Tous les types de servomoteurs ne sont pas identiques, car ils existent dans une large gamme de formes et de tailles, chaque type étant adapté à des applications différentes.
En fait, l'éventail des formes n'est peut-être pas si large, car elles ont toutes tendance à avoir une forme approximativement cylindrique ou rectangulaire, selon qu'elles sont rotatives ou linéaires.
Mais les servomoteurs existent dans une grande variété de tailles et de types et, surtout, ils diffèrent dans leur fonctionnement électromécanique.
Quel est donc le type de servomoteur le mieux adapté à votre cas d'utilisation particulier ? Lisez la suite pour plus d'informations.
Qu'est-ce qu'un servomoteur ?
Les moteurs électriques ordinaires (tels que les moteurs à courant alternatif que l'on trouve dans les ventilateurs de bureau) fonctionnent en alimentant un ensemble de bobines situées dans un stator, qui produisent un champ magnétique interagissant avec un rotor, produisant un mouvement rotatif dans un arbre.
En termes de contrôle, ce ne sont pas des appareils particulièrement intelligents et ils sont généralement en boucle ouverte, avec les commandes les plus basiques (comme un potentiomètre) pour le réglage de la vitesse.
D'une manière générale, un moteur électrique moyen de ce type n'a pas la capacité de contrôler la position, ce qui est nécessaire dans les systèmes avancés de contrôle du mouvement.
Si vous souhaitez un moteur électrique très contrôlable, vous devrez investir dans un type de servomoteur.
Bien que les principes de fonctionnement d'un mouvement dans un servomoteur La vitesse, le couple et la position du moteur électrique restent largement identiques à ceux d'un moteur ordinaire, mais l'ajout de systèmes de rétroaction permet au système de surveiller ses sorties en termes de vitesse, de couple et de position.
Le retour d'information s'effectue au moyen d'un capteur (tel qu'un codeur ou un résolveur) situé dans le moteur, qui détecte l'état du matériel et renvoie un signal à un servomoteur ou à un contrôleur, qui vérifie que la sortie mesurée correspond à la valeur commandée. Le contrôleur traite ensuite le signal, corrige tout écart (erreur) et ajuste le fonctionnement du moteur en conséquence.
La correction est effectuée à l'aide d'algorithmes de contrôle tels que le contrôle PID (proportionnel-intégral-dérivé), qui permet un fonctionnement stable et précis du moteur (et de ce qu'il entraîne).
C'est ce que l'on appelle un système de contrôle en boucle fermée, et c'est ce qui différencie le servomoteur d'un moteur traditionnel avec un contrôle en boucle ouverte.
Quels sont les différents types de servomoteurs ?
Les servomoteurs peuvent être divisés en deux catégories en fonction de leur mouvement. Il s'agit des servomoteurs linéaires et des servomoteurs rotatifs. Les servomoteurs linéaires et rotatifs se déclinent en plusieurs variantes.
Plus précisément, ces saveurs peuvent être subdivisées en fonction du type de courant (continu ou alternatif), du type de commutation (avec ou sans balais) ou du type de commande (pas à pas ou induction).
Examinons plus en détail ce qui définit ces types de moteurs.
Servomoteurs linéaires
Les servomoteurs linéaires, comme leur nom l'indique, produisent un mouvement de translation (d'avant en arrière ou d'un côté à l'autre) sans nécessiter de matériel supplémentaire, tel que des vis d'entraînement, des engrenages ou des courroies.
Ils réalisent ce mouvement grâce à un composant appelé "primaire" (également appelé "forcer" ou "stator") contenant des bobines alignées sur une trajectoire droite, qui s'aimantent lorsque le courant est appliqué.
Les bobines magnétisées interagissent alors avec un ensemble d'aimants permanents situés dans le "secondaire" (appelé "piste" ou "plateau"), produisant une force de Lorentz et entraînant ainsi le forçat le long de la piste. C'est le mouvement linéaire.
Caractéristiques :
- Les servomoteurs linéaires sont très précis, capables d'une précision de positionnement de l'ordre du sous-micron.
- Grâce à leur entraînement direct, ils sont très efficaces et les pertes d'énergie sont minimes.
- Ils sont capables de réagir rapidement en termes d'accélération et de décélération, ce qui les rend idéaux pour les applications dynamiques.
Avantages :
- Les servomoteurs linéaires sont capables d'effectuer un mouvement linéaire direct et ne nécessitent aucun matériel supplémentaire. Ils sont donc légers et nécessitent peu d'entretien.
- Elles sont douces et silencieuses, grâce à l'absence de contact entre les pièces mobiles. Cela signifie également qu'il n'y a pas de jeu, comme c'est le cas avec les vis à tête plate.
- Les servomoteurs linéaires présentent un degré élevé d'évolutivité, ce qui signifie qu'ils peuvent être conçus pour assurer des mouvements sur de longues ou de courtes distances.
Applications :
- Systèmes de prélèvement et de placement, machines à mesurer tridimensionnelles, systèmes optiques, automatisation des laboratoires.
Servomoteurs rotatifs
La majorité des servomoteurs utilisés dans les applications commerciales et industrielles sont rotatifs.
Ils sont disponibles à la fois en courant alternatif et en courant continu et utilisent généralement un encodeur pour fournir un retour d'information au contrôleur ou à l'entraînement. Le mouvement est créé par l'utilisation d'un système de stator et de rotor.
Les servomoteurs rotatifs peuvent également être utilisés dans le cadre de systèmes linéaires, à l'aide de vis à billes ou de vis d'entraînement, pour convertir un mouvement rotatif en un mouvement linéaire.
Mais pour les besoins de cet article, nous considérerons les servomoteurs linéaires comme des unités autonomes qui créent un mouvement linéaire sans nécessiter de matériel supplémentaire.
Caractéristiques :
- Les servomoteurs rotatifs se distinguent par leur rapport couple/inertie élevé, qui permet une accélération et une décélération rapides.
- Ils ont un rendement élevé, ce qui permet de réduire les pertes de chaleur et d'énergie.
- Les servomoteurs rotatifs ont une excellente réponse dynamique, ce qui leur permet de faire face à des changements rapides de vitesse dans des conditions de charge variables.
Avantages :
- Les servomoteurs rotatifs sont très polyvalents et peuvent être utilisés dans une multitude d'applications. Avec du matériel supplémentaire (vis à tête/à bille), ils peuvent également être convertis pour fournir un mouvement linéaire.
- Ils sont très adaptables et conviennent aussi bien aux applications lourdes qu'aux applications légères.
- Ce type de moteur est capable d'opérations incroyablement précises, permettant un contrôle de la position à des niveaux de précision inférieurs au degré, voire à la seconde d'arc.
Applications :
- Les servomoteurs rotatifs sont couramment utilisés dans l'aérospatiale, l'automatisation industrielle, la fabrication de semi-conducteurs, les appareils médicaux, les machines à commande numérique, les imprimantes 3D, etc.
Servomoteurs à courant alternatif
Les servomoteurs peuvent également être classés en fonction du type de courant qu'ils utilisent (alternatif ou continu).
Pour les applications industrielles, servomoteurs à courant alternatif sont les plus courants, en raison de la large gamme de tensions et de niveaux de puissance qu'ils peuvent gérer.
Les servomoteurs à courant alternatif sont disponibles en version linéaire et rotative.
Servomoteurs à courant alternatif de basse à moyenne tension
Tout comme il existe des servomoteurs à haute tension, il existe également des variantes à "basse" tension que, pour les besoins de cet article, nous classerons dans la catégorie des servomoteurs à courant alternatif dont la tension est inférieure à 480 V. Oui, par "basse tension", nous entendons "relativement" basse. Naturellement, un choc électrique de 480 volts serait très nocif pour le corps humain, mais en termes de machines industrielles, c'est assez faible.
Ces servomoteurs sont de petite taille et conviennent parfaitement aux applications nécessitant un encombrement réduit. Malgré leur taille réduite, ils sont capables de fournir une puissance raisonnable de l'ordre du kW.
Généralement, ils sont disponibles en version triphasée, offrent une densité de couple élevée pour leur taille, sont robustes, fiables et offrent un haut degré de précision et d'efficacité.
Caractéristiques :
- Des tensions inférieures sont disponibles, allant de 12 à 480 V.
- Ils sont disponibles dans un volume plus petit, pour les applications où l'espace est limité.
- Les servomoteurs à basse tension peuvent fournir une puissance supérieure à 20 kW.
Avantages :
- Ils offrent un bon équilibre entre les performances et l'accessibilité financière par rapport aux systèmes à plus haute tension.
- En raison de la tension plus faible, les coûts d'exploitation associés aux servomoteurs à tension plus élevée sont moins élevés, grâce à la réduction des besoins en infrastructure électrique (transformateurs, etc.).
- Les risques de haute tension (tels que les arcs électriques et les pannes d'équipement) sont réduits lorsqu'on utilise des servomoteurs à basse tension.
Applications :
- Robots industriels, cobots, systèmes de manutention, machines d'emballage, presses à imprimer
Servomoteurs AC haute tension
Les servomoteurs à courant alternatif à plus haute tension fonctionnent généralement entre 300 et 480 V et sont bien adaptés aux applications industrielles telles que l'usinage à commande numérique, où des forces élevées sont nécessaires.
Ces moteurs, associés à des servomoteurs haute tension spécialisés, peuvent fournir une puissance de sortie élevée (de l'ordre du kW) sans nécessiter une augmentation significative de la taille du moteur, ce qui les rend idéaux pour les machines compactes à hautes performances.
Caractéristiques :
- Les servomoteurs AC haute tension ont tendance à être très robustes et durables, ce qui est nécessaire dans les environnements industriels lourds.
- Les systèmes à plus haute tension sont souvent équipés de systèmes de refroidissement actifs, tels que des systèmes de refroidissement liquide ou des ventilateurs.
- Ils peuvent nécessiter des coûts initiaux et opérationnels plus élevés en raison de la nécessité d'une infrastructure électrique avancée et des exigences en matière d'électronique de puissance.
Avantages :
- Le fait de fonctionner à des tensions plus élevées signifie que des courants plus faibles sont nécessaires pour la même puissance de sortie. Ceci est particulièrement utile pour réduire les pertes
- Des exigences de courant plus faibles entraînent une réduction de la production de chaleur. Des fils de plus faible calibre peuvent être utilisés, ce qui réduit les coûts.
- Les servos à courant alternatif haute tension sont capables de produire un couple extrêmement élevé.
Applications :
- Robotique lourde, actionneurs aérospatiaux, CNC industriels, machines textiles, contrôle du pas des éoliennes, systèmes de poursuite solaire`
Servomoteur synchrone à courant alternatif
La majorité des servomoteurs à courant alternatif sont de ce type, ce qui signifie que le rotor tourne exactement à la même vitesse que le champ magnétique tournant (RMF) du stator, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de décalage (appelé "glissement") entre le RMF et le rotor. Ils sont synchrones (d'où leur nom astucieux).
- Caractéristiques: Les servomoteurs synchrones à courant alternatif sont connus pour leur densité de couple élevée et leur vitesse constante.
- En raison de l'absence de glissement, ils ont une excellente précision de positionnement avec les moyens de contrôle habituels.
- Avantages: Efficacité, fiabilité sous différentes charges et contrôle précis de la vitesse.
- Applications: Largement utilisé dans la robotique, les machines d'emballage et l'automatisation industrielle exigeant des performances constantes.
Servomoteurs asynchrones à courant alternatif
La plupart des servomoteurs à courant alternatif ordinaires sont synchrones, comme nous l'avons vu dans la section précédente. Ils ont également tendance à être soit à base d'aimants permanents, soit à base de courant continu sans balais (BLDC).
Toutefois, il existe des servomoteurs asynchrones à courant alternatif, qui sont essentiellement des moteurs à induction auxquels on a ajouté des capacités de contrôle. Étant asynchrones, ils présentent une différence de vitesse entre la vitesse synchrone du stator et la vitesse du rotor. Cette différence est généralement représentée en pourcentage et est appelée "glissement"
Les moteurs à induction sont un sous-ensemble de moteurs à courant alternatif qui utilisent l'induction générée par les courants induits dans le rotor. Ils s'opposent aux moteurs à aimants permanents, qui génèrent un couple à partir des aimants et du champ électromagnétique du stator.
Pour atteindre les mêmes niveaux de précision que les servomoteurs à courant alternatif traditionnels, les servomoteurs à courant alternatif asynchrones doivent être capables d'effectuer un contrôle vectoriel complexe, tel que le contrôle orienté champ (FOC), en combinaison avec des codeurs ou des résolveurs pour le retour d'information. Cette commande supplémentaire permet un contrôle dynamique du glissement du moteur asynchrone à courant alternatif.
Caractéristiques :
- Les servomoteurs asynchrones à courant alternatif peuvent être dotés d'une cage d'écureuil ou d'un rotor enroulé avec des bagues collectrices.
- Ils nécessitent généralement un contrôle FOC pour obtenir une quelconque précision.
Avantages :
- Ils ne sont pas sujets à la démagnétisation, contrairement aux moteurs à aimants permanents.
- Les servomoteurs asynchrones à courant alternatif peuvent être moins chers à fabriquer que les moteurs à aimant permanent.
Applications :
- Systèmes de convoyage, pompes, manutention, ascenseurs.
Servomoteurs à courant continu
servomoteurs à courant continu Ils fonctionnent généralement selon les mêmes principes que les servomoteurs à courant alternatif, mais utilisent du courant continu plutôt qu'alternatif. Ils sont généralement plus légers et plus compacts que leurs homologues à courant alternatif, plus robustes, et sont généralement moins coûteux.
Malgré leur faible coût, ils sont très performants en termes d'efficacité et de précision, et ont une faible inertie, ce qui permet des changements de direction et de vitesse rapides. Ils sont intrinsèquement bidirectionnels, permettant la rotation de l'arbre à la fois dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse, avec la même efficacité.
Caractéristiques :
- Les servomoteurs à courant continu ont un rendement élevé et de faibles pertes de chaleur.
- Ils peuvent être alimentés par des batteries, telles que les batteries Li-poly ou plomb-acide.
- Ils sont capables d'une rotation bidirectionnelle efficace.
Avantages :
- Les servomoteurs à courant continu peuvent fonctionner efficacement sur une large gamme de vitesses, ce qui les rend bien adaptés aux applications à vitesse variable.
- Ils sont moins complexes que les servomoteurs à courant alternatif, ce qui se traduit par un coût inférieur.
- Les servomoteurs à courant continu sont idéaux pour les opérations à faible consommation d'énergie.
Applications :
- Systèmes de caméras, cardans, véhicules électriques, prothèses, lecteurs de médias optiques (DVD / Blu-ray, etc.)
Servomoteurs à balais
Les servomoteurs à courant continu existent en version avec ou sans balais, qui diffèrent par la manière dont ils gèrent la commutation. La commutation est le processus qui consiste à changer le sens du courant dans les enroulements du moteur afin de maintenir une rotation continue et de générer un couple.
Les servomoteurs à courant continu à balais utilisent la commutation mécanique, où les balais entrent physiquement en contact avec un collecteur (un anneau segmenté fixé au rotor). Lorsque le rotor tourne, les segments du collecteur commutent séquentiellement le flux de courant dans les enroulements de l'induit, garantissant que l'interaction du champ magnétique continue à produire un couple dans la bonne direction.
Dans un système asservi, des mécanismes de rétroaction tels que des encodeurs ou des potentiomètres permettent un contrôle précis de la vitesse, du couple et de la position, ce qui distingue les servomoteurs à courant continu des moteurs à courant continu ordinaires.
Caractéristiques :
- Les servomoteurs à courant continu à balais ont une conception simple et un coût relativement moins élevé que les servomoteurs à courant alternatif.
- Les moteurs à courant continu avec balais offrent un couple de démarrage élevé car le courant d'induit est maximisé sans contre-électricité, ce qui permet de surmonter efficacement l'inertie.
- Les brosses sont considérées comme des consommables et doivent être remplacées périodiquement.
Avantages :
- Les moteurs à courant continu à balais constituent une solution économique pour les applications à faible vitesse et à couple élevé.
- La vitesse et le couple peuvent être facilement contrôlés en ajustant la tension ou le courant appliqué.
Applications :
- Robotique, bandes transporteuses, petits équipements industriels nécessitant de la précision.
Servomoteurs sans balais
Les servomoteurs à courant continu sans balais éliminent les balais mécaniques et les commutateurs, en utilisant la commutation électronique pour contrôler le courant dans les enroulements du stator. Un mécanisme de rétroaction (généralement un capteur à effet Hall ou un encodeur) surveille la position du rotor afin de synchroniser le champ magnétique du stator avec le mouvement du rotor.
Le couple est généré par l'interaction entre le champ électromagnétique du stator et les aimants permanents du rotor, ce qui permet un contrôle précis et efficace de la vitesse et de la position.
Par ailleurs, la plupart des servomoteurs à courant alternatif sont également "sans balais" par définition.
Caractéristiques :
- Rendement élevé, faible entretien, bruit réduit et taille compacte.
Avantages :
- Longue durée de vie, plage de vitesse plus élevée et meilleure fiabilité.
Applications :
- Idéal pour les machines à commande numérique, les drones et les appareils médicaux nécessitant un contrôle de mouvement de haute performance.
Servomoteur pas à pasLes moteurs pas à pas ordinaires sont des moteurs CC synchrones sans balais qui se déplacent par étapes discrètes, ce qui permet un contrôle précis de la position sans nécessiter de système de rétroaction. Cependant, comme ils fonctionnent dans un système en boucle ouverte, ils ne peuvent pas détecter les erreurs s'ils dépassent ou manquent des étapes.
Les servomoteurs pas à pas, quant à eux, intègrent un mouvement progressif avec un mécanisme de retour d'information (généralement un codeur), ce qui permet un contrôle en boucle fermée pour une plus grande précision, une meilleure efficacité du couple et la correction des pas manqués.
Les servomoteurs pas à pas sont donc essentiellement des moteurs pas à pas, mais en mieux !
Caractéristiques :
- Les servomoteurs pas à pas ont, par définition, un contrôle en boucle fermée.
- Au fond, ce sont des moteurs à courant continu sans balais, bien qu'ils présentent certaines caractéristiques du courant alternatif (ils sont synchrones, par exemple).
- Certains modèles utilisent une commande sinusoïdale plus douce pour un mouvement plus silencieux et plus souple (similaire à celui des moteurs à courant alternatif).
Avantages :
- Les servomoteurs pas à pas peuvent maintenir le couple à des vitesses plus élevées et réduire la résonance, ce qui permet d'améliorer la vitesse et le couple par rapport à un moteur pas à pas classique.
- Ils peuvent également maintenir le couple à des vitesses plus élevées, contrairement aux moteurs pas à pas classiques.
- Le retour d'information permet des corrections en temps réel, ce qui améliore la précision.
Applications :
- Automatisation industrielle, machines à commande numérique, imprimantes 3D, robotique, aérospatiale, systèmes satellitaires.
Conclusion
Dans cet article, nous avons vu comment les servomoteurs peuvent être classés en grandes catégories, notamment en fonction du courant d'entrée (CA ou CC), du type de mouvement (rotatif ou linéaire), de la tension (haute ou basse) et du type de commutation (dans le cas des servomoteurs à courant continu).
Bien entendu, il existe d'autres sous-catégories de servomoteurs spécialisés que nous pouvons encore diviser, mais cela fera l'objet d'un autre article.
Comprendre les distinctions entre les différents types, même à ce niveau élevé, peut garantir une sélection optimale pour des cas d'utilisation spécifiques.
Naturellement, savoir quel type de servomoteur est le mieux adapté à vos besoins n'est qu'une partie de l'équation. Il est tout aussi important de savoir où se procurer du matériel de mouvement fiable. Le choix d'une marque de confiance peut contribuer à réduire les temps d'arrêt et les coûts à long terme, en particulier dans les opérations critiques. Ne vous inquiétez pas, nous sommes là pour vous aider.
Les grandes marques telles que ABB, Ametek, Allied Motion et d'autres fournissent constamment des servomoteurs rotatifs de haute qualité, garantissant des performances fiables dans divers secteurs.
Et si le mouvement linéaire vous intéresse, vous pouvez consulter des entreprises telles que Geeplus, H2W Technologies, Tolomatic ou HyperCyl pour plus d'informations.
Toutes ces entreprises fabriquent du matériel qui s'est avéré compatible avec les servomoteurs AMC. Pour une liste plus exhaustive des tiers fabriquant des servomoteurs compatibles, rendez-vous sur le site à ce lien.
