Servomoteur rotatif à entraînement direct ou à engrenages : quantification des avantages de 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 limitation 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 comptent parmi les outils les plus courants de l'automatisation industrielle. Ils offrent des applications de positionnement, d'adaptation de vitesse, de came électronique, de bobinage, de tension et de serrage, et adaptent efficacement la puissance du servomoteur à la charge. Cela soulève la question suivante : le servomoteur à engrenages est-il la meilleure option pour la technologie des mouvements rotatifs, ou existe-t-il une meilleure solution ?

Dans un monde idéal, un système servo rotatif devrait avoir un couple et une vitesse adaptés à l'application, de sorte que le moteur ne soit ni surdimensionné ni sous-dimensionné. L'ensemble moteur, éléments de transmission et charge devrait présenter une rigidité torsionnelle infinie et un jeu nul. Malheureusement, les systèmes servo rotatifs réels sont loin d'atteindre cet idéal à des degrés divers.

Dans un système servo classique, le jeu est défini comme la perte de mouvement entre le moteur et la charge causée par les tolérances mécaniques des éléments de transmission ; cela inclut toute perte de mouvement au niveau des réducteurs, des courroies, des chaînes et des accouplements. À la mise sous tension initiale d'une machine, la charge se situera entre les tolérances mécaniques (figure 1A).

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

Le moteur doit à nouveau rattraper 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 d'engrènement et se mesure généralement en minutes d'arc, soit 1/60e de degré. Les réducteurs conçus pour les servomoteurs industriels ont souvent des spécifications de jeu d'engrènement comprises entre 3 et 9 minutes d'arc.

La rigidité en torsion est la résistance à la torsion de l'arbre 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'amplitude de la déviation varie en fonction du couple appliqué, du matériau des éléments de transmission et de leur forme ; intuitivement, les pièces longues et fines se tordent davantage que les pièces courtes et épaisses. Cette résistance à la torsion est à l'origine du fonctionnement des ressorts hélicoïdaux : la compression du ressort tord légèrement chaque tour de fil ; un fil plus épais rend le ressort plus rigide. Une rigidité en torsion inférieure à l'infinie fait que le système agit comme un ressort, ce qui signifie que l'énergie potentielle est stockée dans le système lorsque la charge résiste à la rotation.

Combinés, la rigidité en torsion finie et le jeu peuvent dégrader considérablement les performances d'un système servo. Le jeu peut introduire une incertitude, car le codeur 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 engendre également des problèmes de réglage, car la charge se couple et se découple brièvement du moteur lorsque la charge et le moteur inversent leur sens de rotation. Outre le jeu, la rigidité en torsion finie stocke l'énergie en convertissant une partie de l'énergie cinétique du moteur et de la charge en énergie potentielle, qu'elle restitue ultérieurement. Cette libération d'énergie retardée provoque des oscillations de la charge, induit une résonance, réduit les gains de réglage maximaux utilisables et impacte négativement la réactivité et le temps de stabilisation du système servo. Dans tous les cas, réduire le jeu et augmenter la rigidité d'un système améliore les performances du servo et simplifie le réglage.

Configurations de servomoteurs à axe rotatif

La configuration d'axe rotatif la plus courante est un servomoteur rotatif avec codeur intégré pour le retour de position et un réducteur pour adapter le couple et la vitesse disponibles du moteur à ceux requis par la charge. Le réducteur est un dispositif à puissance constante, analogue mécanique d'un transformateur pour l'adaptation de la 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 motoréducteur utilise un accouplement sur un arbre de diamètre relativement petit, le système à 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 supérieur.