Entraînement direct ou servomoteur rotatif à engrenages : une quantification de l'avantage de la conception : partie 1

Objectifs d'apprentissage

• Les systèmes d'asservissement rotatifs réels ne parviennent pas à atteindre les performances idéales en raison de limitations techniques.
• Plusieurs types de servomoteurs rotatifs peuvent offrir des avantages aux utilisateurs, mais chacun présente un défi ou une limite spécifique.
• Les servomoteurs rotatifs à entraînement direct offrent les meilleures performances, mais ils sont plus chers que les motoréducteurs.

Depuis des décennies, les servomoteurs à engrenages constituent l'un des outils les plus courants dans la boîte à outils de l'automatisation industrielle. Les sévromoteurs à engrenages offrent des applications de positionnement, d'adaptation de vitesse, de came électronique, d'enroulement, de tension et de serrage et adaptent efficacement la puissance d'un servomoteur à la charge. Cela soulève la question : un servomoteur à engrenages est-il la meilleure option pour la technologie du mouvement rotatif, ou existe-t-il une meilleure solution ?

Dans un monde parfait, un système d'asservissement rotatif aurait des valeurs nominales de couple et de vitesse adaptées à l'application, de sorte que le moteur ne soit ni surdimensionné ni sous-dimensionné. La combinaison du moteur, des éléments de transmission et de la charge doit avoir une rigidité en torsion infinie et un jeu nul. Malheureusement, les systèmes d'asservissement rotatifs réels ne parviennent pas à atteindre cet idéal à des degrés divers.

Dans un système d'asservissement typique, le jeu est défini comme la perte de mouvement entre le moteur et la charge provoquée par les tolérances mécaniques des éléments de transmission ; cela inclut toute perte de mouvement dans les boîtes de vitesses, les courroies, les chaînes et les accouplements. Lorsqu'une machine est initialement mise sous tension, la charge flottera quelque part au milieu des tolérances mécaniques (Figure 1A).

Avant que la charge elle-même puisse être déplacée par le moteur, celui-ci doit tourner pour rattraper tout le jeu existant dans les éléments de transmission (Figure 1B). Lorsque le moteur commence à décélérer à la fin d'un mouvement, la position de la charge peut en fait dépasser la position du moteur car l'élan transporte la charge au-delà de la position du moteur.

Le moteur doit à nouveau reprendre le jeu dans la direction opposée avant d'appliquer un couple à la charge pour la décélérer (Figure 1C). Cette perte de mouvement est appelée jeu et est généralement mesurée en minutes d'arc, égale à 1/60ème de degré. Les réducteurs conçus pour être utilisés avec des servos dans des applications industrielles ont souvent des spécifications de jeu allant de 3 à 9 minutes d'arc.

La rigidité en torsion est la résistance à la torsion de l'arbre du moteur, des éléments de transmission et de la charge en réponse à l'application d'un couple. Un système infiniment rigide transmettrait le couple à la charge sans déviation angulaire autour de l'axe de rotation ; cependant, même un arbre en acier massif se tordra légèrement sous une charge importante. L'ampleur de la déflexion varie en fonction du couple appliqué, du matériau des éléments de transmission et de leur forme ; intuitivement, les pièces longues et fines se tordront plus que les pièces courtes et grasses. Cette résistance à la torsion est ce qui fait fonctionner les ressorts hélicoïdaux, car la compression du ressort tord légèrement chaque tour du fil ; un fil plus gros donne un ressort plus rigide. Toute rigidité en torsion inférieure à une rigidité infinie fait que le système agit comme un ressort, ce qui signifie que l'énergie potentielle sera stockée dans le système lorsque la charge résiste à la rotation.

Lorsqu'ils sont combinés, une rigidité de torsion limitée et un jeu peuvent dégrader considérablement les performances d'un système d'asservissement. Le jeu peut introduire une incertitude, car l'encodeur du moteur indique la position de l'arbre du moteur, et non l'endroit où le jeu a permis à la charge de se stabiliser. Le jeu introduit également des problèmes de réglage lorsque la charge se couple et se découple brièvement du moteur lorsque la charge et le moteur inversent la direction relative. En plus du jeu, la rigidité de torsion finie stocke de l'énergie en convertissant une partie de l'énergie cinétique du moteur et de la charge en énergie potentielle, pour la libérer plus tard. Cette libération d'énergie retardée provoque une oscillation de la charge, induit une résonance, réduit les gains de réglage maximaux utilisables et a un impact négatif sur la réactivité et le temps de stabilisation du système d'asservissement. Dans tous les cas, réduire le jeu et augmenter la rigidité d'un système augmentera les performances du servo et simplifiera le réglage.

Configurations de servomoteurs d'axe rotatif

La configuration d'axe rotatif la plus courante est un servomoteur rotatif avec un encodeur intégré pour le retour de position et une boîte de vitesses pour adapter le couple et la vitesse disponibles du moteur au couple et à la vitesse requis de la charge. La boîte de vitesses est un dispositif à puissance constante qui est l’analogue mécanique d’un transformateur pour l’adaptation de charge.

Une configuration matérielle améliorée utilise un servomoteur rotatif à entraînement direct, qui élimine les éléments de transmission en couplant directement la charge au moteur. Alors que la configuration du motoréducteur utilise un accouplement à un arbre de diamètre relativement petit, le système d'entraînement direct boulonne la charge directement sur une bride de rotor beaucoup plus grande. Cette configuration élimine le jeu et augmente considérablement la rigidité en torsion. Le nombre de pôles plus élevé et les enroulements à couple élevé des moteurs à entraînement direct correspondent aux caractéristiques de couple et de vitesse d'un motoréducteur avec un rapport de 10:1 ou plus.