Un système d'asservissement est un système de contrôle de mouvement en circuit fermé, construit à partir de quatre éléments centraux : un vérin (le muscle), un dispositif de commande (le cerveau), un élément de rétroaction (les sens) et un câble (le système nerveux). Ces éléments fonctionnent ensemble pour produire un mouvement précis et reproductible grâce à l'asservissement et à des corrections continues.
Dans l'automatisation industrielle, le vérin est le plus souvent un servomoteur, tandis que l'appareil de commande est habituellement un servovariateur, un contrôleur de mouvement ou une combinaison des deux. En fonction des exigences de performance de l'application, l'élément de rétroaction peut inclure un capteur de courant, un codeur, un résolveur ou même un système de vision. Le câble complète le système d'asservissement en acheminant l'alimentation, les signaux de communication et les signaux d'asservissement entre le moteur, le variateur et les éléments de commande. Des câbles dotés d'un blindage et d'une conception adaptés contribuent à maintenir la précision, la fiabilité et la performance globale du système.
Comprendre comment ces composants fonctionnent individuellement et ensemble en tant que système de mouvement intégré constitue la base de la sélection et de l'optimisation des applications d'asservissement.
Points clés à retenir
- Les systèmes d'asservissement s'appuient sur cinq composants intégrés. Servomoteurs, variateurs, contrôleurs, capteurs d'asservissement (codeurs) et câblage fonctionnent ensemble pour produire un contrôle de mouvement précis en circuit fermé.
- La performance du système dépend de la compatibilité des composants. Une sélection et une intégration adéquates de chaque composant de mouvement permettent d'améliorer la précision, la répétabilité et la fiabilité.
- Les exigences de l'application dictent la sélection du système d'asservissement. Les besoins en matière de charge, de couple, de précision et de coordination déterminent la combinaison adéquate entre le moteur, le variateur et le capteur d'asservissement.
- L'optimisation de l'ensemble du système de mouvement permet de réduire les risques. Une approche globale du système simplifie l'intégration, améliore les performances et accélère la mise en service.
À quoi sert un système d'asservissement ?
Un système d'asservissement (codeur) surveille et corrige en permanence le mouvement du servomoteur afin d'atteindre la position, la vitesse ou le couple commandés avec une grande précision. Lorsque le contrôleur de mouvement ou le servomoteur envoie un signal au moteur pour qu'il se déplace vers une position spécifique, le moteur commence à se déplacer et le codeur indique au contrôleur ou au servomoteur sa position et sa vitesse. Le servocontrôleur ou le servovariateur examine alors l'asservissement et détermine si le moteur a atteint la position commandée. Dans le cas contraire, le dispositif de commande continue d'envoyer des signaux au moteur jusqu'à ce qu'il reçoive confirmation, de la part du codeur, que le moteur a atteint la position souhaitée.
Ce processus de commande de mouvement en boucle fermée fonctionne de manière très similaire aux mécanismes du corps humain : un système de mouvement multiaxial remarquable, composé de centaines de muscles, de multiples capteurs d'asservissement et d'un système de contrôle capable d'effectuer des ajustements rapides. Par exemple, lorsque vous tendez la main pour prendre un verre d'eau, votre cerveau envoie des signaux à vos muscles, tandis que vos yeux et votre sens du toucher fournissent constamment une rétroaction concernant la position du verre et le mouvement de votre main. Sans que vous vous en rendiez compte, votre cerveau effectue d'innombrables ajustements jusqu'à ce que votre main atteigne sa cible. Un système d'asservissement effectue ce même cycle continu de commande, de rétroaction et de correction, mais en quelques millisecondes. Les codeurs industriels modernes utilisent des contrôleurs de pointe, de multiples capteurs d'asservissement et des processeurs haute vitesse pour exécuter ces ajustements avec une précision exceptionnelle.
Quels sont les principaux composants d'un système d'asservissement ?
Chacun des éléments de base d'un système d'asservissement remplit une fonction distincte et interdépendante. Un système d'asservissement typique comprend les éléments suivants :
- servomoteur – Le muscle du système, offert dans différentes technologies : avec ou sans balais, logé ou sans boîtier et linéaire ou rotatif. Le servomoteur produit le couple requis pour accélérer et déplacer la charge ;
- servocontrôleur – Il peut s'agir soit du « cerveau » du système, soit d'une partie de ce « cerveau ». Les servomoteurs simples peuvent réguler le couple et/ou la vitesse, tandis que les servomoteurs plus sophistiqués offrent des fonctionnalités supplémentaires et peuvent être configurés comme positionneurs dotés de capacités de programmation. Un variateur adapté au servomoteur régule la tension et le courant fournis au moteur ;
- module de servocommande – Le « cerveau » du système utilise un environnement de programmation qui offre diverses options de commande de la machine, de gestion des entrées et des sorties, ainsi qu'une interconnexion avec une interface utilisateur graphique. Les servocommandes peuvent être autonomes ou intégrées aux servovariateurs.
- Capteur d'asservissement – Le réseau sensoriel du système, généralement intégré au servomoteur. L'élément de rétroaction peut être un codeur, un résolveur, un capteur d'asservissement linéaire, un tachymètre ou un autre type de capteur. Les systèmes de commande avancés peuvent inclure des formes d'asservissement plus perfectionnées, telles qu'un système de vision.
- câblage – Le système nerveux du système d'asservissement, qui envoie les signaux de rétroaction, de communication et d'alimentation entre le cerveau, les muscles et les sens.
Quel type de dispositif de rétroaction est utilisé dans un système d'asservissement ?
Le dispositif de rétroaction d'un système d'asservissement indique la position du moteur et la vitesse de l'appareil de commande en temps réel, permettant la correction en circuit fermé qui définit la performance d'asservissement. Les capteurs d'asservissement les plus courants sont les codeurs et les résolveurs, tous deux généralement intégrés directement au servomoteur.
Les codeurs (incrémentaux ou absolus) convertissent la position de l'arbre en signaux numériques. Ils sont largement utilisés dans les applications industrielles de contrôle de mouvement. Les résolveurs sont des appareils analogiques appréciés pour leur robustesse dans les environnements difficiles. Les applications plus complexes peuvent intégrer des capteurs d'asservissement linéaires pour la mesure directe de la position linéaire, des tachymètres pour la rétroaction de vitesse ou des systèmes de vision pour une rétroaction spatiale complexe.
Les exigences de précision de l'application déterminent le choix du dispositif d'asservissement. Un asservissement à plus haute résolution permet d'obtenir une précision de positionnement plus précise et des performances de boucle de régulation plus élevées. Pour en savoir plus, consultez notre livre blanc consacré au choix du capteur de position adapté aux servomoteurs.
Comment sélectionner le servomoteur et le variateur adéquats pour votre application ?
Le choix d'un servomoteur et d'un variateur adapté nécessite une analyse structurée des exigences de performance du système. Le couple nécessaire pour accélérer et déplacer la charge détermine la taille du servomoteur, ce qui influence ensuite le choix du variateur. Ce processus présente les critères principaux pour prendre une décision.
1. Définir les exigences en matière de charge et de couple
Calculez les besoins en couple et en inertie de l'application en prenant en compte les accélérations, les décélérations et les charges de fonctionnement en continu. Cela détermine la taille minimale du servomoteur.
2. Déterminer la précision requise, ainsi que les exigences en matière d'asservissement et de sécurité
Les exigences en matière de précision, de performances et de sécurité de l'application déterminent le dispositif d'asservissement nécessaire ainsi que les capacités de sécurité fonctionnelle du système d'entraînement. Les applications de haute précision ont généralement besoin de codeurs absolus haute résolution.
3. Adapter le servovariateur au moteur
Choisissez un variateur adapté à la tension, au courant et à l'interface de communication du moteur. Un variateur et un moteur correctement assortis assurent un contrôle stable en circuit fermé et protègent les deux composants en les empêchant de fonctionner en dehors de leurs paramètres nominaux.
4. Évaluer les besoins en matière de coordination et de contrôle
Le nombre d'axes, le niveau de coordination entre les axes et la vitesse de réponse requise déterminent s'il suffit d'un servomoteur autonome doté d'une fonction de positionnement intégrée ou s'il est nécessaire de recourir à un servocontrôleur dédié.
5. Vérifier le câblage et l'intégration du système
Assurez-vous que les câbles d'asservissement, de communication et d'alimentation sont adaptés à l'environnement et à l'architecture du système. Le câblage constitue le système nerveux du capteur d'asservissement. Les câbles trop petits ou incompatibles peuvent entraîner des erreurs de signal qui nuisent aux performances.
Prochaine étape : démarrer le processus de sélection
Coordonner tous ces éléments peut s'avérer être une tâche considérable. Si vous cherchez à sélectionner un système d'asservissement pour la conception d'une nouvelle machine, laissez les experts du contrôle de mouvement de Kollmorgen vous aider à identifier la combinaison idéale pour les besoins de votre application.
Vous pouvez également approfondir chaque étape du processus grâce à ces ressources complémentaires :
- Comment choisir un servomoteur ? – découvrez comment des facteurs tels que le couple, la vitesse, l'inertie, les dimensions physiques et les conditions ambiantes influencent le choix d'un moteur ;
- Comment choisir un servovariateur ? – comprenez comment la tension, le courant, les options d'asservissement et les protocoles de communication déterminent le variateur le mieux adapté à votre application ;
- Mise en route : dimensionner et sélectionner les éléments du système d'asservissement – explorez une approche au niveau du système concernant le dimensionnement des moteurs, des variateurs, des appareils de rétroaction et des câbles pour une performance optimale de la machine.
- Sélection des câbles appropriés pour votre moteur pas-à-pas ou votre servomécanisme – découvrez comment la conception des câbles, le blindage et les conditions ambiantes influent sur l'intégrité du signal, la fiabilité et les performances globales du système.
Foire aux questions
Quelle est la différence entre un système d'asservissement et un système de mouvement en circuit ouvert ?
Un système asservi utilise un asservissement en boucle fermée pour surveiller et corriger en permanence la position, la vitesse ou le couple du moteur, tandis qu'un système en boucle ouverte fonctionne sans vérifier le mouvement réel. Les systèmes asservis, qui détectent et corrigent les erreurs en temps réel, offrent une plus grande précision, de meilleures performances dynamiques et un fonctionnement plus fiable dans les applications de contrôle de mouvement les plus exigeantes.
Quelle est la différence entre un servovariateur et un servocontrôleur ?
Un servovariateur régule la tension et le courant envoyés au servomoteur, tandis qu'un servocontrôleur gère les fonctions de niveau supérieur de la machine, telles que le séquençage des mouvements, la coordination et les E/S. Certains servovariateurs avancés combinent les deux fonctions, alors que d'autres nécessitent un contrôleur distinct. En savoir plus sur les différences entre les servovariateurs et les contrôleurs de mouvement.
Un servovariateur peut-il fonctionner comme un servocontrôleur ?
Les servovariateurs de niveau supérieur peuvent intégrer des capacités de positionnement et de programmation, ce qui leur permet de fonctionner comme un variateur et un contrôleur combinés pour les applications à un ou plusieurs axes sans contrôleur de mouvement distinct. Toutefois, dans le cas des machines complexes qui requièrent un mouvement coordonné sur plusieurs axes, des contrôleurs de servomoteur dédiés offrent une gestion plus complète des E/S, des environnements de programmation et des interfaces utilisateur graphiques, ce qui n'est pas le cas des servovariateurs autonomes.
Comment le codeur affecte-t-il la performance du système d'asservissement ?
Le capteur d'asservissement influe directement sur la précision de positionnement et la réponse dynamique du système d'asservissement. Une résolution d'asservissement plus élevée permet d'obtenir des boucles de régulation plus serrées et une plus grande précision de mouvement. Les codeurs et les résolveurs sont les dispositifs d'asservissement les plus courants dans les servosystèmes industriels, mais certaines applications nécessitant une précision extrême ou soumises à des contraintes environnementales particulières peuvent requérir l'utilisation de codeurs linéaires, de tachymètres ou de systèmes de vision pour atteindre les performances requises.
