Contrôle du servomoteur et fonction détaillée

servomoteur CA
ser­vo­mo­teur CA
Les ser­vo­mo­teurs sont util­isés par exem­ple pour les machines de pro­duc­tion, les robots indus­triels et les machines-out­ils. Toutes ces appli­ca­tions se car­ac­térisent par le fait que les mou­ve­ments sont exé­cutés de manière très dynamique. La pièce à usin­er ou le pro­duit peut ain­si être fab­riqué rapi­de­ment. Les ser­vo­mo­teurs sont égale­ment util­isés pour leur grande pré­ci­sion de régu­la­tion, car la pré­ci­sion de la posi­tion et de la vitesse a un impact direct sur la qual­ité de la pièce. 

Avantages des servomoteurs

Les ser­vo­mo­teurs sont des moteurs à courant alter­natif, ils peu­vent donc être des moteurs asyn­chrones, mais aus­si des moteurs syn­chrones, dont font bien sûr par­tie les moteurs BLDC. En règle générale, on utilise des moteurs syn­chrones avec des aimants per­ma­nents. En effet, par rap­port aux moteurs asyn­chrones, ceux-ci peu­vent génér­er un cou­ple plus élevé dans la plage de vitesse inférieure, pour une taille iden­tique et un courant de phase plus faible. Grâce à ce cou­ple plus élevé, un robot peut par exem­ple déplac­er un paquet plus rapi­de­ment de A vers B. On par­le aus­si sou­vent de ser­vo­mo­teurs C.C., mais ceux-ci ne sont générale­ment que des ser­vo­mo­teurs C.C. sans bal­ais, c’est-à-dire en fait des moteurs BLDC. Il existe égale­ment des ser­vos RC pour les voitures, les bateaux et les avions télé­com­mandés, mais ceux-ci ne con­ti­en­nent générale­ment qu’un sim­ple moteur à courant continu.

Vidéo sur les servomoteurs

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Système d’entraînement avec servomoteur

Un ser­vo­mo­teur est tou­jours une par­tie d’un sys­tème d’en­traîne­ment élec­trique asservi, qui se com­pose d’un ser­vo­mo­teur, d’un vari­a­teur et d’un cap­teur de posi­tion. Le vari­a­teur est sou­vent appelé élec­tron­ique de puis­sance, ser­vo-régu­la­teur ou sim­ple­ment régu­la­teur. Afin de pou­voir com­man­der très pré­cisé­ment la posi­tion et la vitesse, les cap­teurs de posi­tion ont une grande pré­ci­sion. En com­para­i­son, les moteurs élec­triques pour les ven­ti­la­teurs ou les pom­pes à eau n’ont que des cap­teurs à effet Hall ou sont même util­isés sans cap­teurs. Sou­vent, le sys­tème d’en­traîne­ment se com­pose égale­ment d’un engrenage afin d’aug­menter le cou­ple ou de trans­former un mou­ve­ment de rota­tion en mou­ve­ment de translation. 
structure du système d'entraînement avec servomoteur
struc­ture du sys­tème d’en­traîne­ment avec servomoteur

Structure et fonction des servomoteurs

Quelle est la dif­férence entre un ser­vo­mo­teur et un moteur pour une pompe à eau ou un moteur élec­trique pour une voiture élec­trique ? Pour con­trôler à la fois la vitesse et la posi­tion, une grande pré­ci­sion de cou­ple est néces­saire, ce qui peut être obtenu au mieux avec des aimants extérieurs sur le rotor. Les moteurs élec­triques à aimants extérieurs sont égale­ment appelés SPMSM. Les aimants sont aus­si sou­vent légère­ment décalés les uns par rap­port aux autres afin de ren­dre la courbe de cou­ple plus lisse et d’amélior­er ain­si la régu­la­tion douce de la vitesse. Pour une bonne régu­la­tion du cou­ple, de nom­breux pôles mag­né­tiques sont util­isés dans le rotor, ce qui con­fère à la con­tre-CEM plus d’oscil­la­tions sinu­soï­dales par tour et réduit l’on­du­la­tion du cou­ple. Plus de pôles mag­né­tiques ont l’a­van­tage sup­plé­men­taire d’aug­menter la den­sité de cou­ple du moteur, ce qui améliore son com­porte­ment dynamique. Comme les ser­vo­mo­teurs fonc­tion­nent en alter­nance, ils ne dis­posent que très rarement d’un ven­ti­la­teur ou d’un refroidisse­ment par eau. Un refroidisse­ment sup­plé­men­taire aug­menterait certes la den­sité de puis­sance, mais pas la den­sité de cou­ple, qui est plus impor­tante pour les ser­vo­mo­teurs. Au lieu de cela, les ser­vo­mo­teurs n’ont que des ailettes de refroidisse­ment. Le cap­teur de posi­tion, qui peut être optique, mag­né­tique ou induc­tif, se trou­ve à l’ar­rière. Comme le cap­teur est placé à l’ar­rière du ser­vo­mo­teur, on a sou­vent l’im­pres­sion que le ser­vo­mo­teur a deux con­nex­ions, mais la deux­ième con­nex­ion n’est générale­ment que la prise pour le cap­teur. Il existe égale­ment des ser­vo­mo­teurs dans lesquels le vari­a­teur est mon­té directe­ment sur le boîti­er du moteur ou der­rière le cap­teur. Toute­fois, de tels ser­vo­drivers sont générale­ment util­isés pour des puis­sances plus faibles.

servomoteur avec capteur
ser­vo­mo­teur avec capteur

Commande de servomoteurs

Un ser­vo­mo­teur n’est donc pas si dif­férent d’un moteur élec­trique pour une pompe à eau. En rai­son des nom­breux pôles mag­né­tiques, il faut non seule­ment un cap­teur avec une haute réso­lu­tion, mais aus­si un ser­vo-régu­la­teur avec un traite­ment très rapi­de des sig­naux du cap­teur et une bonne régu­la­tion. La com­mande d’un ser­vo­mo­teur s’ef­fectue via un régu­la­teur en cas­cade. Dans la cas­cade extérieure, la posi­tion est régulée, la posi­tion de con­signe peut provenir d’une com­mande API via un sys­tème de bus ou d’une entrée analogique sur le vari­a­teur ou le ser­vo-régu­la­teur. Dans la cas­cade cen­trale, on régule la vitesse, qui doit être plus rapi­de que la posi­tion de régu­la­tion. La vitesse réelle du ser­vo­mo­teur est cal­culée à par­tir de la dérivée pre­mière du sig­nal de posi­tion. Dans la cas­cade inférieure, le courant est régulé. En général, on utilise pour cela un FOC, qui per­met de réguler les courants alter­nat­ifs avec un sim­ple régu­la­teur PID.

contrôle servomoteur
con­trôle servomoteur