Qu'est-ce que la commande de position à double boucle et où est-elle nécessaire ?

La plupart des systèmes de commande de moteurs utilisent des accouplements tels que des engrenages, des vis à billes, des courroies et d'autres méthodes pour transmettre les forces du moteur à la charge. Ils sont utilisés pour diverses raisons, comme l'augmentation du couple par le biais de rapports de vitesse, la transformation d'un mouvement rotatif en mouvement linéaire ou la modification de l'angle du couple appliqué. En plus de leurs avantages, ces systèmes de transmission ont également des coûts associés, par exemple ils peuvent augmenter la friction dans le système et réduire la rigidité entre le moteur et la charge. La rigidité peut être compromise par la flexion des composants de la transmission, ainsi que par le jeu introduit par les engrenages. Par exemple, les vis à billes ne sont pas parfaitement rigides, elles peuvent se plier et s'étirer légèrement sous la charge. Les engrenages ne sont pas parfaits non plus, ils peuvent avoir un jeu qui peut ajouter une petite quantité de "jeu" entre l'entrée et la sortie.

Notre sujet d'aujourd'hui sera la façon dont les problèmes introduits par la flexion et le jeu peuvent être résolus en utilisant une commande de position à double boucle.

Le problème de la boucle unique

Pour des raisons de coût et de commodité, les dispositifs de rétroaction tels que les codeurs sont souvent intégrés au moteur. Le codeur de la plupart des servomoteurs est généralement monté directement sur l'arbre du moteur, généralement à l'arrière du moteur. Dans cette configuration, le codeur est directement couplé à l'arbre du moteur et sa sortie est donc une indication de la position réelle du moteur.

Si un engrenage, une vis à billes ou un autre dispositif de transmission était ensuite connecté à l'arbre du moteur, la position de la charge serait alors calculée en tenant compte des rapports de transmission des dispositifs utilisés. Dans de nombreux cas, cette configuration est suffisamment précise pour l'application. Cependant, dans certains cas, la flexibilité et le jeu supplémentaires de la transmission peuvent introduire suffisamment d'erreurs pour poser problème.

Par exemple, disons qu'une fraiseuse utilise un moteur rotatif qui fait tourner une vis à billes pour déplacer la charge. Les fraises peuvent appliquer des forces importantes pour pousser les pièces à travers la fraise et ces forces peuvent provoquer la flexion des pièces dans la fraiseuse. L'ampleur de la flexion dépend d'un certain nombre de variables, notamment de la longueur de la vis à billes et de la force appliquée à la charge. Si la seule rétroaction concernait le moteur, nous pourrions avoir des problèmes. En effet, il existe une longue chaîne de pièces qui peuvent se plier et fléchir entre le moteur et la charge. Heureusement, il existe une solution simple qui consiste à placer une échelle (ou un encodeur) sur la charge. De cette façon, nous pouvons mesurer directement la position de la charge, quelle que soit la flexion des pièces de la transmission.

Cependant, déplacer le codeur du moteur vers la charge n'est pas la solution complète. Placer le retour sur le moteur permet d'obtenir un contrôle stable et précis du moteur, mais la précision de la position de la charge est sacrifiée. En revanche, placer le retour sur la charge augmente la précision de la position finale, mais sans retour sur le moteur, le système peut devenir instable car le jeu peut laisser le moteur momentanément déchargé de manière imprévisible.

Ajout d'une commande à double boucle

Pour obtenir à la fois précision et stabilité, la solution consiste à utiliser deux dispositifs de rétroaction. Un sur le moteur et un sur la charge. Cette configuration est appelée commande à double boucle et fonctionne comme suit :

En commençant par le moteur, le système de commande ferme la boucle de vitesse autour du moteur. La fermeture de la boucle de vitesse stabilise le système en contrôlant la vitesse du moteur indépendamment de la façon dont le jeu entraîne la charge ou la décharge du moteur. Cette boucle serait la boucle intérieure d'un schéma de commande à double boucle.

La deuxième boucle de ce système est la boucle extérieure. Ici, le variateur ferme la boucle de position en utilisant un retour qui mesure directement la position de la charge. Le fait de placer le retour sur la charge permet au contrôleur de mesurer précisément la position et de fermer correctement la boucle de position.

Les deux boucles d'un système à double boucle fonctionnent ensemble pour créer un contrôle de mouvement stable et précis. La mesure directe de la position fournit au système de contrôle des informations précises pour la boucle de position. Les petits ajustements de position, et plus important encore les changements de direction, sont traités par des commandes de vitesse dans la boucle de vitesse. Les commandes de vitesse proviennent de la boucle de position où la magnitude de la commande est proportionnelle à la quantité d'erreur de position. Comme la boucle de vitesse est fermée autour du moteur, elle ne crée pas d'effet de claquement où le moteur accélère soudainement lorsqu'il n'est pas chargé à cause du jeu. La boucle de vitesse améliore le contrôle du moteur et permet au moteur de tourner à une vitesse contrôlée indépendamment de la façon dont il est chargé.

Des moteurs plus intelligents pour un meilleur contrôle

Les systèmes à double boucle sur les variateurs intelligents peuvent avoir différentes configurations telles que rotatif-rotatif ou rotatif-linéaire. Un exemple de système rotatif à rotatif serait un moteur rotatif connecté à un réducteur rotatif. Le retour d'information pour le moteur et la charge est assuré par des encodeurs rotatifs. Un exemple de système rotatif-linéaire serait un moteur rotatif connecté à une vis à billes, comme dans l'exemple précédent de fraiseuse. Le retour du moteur utilise un codeur rotatif tandis que le retour de la charge utilise un codeur linéaire.

De nombreux servomoteurs intelligents ADVANCED Motion Controls ont des capacités à double boucle intégrées. Les variateurs de positionnement dont la caractéristique est "Auxiliary Feedback" (retour auxiliaire) sont dotés d'une commande à double boucle. Vous pouvez les trouver sur notre site Web en filtrant pour "Auxiliary Feedback" dans notre recherche de produits.

par Rene Ymzon, responsable marketing