira par griller vos servomoteurs et les autres composants du système. Vous avez besoin soit de servomoteurs avec une isolation optique intégrée, soit d'une alimentation avec un transformateur d'isolation. Les exceptions à cette règle sont les systèmes alimentés par batterie et les systèmes dont les servocommandes sont conçues pour être alimentées directement en courant alternatif.

Bonus : Les bases de la servocommande pour les philosophes

Si un servomoteur est un dispositif qui envoie du courant et de la tension à un moteur, alors si vous le déconnectez du système, est-ce toujours un servomoteur ?

 

par Jackson McKay, ingénieur marketing

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