Il est utile de savoir quels sont les capteurs d'asservissement actuels qui peuvent optimiser la performance d'un servomoteur et comment choisir le type d'appareil adapté à votre application de contrôle de mouvement.
On s'attend à ce que les systèmes de contrôle de mouvement alimentés par un servomoteur soient rapides et précis. C'est le cas lorsqu'ils sont choisis correctement. Toutefois, de nombreux facteurs peuvent empêcher les moteurs d'atteindre leur performance souhaitée.
Le fonctionnement du système d'asservissement est étroitement lié à la précision du capteur qui rapporte la position du moteur. En outre, les mécanismes qui transfèrent la puissance du moteur à la charge de manière imparfaite peuvent entraîner des erreurs de vitesse ou de position. Les facteurs environnementaux tels que le bruit électrique ou la température peuvent aussi introduire des erreurs de positionnement.
Ces erreurs sont parfois tolérables. Toutefois, ce n'est pas le cas la plupart du temps. Les moteurs et variateurs asservis sont choisis pour être les plus fiables et les plus précis de tous les systèmes de positionnement.
Choisir le bon capteur de position est essentiel pour atteindre les performances espérées. Il existe plusieurs catégories de ces types de dispositifs, chacune présentant des avantages et des inconvénients uniques. Ils peuvent être électriques ou mécaniques, ce qui détermine si une technologie d'asservissement donnée est la mieux adaptée à une application particulière. Voici un aperçu de haut niveau des critères de sélection les plus importants.
Emplacement du capteur d'asservissement
L'emplacement optimal du capteur de position se situe au niveau de la charge, là où les exigences de contrôle du mouvement sont les plus importantes. Cette disposition atténue les erreurs introduites par des composants de transmission imparfaits qui transfèrent le mouvement du moteur à la charge, tels que les boîtes de vitesses, les courroies et les poulies, les roulements à billes, etc. Même si les dispositifs d'asservissement sont généralement montés dans le moteur, l'ajout d'un capteur au niveau de la charge peut améliorer considérablement la précision dans les systèmes à transmission.
Dans le cas des moteurs sans balais, le capteur d'asservissement doit être intégré au moteur pour fournir des données immédiates de position du rotor pour la commutation électronique (voir ci-dessous). Lors de l'utilisation d'un capteur d'asservissement monté sur le moteur, il est important de déterminer l'erreur cyclique et cumulée associée à la transmission et au capteur pour déterminer si l'erreur est acceptable.
Les servomoteurs à accouplement direct ont l'avantage d'être équipés d'un capteur de position interne directement connecté à la charge, ce qui élimine les problèmes de jeu et de compliance mécanique. Cela vient s'ajouter aux avantages liés à un nombre moindre de composants et à une maintenance réduite, de sorte que les servomoteurs à accouplement direct sont idéaux pour les applications nécessitant un mouvement précis et une bande passante élevée.
Commutation
La commutation est le contrôle du courant pour produire le couple. Dans les moteurs à aimant permanent, le couple est produit lorsque le champ magnétique des bobinages interagit avec celui de l'aimant. Lorsque le courant est envoyé vers le(s) bobinage(s) adéquat(s), le couple produit est optimal.
Lorsque le moteur se déplace, la position des enroulements par rapport aux aimants change. Cela signifie que le trajet sera optimal pour canaliser les changements de courant en fonction de la position du moteur.
Dans le cas d'un moteur à balais, le parcours change automatiquement grâce aux balais et à un commutateur relié aux bobinages de l'armature. Dans un moteur sans balais, la position du rotor est envoyée au variateur, lequel commute alors électriquement le courant vers les bobinages appropriés via des transistors.
Capteur d'asservissement monotour ou multitour
Les capteurs d'asservissement monotour suivent la position au cours de chaque rotation mécanique de 360°. Cela peut être utile, par exemple, pour contrôler la vitesse d'un tapis roulant, lorsque la vitesse peut être déduite de la position d'un rouleau dans le temps, mais que le nombre de tours du rouleau est sans importance. Toutefois, un codeur monotour serait inapproprié dans une application qui requiert de multiples rotations de l'arbre du moteur pour déplacer une charge sur une distance donnée, et où un contrôle précis de cette distance est essentiel.
Dans ce dernier type d'application, un capteur de position multitour suit la position sur 360° de rotation et ajoute la possibilité de suivre le nombre de révolutions complètes effectuées. En général, les capteurs de position multitour produisent une capacité de comptage variant de 4 069 tours (12 bits, ou 2^12) à 65 536 tours (16 bits ou 2^16). L'asservissement multitour peut être mis en œuvre par un système d'engrenages avec des lectures individuelles ou au moyen d'un compteur électronique, ce qui constitue une solution plus compacte et fournit généralement un nombre de tours plus élevé.
Codeur absolu ou incrémental
Les capteurs d'asservissement rapportent une position absolue ou une position relative incrémentale. Les capteurs d'asservissement indiquent soit la position absolue, soit la position incrémentale (relative). Un capteur de position absolu monotour est en mesure de rapporter avec précision la position pendant un cycle mécanique de mise en marche du moteur. En revanche, un capteur de position incrémental fournit généralement des impulsions de sortie pour chaque incrément de mouvement, mais sans références à un emplacement particulier dans la plage de mouvement de l'appareil.
Ces impulsions incrémentales, combinées à des impulsions de marqueurs périodiques, à un interrupteur de remise à zéro de la machine et à un compteur, permettent de connaître la position de la charge. Toutefois, en cas de coupure de l'alimentation des circuits de l'asservissement électronique, le système perd de vue sa position. Dans certaines applications qui utilisent des codeurs incrémentaux et où la position est critique, le contrôleur peut être raccordé à un système d'alimentation électrique sans coupure pour conserver les informations de position.
D'un autre côté, un codeur absolu multitour fournit aussi des informations de positionnement précises au cours de multiples rotations, sans avoir besoin d'être alimenté en continu. Cela est possible grâce à un système de batterie de secours ou à l'aide de la technologie de récupération de l'énergie qui conserve le nombre approprié dans une mémoire non volatile même en cas de coupure de l'alimentation et lorsque le rotor est déplacé manuellement.
Précision et fiabilité
Le type de technologie utilisé dans le dispositif est également important. Certains capteurs sont extrêmement robustes et destinés au marché du contrôle des machines industrielles. D'autres sont relativement fragiles et destinés à des applications comme les équipements de laboratoire de haute précision. Il existe aussi des applications dans lesquelles ces exigences se chevauchent : par exemple, la fabrication de semi-conducteurs, où les conditions exigent une haute précision dans un environnement particulièrement propre, ainsi qu'un débit rapide pour satisfaire les calendriers de production accélérés.
Géométrie du système de mouvement
Les systèmes de mouvement peuvent être linéaires, rotatifs ou une combinaison des deux. Des capteurs d'asservissement sont spécifiquement conçus pour chaque cas. Ils peuvent présenter des caractéristiques de montage et des directions de mouvements de différentes, mais le principe de base du dispositif d'asservissement s'applique généralement à toutes les configurations.
Pour les systèmes linéaires tels que ceux que l'on trouve dans le positionnement d'axe X-Y-Z, les données de position indiquent simultanément l'emplacement précis de tous les axes, ce qui peut être essentiel dans certaines applications. Dans une situation d'arrêt d'urgence, par exemple, le fait de pouvoir redémarrer les composants de mouvement exactement au point où ils se sont arrêtés peut empêcher le blocage des machines et réduire le gaspillage.
Les informations sur la vitesse proviennent généralement des données de position en comparant la dérivée par rapport au temps, de sorte que le capteur d'asservissement représente un achat unique pour la plupart des systèmes asservis. Toutefois, pour les applications qui exigent des informations de vitesse précises à basse vitesse, un appareil conçu spécialement à cet effet, tel qu'un tachymètre analogique, est parfois préférable.
Bonne nouvelle : le choix d'un capteur d'asservissement peut être simple
Les capteurs de position jouent un rôle essentiel dans les systèmes de contrôle en circuit fermé. Il n'y a pas si longtemps, le choix de l'appareil adéquat était une tâche très complexe. Aujourd'hui, cette sélection est devenue beaucoup plus simple.
De nombreux fabricants de contrôleurs de mouvement proposent des systèmes de mouvement complets, avec le moteur, le capteur de position, le variateur et les câbles combinés dans un ensemble optimisé. Ces ensembles gèrent plus de 90 % des applications de mouvement actuelles. Cela évite aux ingénieurs d'avoir à câbler ou à monter séparément le capteur de position dans le système asservi, ce qui peut représenter de quatre à neuf, voire 13 raccordements de fils différents.
En outre, certains fabricants comme Kollmorgen proposent des capteurs de position « intelligents » intégrés à leurs moteurs. Ceci permet un fonctionnement « plug-and-play » en apposant sur le variateur une plaque signalétique qui spécifie les paramètres électroniques du moteur. Ces paramètres configurent le variateur et permettent de configurer l'asservissement en quelques secondes. Les capteurs de position intelligents peuvent être basés sur tout type d'asservissement standard, avec l'ajout d'une puce intégrée contenant les paramètres du moteur.
Que faut-il donc savoir pour sélectionner le capteur d'asservissement optimal pour votre application ? Tout d'abord, vous devez connaître les exigences en termes de précision du positionnement et de résolution. Ensuite, les facteurs environnementaux tels que la distance entre le moteur et le variateur, le bruit électrique ou la température peuvent être pris en compte pour déterminer l'appareil optimal.
Un grand nombre de dispositifs sont disponibles pour répondre à pratiquement toutes les exigences d'asservissement, y compris des capteurs à effet Hall, des résolveurs, des codeurs génériques (très variés) et des codeurs sinusoïdaux. Heureusement, de nombreux fournisseurs de servomoteurs offrent de multiples options d'asservissement pour un moteur donné afin de s'adapter à un large éventail d'exigences en termes de performance ou d'environnement.
Les capteurs à effet Hall font partie des dispositifs d'asservissement les plus simples et les moins coûteux. Il s'agit d'appareils numériques de type marche/arrêt qui détectent la présence de champs magnétiques. Composés de matériaux semi-conducteurs, ils sont robustes, utilisables à très hautes fréquences (correspondant à des dizaines de milliers de tours/minute du moteur) et permettent un séquençage de commutation précis. Dans la mesure où les informations de position fournies par ces appareils sont inexactes, ils sont plus adaptés au contrôle trapézoïdal (en six étapes) qu'au contrôle sinusoïdal. Les capteurs à effet Hall sont adéquats pour le contrôle du couple ou le contrôle approximatif de la vitesse et simplifient l'électronique du variateur en commutant directement les appareils d'alimentation du moteur.
Les résolveurs sont des transformateurs rotatifs bien adaptés aux environnements difficiles, où les systèmes sont exposés à des températures extrêmes, des vibrations et des chocs. Ils peuvent aussi gérer des vitesses de moteur supérieures à 10 000 tours/minute. Leur coût est faible à moyen et ils offrent une précision et une résolution modérées, adaptées à la plupart des applications industrielles.
Les codeurs incrémentaux sont proposés en différentes configurations : optiques avec et sans contact, dans des versions linéaires et rotatives et avec de multiples variantes de nombres de lignes. Ces codeurs offrent une excellente précision et sont utilisables à des régimes pouvant atteindre des milliers de tours/minute. Même si les codeurs incrémentaux sont aujourd'hui plus robustes que jamais, certains ne conviennent pas aux environnements extrêmes.
Les codeurs sinusoïdaux offrent une performance de pointe. Bien que plus coûteux que les résolveurs ou les encodeurs incrémentaux, ils sont bien adaptés aux applications qui nécessitent une haute précision associée à une haute résolution.
En savoir plus
Afin de vous familiariser avec ce sujet crucial du mouvement, assurez-vous de lire les trois articles de notre blogue sur les dispositifs d'asservissement : Capteurs à effet Hall et résolveurs, Codeurs linéaires, rotatifs et sinusoïdaux, en plus de celui des capteurs d'asservissement abordé ici. N'hésitez pas à contacter un ingénieur Kollmorgen pour parler de votre application spécifique et obtenir des recommandations sur la technologie d'asservissement la mieux adaptée à vos besoins.
