Réglage en position

Sur le plan fonctionnel, un entraînement réglé en position ou en vitesse à besoin de fonctions de commande et de régulation spécifiques, en plus de l’amplificateur et du servomoteur.

Figure 5-1 Découpe fonctionnelle d’un entraînement réglé.

Comme le montre la figure ci-dessus, ces fonctions sont les suivantes:

• La commande assume les choix et les prises de décision automatiques nécessaires pour le fonctionne-ment de la machine. Cette fonction est souvent assumée par la commande numérique (CNC – Compu-terized Numerical Control) ou par l’automate programmable (PLC – Programmable Logical Control).

Plusieurs servo-amplificateurs du marché intègrent également ces fonctions, permettant de commander une petite machine ou la partie d’une machine avec un minimum de composants supplémentaires.

Choix, décisions

Calcul des trajectoires

Réglage position

Amplificateur avec réglage de couple

Moteur Capt.

ordres (évènements)

consigne position (cyclique)

consigne couple (cyclique)

En ce qui concerne le fonctionnement des entraînements, la commande assume les prises de décisions :

− quel mouvement doit être entrepris ;

− à quel instant il doit être démarré ;

− ses caractéristiques (vitesse max., durée, profil, etc.) ;

− ce qui doit se passer lorsque le mouvement est terminé, ou à certaines étapes du mouvement ;

− ce qui doit se passer en cas de panne.

La rapidité de traitement de la commande est généralement comprise entre 1 ms et 100 ms.

• Le calculateur de trajectoires est généralement intégré à la CNC ou au PLC, voire au servo-amplificateur. Son rôle consiste à décomposer le mouvement demandé par la commande en une succes-sion de petits mouvements, ceux-ci se succédant sans à-coup de vitesse. Mathématiquement, on peut comparer ce rôle à l’échantillonnage d’une courbe continue temps-position, à intervalles de temps cons-tants, par exemple toutes les millisecondes.

Figure 5-2 Calcul de trajectoire pour une table X-Y interpolée de découpe au Laser, parcourant une trajectoire en forme de rectangle arrondi aux extrémités.

Dans le cas d’axes interpolés (comme dans les machines-outils), le calculateur de trajectoire assume la décomposition du mouvement sur chacun des entraînements concernés. Ainsi, dans l’exemple de la Fi-gure 5-2 :

− px et py représentent la position dans le plan X-Y ;

− la flèche indique le sens dans lequel la forme doit être parcourue ;

− vs représente la vitesse curviligne souhaitée, aussi élevée que possible mais respectant les limites d’accélération dans les arrondis.

À partir de la trajectoire dans le plan X-Y et de la vitesse curviligne, le calculateur de trajectoires déter-mine une courbe temps-position pour chacun des axes X et Y, pris séparément. Ensuite, il échantillonne ces positions à intervalles constants.

Le cycle d’échantillonnage est généralement compris entre 50 μs et 10 ms. Il est impératif qu’il soit constant, et que les échantillonnages soient réalisés simultanément sur chacun des axes X et Y.

• Le régulateur de position et de vitesse reçoit à chaque cycle la position déterminée par le calculateur de trajectoires, et la considère comme valeur de consigne de position. Il reçoit également la position mesu-rée à l’aide d’un capteur, sur le moteur ou sur la machine. Comparant à chaque cycle la valeur de con-signe et la valeur mesurée, il détermine la valeur de concon-signe du couple que doit fournir le moteur.

py

L’algorithme de régulation doit tenir compte de la double intégration du système à régler (le couple dé-termine l’accélération, qui doit être intégrée deux fois pour parvenir à la position). Un régulateur PID correctement ajusté est adéquat. Toutefois, les régulateurs intégrés aux servo-amplificateurs actuels comportent plus généralement deux régulateurs imbriqués, soit un régulateur de position qui détermine une consigne de vitesse, puis un régulateur de vitesse qui détermine la consigne de couple. Leurs sys-tèmes à régler ne comportant qu’une seule intégration, des régulateurs P ou PI sont suffisants et sont fa-ciles à ajuster.

Figure 5-3 Régulation position-vitesse-couple typique de la plupart des entraînements.

(La mesure de vitesse est calculée par dérivation de la mesure de position.)

Dans une telle structure de régulateurs imbriqués, il est d’usage de les faire travailler à des temps de cycles différents. Par exemple, la boucle de courant fonctionnera à 16 kHz (cycles de 62,5 μs), celle de vitesse fonctionnera à 4 kHz (cycles de 250 μs), et celle de position à 1 kHz (cycles de 1 ms).

• L’amplificateur avec réglage de couple comporte l’amplification proprement dite, basée sur le principe du découpage. Il comprend également le réglage de couple, celui-ci étant mesuré indirectement par la mesure du courant circulant dans le moteur. Comparant la valeur de consigne du couple, reçue du régula-teur de position et de vitesse, avec la mesure du courant, et tenant compte de la constante de couple du moteur, il détermine le taux d’enclenchement δ du découpage. Comme la tension du bus DC est ap-proximativement constante, il détermine ainsi la valeur de la tension moyenne appliquée au moteur.

L’algorithme de régulation est généralement de type PI, la composante intégrale étant nécessaire pour compenser l’effet dérivateur de la tension induite. L’ajustage de ce régulateur est généralement proposé par le fournisseur du servo-amplificateur, tenant compte des caractéristiques du servomoteur associé.

Grâce à cette structure incorporant une régulation du couple, il est possible de limiter le couple produit par le moteur en fonction des limites acceptables pour la mécanique entraînée. Si le moteur était réglé di-rectement en vitesse par l’intermédiaire de sa tension, et comme la résistance du moteur est généralement faible, il suffirait d’une petite variation de couple résistant pour faire apparaître des courants de 10 à 100 fois supérieurs au courant nominal.

Si le moteur est triphasé, synchrone ou asynchrone, la régulation de couple est un peu plus compliquée, et fait appel au réglage vectoriel. Comme expliqué au chapitre 3.3.6, l’amplificateur utilise aussi la me-sure de la position du rotor du moteur. Connaissant la consigne de couple et cette position, il détermine l’amplitude et l’angle du vecteur courant de consigne. Mesurant les courants de phase, l’appareil déter-mine l’amplitude et l’angle du vecteur courant mesuré. Après comparaison de ces deux vecteurs, le régu-lateur détermine l’angle et l’amplitude de la tension qui doit être appliquée au moteur, puis le taux d’enclenchement de chacune des 3 branches du pont triphasé.

• Le capteur de position est généralement monté directement sur l’arbre du moteur, à l’opposé de son arbre. Dans les machines de haute précision où le moteur entraîne un élément de manière linéaire par l’intermédiaire d’une vis à bille, il est souvent nécessaire d’ajouter un 2^ème capteur de position, généra-lement sous la forme d’une règle de mesure linéaire. Dans certains cas, seul ce capteur est utilisé, et le moteur est dépourvu de capteur.