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LE REMPLACEMENT DES MOTEURS VETUSTES STIMULE LE MARCHE ‘SERVO’

Les normes d’énergie strictes créent une marge de croissance pour les servomecanismes

servomotor

La hausse des prix de l’électricité et les normes d’utilisation strictes stimulent la demande mondiale de moteurs performants, à haut rendement énergétique. Tandis qu’on s’attend à une stagnation pour l’Europe et les USA pour ce qui est du marché ‘servo’, les possibilités sont encore légion en Asie. Vu la réglementation stricte sur la consommation d’énergie et la protection de l’environnement et la demande de remplacement de moteurs vétustes, peu économes en énergie, les servomoteurs continuent toutefois chez nous aussi d’offrir les solutions nécessaires, notamment pour les applications à torsion/vitesses élevées.

TOUJOURS PLUS RAPIDE, PLUS PRECIS

Sous la pression de la mondialisation, la conception de moteurs a évolué pour s’adapter aux délais plus courts et aux exigences plus strictes en matière de précision et de fiabilité ... C’est dans ce contexte que sont apparus les servosystèmes. Ils sont utilisés lorsque les actionneurs doivent exécuter des mouvements extrêmement précis ou rapides. Dans les différents secteurs industriels, on trouve d’innombrables exemples d’applications ‘servo’, en particulier dans l’automatisation. La précision exigée avec laquelle les delta pickers doivent p.ex. placer les produits (à des vitesses relativement élevées), peut être atteinte au moyen de servomoteurs dans chacune des trois articulations. Les convoyeurs devant amener des produits à des endroits des stations d’opération pour le remplissage, l’emballage, l’étiquetage, … peuvent aussi avoir recours pour cela à des servomoteurs. Alors qu’ils étaient au début plutôt synonymes d’overkill, les servosystèmes aident aujourd’hui à booster l’efficacité — notamment dans les applications de mouvement à charges variables. Un servosystème se compose d’un moteur, d’un appareil à feed-back et d’un contrôleur. Ces composants permettent ensemble de contrôler avec précision des paramètres comme la position, la vitesse, l’accélération ou la torsion.

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Représentation générale du servomécanisme dans un système de motion control
avec plusieurs axes (au-dessus) et un seul axe (en dessous)

SERVOMOTEUR

Le servomoteur constitue une partie du cœur d’un servosystème. Le terme donne, à tort, l’impression qu’il s’agit d’un type de moteur distinct, alors qu’en fait, tout moteur se prêtant à l’application dans un servosystème est un servomoteur. Dans le cas le plus simple, des moteurs PMDC (permanent magnet DC) à balais sont utilisés pour leur simplicité et leur prix d’achat réduit. De petits servomoteurs industriels sont typiquement des moteurs sans balais à commande électronique. En guise de gros servomoteurs industriels, des moteurs à induction AC sont souvent utilisés, éventuellement en combinaison avec un régulateur de fréquence pour régler leur vitesse. Si l’espace disponible est limité et qu’on attend de grandes performances, des moteurs PMAC (permanent magnet AC) sans balais peuvent être utilisés.

FEED-BACK

Diverses technologies (codeur, potentiomètre, tachymètre DC, SSI, BISS, resolver, Hall analogique ou numérique, sensorless, …) entrent en ligne de compte comme mécanismes de feed-back pour la vitesse et/ou la position. Il s’agit souvent d’un appareil physique fonctionnant de manière autonome, couplé mécaniquement au moteur. Nous allons nous en tenir ici aux codeurs. Un codeur donne un certain nombre d’impulsions par rotation et peut indiquer, outre le régime, la position et le sens de rotation de l’arbre du moteur. Les codeurs optiques consistent en un disque rond transparent avec de petits traits tournant entre un sas lumineux. Il existe aussi des disques en métal avec de petits trous ou encoches. Les différents jeux de traits ou d’encoches des codeurs sont liés au nombre de positions que le disque donne. Un codeur fournit dans la plupart des cas trois signaux carrés: A et B, et un signal d’index. A et B présentent un déphasage de 90° l’un par rapport à l’autre; on peut en déduire si le moteur tourne vers la gauche ou la droite.

Des codeurs magnétiques

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Les signaux de feed-back et le courant peuvent aujourd'hui être envoyés via un câble vers le servomoteur

Les codeurs magnétiques consistent en un disque en matériau magnétique, avec p.ex. des dents et avec un capteur à côté ou en face du disque. Sous l’effet de la rotation des dents, le capteur convertit les variations survenant dans le champ magnétique en impulsions électriques. Le générateur d’impulsions génère un train d’impulsions avec la fréquence proportionnelle au régime de l’arbre du moteur, s’il est monté directement sur l’arbre. Il peut aussi être monté sur un réducteur.

Des codeurs incrémentaux et absolus

Les codeurs absolus sauvegardent leur position dans un système de coordonnées absolues, tandis qu’un codeur incrémental exécute des changements incrémentaux depuis une position ‘home’ préréglée. Un codeur incrémental exige par conséquent une électronique supplémentaire (p.ex. un PLC ou compteur) pour compter le nombre d’impulsions et convertir les données en vitesse ou mouvement. Un codeur absolu produit des mots numériques identifiant une situation absolue. Les codeurs incrémentaux conviennent plutôt pour les applications plus simples moins performantes et les codeurs absolus pour les applications critiques plus complexes avec un niveau de contrôle plus élevé sur la vitesse et la position.

Le signal de codeur est soumis au contrôleur qui régule ensuite le régime et la position de l’arbre du moteur. On obtient ainsi un circuit de régulation fermé. Le mécanisme de feed-back peut aussi être présent, mais difficile à identifier. Des servosystèmes head positioning dans une station à disque dur utilisent ainsi des signaux de feed-back intégrés dans le platter au lieu d’un capteur à feed-back séparé. Dans d’autres systèmes, des signaux électriques du moteur même sont utilisés pour indiquer la vitesse. On évoque cette technologie avec le terme ‘sensorless’. La position est toutefois bel et bien ‘sentie’, mais via des propriétés intrinsèques du moteur plutôt que via un appareil à feed-back.

CONTROLEUR

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Le circuit de contrôleur fait aussi partie du cœur du servosystème. Il englobe simplement un motion controller (générant le profil de mouvement du moteur) et un amplificateur de moteur (fournissant au moteur l’énergie nécessaire sur la base de signaux du motion controller). Les servocontrôleurs exécutent deux types de tâches: le suivi de l’entrée donnée et le ‘réglage’. La méthode de réglage la plus courante est viaun algorithme PID. Il utilise trois termes de feed-back (proportionnel, intégrant et différentiel) pour comparer la valeur de réglage pour la position (ou la vitesse) avec la valeur actuelle et donne ensuite l’ordre de corriger l’erreur (la différence) entre les deux. Les termes déterminent dans quelle mesure le servosystème tente de corriger ou de limiter l’erreur entre la valeur de réglage et la valeur actuelle. Le terme proportionnel dépend de l’erreur actuelle, le terme intégrant d’une erreur passée et le terme différentiel d’erreurs prévues dans le futur.

Modules de contrôleur ‘dedicated’

La plupart des servosystèmes modernes sont construits et livrés comme un module de contrôleur ‘dedicated’ d’un même fabricant. Des contrôleurs peuvent également être développés à base de microcontrôleurs afin de réduire les coûts pour les applications à gros volumes. Etant donné que le type de codeur, le rapport d’engrenage et la dynamique générale du système sont propres à l’application, il est moins évident de produire un contrôleur général comme module standalone. Ils sont donc habituellement appliqués comme une partie du contrôleur principal.

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SYSTEMES INTEGRES

Il existe aussi des servosystèmes avec le codeur, l’amplificateur et le contrôleur intégrés dans le servomoteur. Un tel système n’a besoin que d’une alimentation et d’un signal pour transmettre la position, ce qui est généralement fait par un système de bus de terrain (p.ex. PROFINET). Il y a aussi des servosystèmes avec un amplificateur et un moteur séparés. Le contrôleur et l’amplificateur final se trouvent dans le servodrive. Un tel système est souvent commandé par un PLC ou un PC. De tels systèmes sont courants dans la construction de machines pour le positionnement rapide d’axes (p.ex. les machines CNC). Il y a des servodrivers AC triphasés, mais aussi des variantes DC. Les drives de ce type ont aussi généralement encore quelques ports E/S à bord pour diverses fonctions, programmables librement. Une connexion Ethernet ou Profibus est aussi souvent utilisée pour les lire ou commander à distance.

TECHNOLOGIE DIRECT DRIVE
Les servomoteurs sont traditionnellement combinés avec des réducteurs planétaires, ce qui implique souvent un surcoût par rapport à des moteurs AC standard avec boîte à engrenages. Ou il faut un raccord supplémentaire sur un réducteur standard, avec aussi un impact sur le prix (plus élevé) et l’encastrement (plus grand). Dans les systèmes à couplage direct, le servomoteur s’engrène directement sur le premier pignon du réducteur. Une taille d’encastrement plus petite et un prix moins élevé sont ainsi possibles. Le couplage direct réduit le jeu, garantissant une performance comparable à celle de boîtes à engrenages planétaires low-cost (pouvant être deux fois plus chères qu’un réducteur standard).

SERVOMOTEURS VERSUS MOTEURS PAS A PAS

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La technologie ‘servo’ partage le marché avec des systèmes de mouvement sans servocommande comme les moteurs pas à pas. Ces derniers permettent aussi un contrôle précis des mouvements, mais ne sont pas des servosystèmes, car ils reposent sur le principe de circuit ouvert. Un servomoteur n’utilise de l’énergie que pour tourner vers la position donnée, mais s’arrête ensuite. Les moteurs pas à pas continuent d’utiliser de l’énergie, une fois cette position atteinte. Les servomoteurs sont généralement utilisés comme alternative haute performance au moteur pas à pas. Vu leur construction, les moteurs pas à pas ont déjà la propriété de conserver une position, étant donné qu’ils ont des pas de sortie intégrés. Ils peuvent ainsi être utilisés dans de nombreuses situations pour le contrôle de position en boucle ouverte, sans codeur de feed-back, car leur signal de drive spécifie le nombre de pas de mouvement en rotation. Pour cela, le contrôleur doit bien sûr connaître la position du moteur pas à pas au démarrage. Lors du premier démarrage, le contrôleur doit donc activer le moteur pas à pas et l’amener à une position connue, où il active p.ex. un contact de fin de course. Pensez p.ex. au démarrage d’une imprimante à jet d’encre; le contrôleur déplace d’abord le porte-cartouches complètement à gauche et à droite pour définir les fins de course.

servomoteurUn servomoteur avec un codeur absolu (plus cher que sin/cos ou resolver) se rendra, en revanche, directement à la position commandée par le contrôleur, quelle que soit la position de début au démarrage. Les moteurs pas à pas standard ont une limite inhérente au niveau de leurs performances, vu qu’ils ne peuvent qu’entraîner une charge se trouvant suffisamment dans leur plage de charges. Sinon, des erreurs de position peuvent survenir en cas de pas sautés à cause de la surcharge. Le système doit alors être redémarré ou réinitialisé. Des moteurs pas à pas à circuit fermé (closed loop stepper motors) sont possibles. Ils se comportent comme des servomoteurs, mais présentent au niveau du logiciel certaines différences pour les mouvements fluides. Les principaux fabricants de tels systèmes utilisent des codeurs magnétiques comme appareil à feed-back en raison du coût réduit et de la bonne résistance aux vibrations. Le principal avantage d’un moteur pas à pas à circuit fermé est le rapport performance/prix. Le contrôleur PID ne doit, en outre, ici pas être réglé. De nombreuses applications, comme les découpeuses à laser, sont proposées dans deux classes de prix. La classe inférieure comprend les moteurs pas à pas et la classe supérieure les servomoteurs.De lageprijsklasse omvat dan de stappenmotoren, de hogeprijsklasse de servomotoren.

SERVO-ENTRAÎNEMENT DÉCENTRALISÉ

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Le câblage et les composants électriques sont traditionnellement montés dans l’armoire de commande, et sont ainsi protégés. Intégrer tous ces composants dans une armoire peut toutefois prendre beaucoup de temps et de place. Pour certaines applications de motion control comme les machines d’emballage et les tables rotatives, les servo-entraînements doivent être montés en dehors de l’armoire de commande. Les constructeurs de machines cherchent cependant de plus en plus des solutions avec servo-entraînements décentralisés. Avec le nombre croissant d’axes appliqués dans les machines automatisées, ceux-ci comportent, en effet, divers avantages:

Gain de place, moins de câblage

Avec une topographie décentralisée de servo-entraînements (montage hors de l’armoire de commande), un boîtier plus petit peut suffire. La quantité de câbles peut être limitée au moyen du ‘daisy chaining’ sériel des entraînements avec un câble hybride pour le courant, la commande et les signaux de communication.

Conception simple et à haut rendement énergétique

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La conception des machines devient plus simple aussi grâce au caractère modulaire des servo-entraînements décentralisés. Des axes supplémentaires peuvent être ajoutés simplement via la duplication des dessins schématiques d’autres axes. Cela réduit le temps et les coûts d’ingénierie, simplifie le processus d’assemblage et accélère le time-to-market.

Autre avantage: le raccordement à un bus DC commun des servo-entraînements pour l’amenée de courant. Le système peut ainsi absorber l’énergie de freinage et la redistribuer parmi les autres modules de servo-entraînement, au lieu qu’elle se perde sous la forme de chaleur via des résistances externes. Dans certains cas, on peut même laisser tomber complètement les résistances, ou des résistances plus petites peuvent suffire.