Pour automatiser des machines qui ne nécessitent que deux à trois axes d'actionneurs électriques, les sorties d'impulsions peuvent être la solution la plus simple.

Utiliser les sorties d'impulsions d'un automate programmable industriel (API) est un moyen économique d'obtenir un mouvement simple. La plupart des fabricants d'API, voire tous, proposent un moyen de contrôler les servomoteurs et les moteurs pas à pas à l'aide d'un signal de train d'impulsions. Ainsi, lorsqu'une machine simple doit être automatisée sur seulement deux ou trois axes par des actionneurs électriques, les sorties d'impulsions peuvent être beaucoup plus faciles à configurer, à câbler et à programmer que les signaux analogiques. Elles peuvent également être moins coûteuses que l'utilisation d'un système de mouvement en réseau, comme Ethernet/IP.

Examinons maintenant le contrôle d'un moteur pas à pas ou d'un servo avec un pilote ou un amplificateur entre le contrôleur et le moteur, en mettant l'accent sur les signaux d'impulsion utilisés par le contrôleur ou l'indexeur.

Notions de base sur le train d'impulsions

Les moteurs pas à pas et les servomoteurs à commande par impulsions peuvent tourner dans les deux sens. Un contrôleur doit donc fournir au moins deux signaux de commande au variateur. Il existe deux façons de fournir ces signaux, et les fabricants les appellent différemment. Il existe deux façons courantes de désigner les deux schémas de signaux de commande utilisés : le « mode 1P », aussi appelé « mode pas/direction », et le « mode 2P », aussi appelé « mode CW/CCW » ou « mode horaire/antihoraire ». Ces deux modes nécessitent deux signaux de commande du contrôleur au variateur.

En mode monophasé, un signal de commande est un train d'impulsions, ou signal « pas ». L'autre signal est une entrée directionnelle. Si l'entrée directionnelle est activée et qu'un signal pulsé est présent sur l'entrée pas, le moteur tourne dans le sens horaire. Inversement, si le signal de direction est désactivé et qu'un signal pulsé est présent sur l'entrée pas, le moteur tourne dans l'autre sens, ou sens antihoraire. Le train d'impulsions est toujours sur la même entrée, quel que soit le sens souhaité.

En mode 2P, les deux signaux forment un train d'impulsions. Une seule entrée à la fois possède une fréquence. Ainsi, si le train d'impulsions est présent, le moteur tourne dans le sens horaire. Si le train d'impulsions est présent, le moteur tourne dans le sens antihoraire. L'entrée qui reçoit le train d'impulsions dépend du sens souhaité.

Les impulsions émises par le contrôleur entraînent le moteur. Le moteur tourne d'une unité incrémentale pour chaque impulsion sur l'entrée d'impulsion du variateur. Par exemple, si un moteur pas à pas biphasé a 200 impulsions par tour (ppr), une impulsion fait tourner le moteur de 1/200 de tour, soit 1,8 degré, et 200 impulsions font tourner le moteur d'un tour.

Bien sûr, les moteurs ont des résolutions différentes. Les moteurs pas à pas peuvent être micro-pas, ce qui leur confère plusieurs milliers d'impulsions par tour. De plus, les servomoteurs ont généralement une résolution minimale de plusieurs milliers d'impulsions par tour. Quelle que soit la résolution du moteur, une impulsion provenant du contrôleur ou de l'indexeur ne lui fait tourner qu'une seule unité incrémentale.

La vitesse de rotation d'un moteur dépend de la fréquence des impulsions, ou vitesse. Plus les impulsions sont rapides, plus le moteur tourne vite. Dans l'exemple ci-dessus, avec un moteur de 200 ppr, une fréquence de 200 impulsions par seconde (pps) entraînerait une rotation par seconde (trs), soit 60 rotations par minute (tr/min). Plus le nombre d'impulsions nécessaires pour faire tourner le moteur d'un tour (ppr) est élevé, plus les impulsions doivent être rapides pour obtenir la même vitesse. Par exemple, un moteur de 1 000 ppr devrait avoir une fréquence d'impulsions deux fois supérieure à celle d'un moteur de 200 ppr pour atteindre la même vitesse. Le calcul est assez simple :

rps = pps/ppr (rotations par seconde = impulsions par seconde/impulsions par rotation)

tr/min = rps(60)

Contrôler les impulsions

La plupart des contrôleurs disposent d'une méthode permettant de déterminer si le moteur doit tourner dans le sens horaire ou antihoraire et contrôlent les signaux en conséquence. Autrement dit, le programmeur n'a généralement pas besoin de déterminer les sorties à activer. Par exemple, de nombreux automates programmables (API) disposent de fonctions de contrôle de mouvement par signal impulsionnel, qui contrôlent automatiquement les sorties pour obtenir le bon sens de rotation, que le contrôleur soit configuré en mode monophasé ou biphasé.

Prenons deux mouvements comme exemple simple. Chaque mouvement représente 1 000 impulsions. L'une est dans le sens positif, l'autre dans le sens négatif. Le contrôleur active les sorties appropriées, qu'elles soient monophasées ou biphasées, pour faire tourner le moteur dans le sens positif (généralement horaire) lorsque le nombre d'impulsions commandé est de 1 000. En revanche, si un programme commande -1 000 impulsions, le contrôleur active les sorties appropriées pour le mouvement dans le sens négatif (généralement antihoraire). Par conséquent, le programmeur n'a pas besoin de contrôler le sens de rotation du moteur en utilisant du code pour sélectionner les sorties à utiliser. Le contrôleur s'en charge automatiquement.

Les contrôleurs et les pilotes permettent généralement de sélectionner le type d'impulsion, soit par commutateur DIP, soit par logiciel. Il est important de s'assurer que le contrôleur et le pilote sont configurés de la même manière. Dans le cas contraire, le fonctionnement risque d'être irrégulier, voire inexistant.

Mouvements absolus et incrémentiels

Les deux commandes de mouvement les plus courantes en programmation de contrôle de mouvement sont les commandes incrémentales et les commandes absolues. Le concept de mouvements absolus et incrémentaux est source de confusion pour de nombreux utilisateurs, quelle que soit la méthode de contrôle du moteur utilisée. Cependant, cette information s'applique que le moteur soit contrôlé par impulsions, par un signal analogique ou par un réseau comme Ethernet/IP ou Ethercat.

Premièrement, si un moteur est équipé d'un encodeur, ses types de mouvements n'ont aucun rapport avec ce type d'encodeur. Deuxièmement, les mouvements absolus et incrémentaux peuvent être effectués avec ou sans encodeur.

Lorsqu'un moteur déplace un axe linéaire, comme un actionneur à vis à billes, il existe (évidemment) une distance finie entre les extrémités de l'actionneur. Autrement dit, si le chariot se trouve à une extrémité de l'actionneur, le moteur ne peut tourner que jusqu'à ce que le chariot atteigne l'extrémité opposée. C'est la longueur de course. Par exemple, sur un actionneur de 200 mm de course, une extrémité correspond généralement à la position zéro ou position de repos.

Un déplacement absolu transporte le chariot jusqu'à la position commandée, quelle que soit sa position actuelle. Par exemple, si la position actuelle est zéro et que le déplacement commandé est de 100 mm, le contrôleur envoie suffisamment d'impulsions pour déplacer l'actionneur jusqu'à la marque de 100 mm et l'arrêter.

Mais si la position actuelle de l'actionneur était de 150 mm, un déplacement absolu de 100 mm obligerait le contrôleur à envoyer des impulsions dans la direction négative pour déplacer l'actionneur vers l'arrière de 50 mm et s'arrêter à la position de 100 mm.

Utilisations pratiques

Le problème le plus courant avec la commande par impulsions réside dans le câblage. Les signaux sont souvent inversés par inadvertance. En mode 2P, cela signifie que la sortie CCW est connectée à l'entrée CW et inversement. En mode 1P, cela signifie que la sortie du signal d'impulsion est connectée à l'entrée de direction, et que la sortie du signal de direction est connectée à l'entrée d'impulsion.

En mode 2P, cette erreur de câblage fait tourner le moteur dans le sens horaire lorsqu'il reçoit une commande de rotation antihoraire, et dans le sens antihoraire lorsqu'il reçoit une commande de rotation antihoraire. En mode 1P, le problème est plus difficile à diagnostiquer. Si les signaux sont inversés, le contrôleur envoie un train d'impulsions à l'entrée de direction, ce qui n'a aucun effet. Il envoie également un changement de direction (activation ou désactivation du signal selon le sens) à l'entrée de pas, ce qui peut entraîner une rotation du moteur. Une impulsion de mouvement est généralement difficile à détecter.

L'utilisation du mode 2P facilite le dépannage et est généralement plus facile à comprendre pour ceux qui n'ont pas beaucoup d'expérience dans ce type de contrôle de mouvement.

Voici une méthode pour minimiser le temps consacré au dépannage des axes d'impulsions et de direction. Elle permet aux ingénieurs de se concentrer sur une seule tâche à la fois. Cela devrait vous éviter de passer des jours à essayer de déterminer l'erreur de câblage qui empêche le mouvement, pour finalement découvrir que la fonction de sortie d'impulsions est mal configurée dans l'automate et que vous n'avez jamais émis d'impulsions.

1. Déterminez le mode d’impulsion à utiliser et utilisez le même mode pour tous les axes.

2. Réglez le contrôleur sur le mode approprié.

3. Réglez le lecteur sur le mode approprié.

4. Créez le programme le plus simple dans votre contrôleur (généralement une fonction jog) afin que le moteur puisse être commandé pour tourner dans un sens ou dans l'autre à une vitesse lente.

5. Commandez un mouvement CW et surveillez les statuts du contrôleur pour indiquer que des impulsions sont émises.

Il peut s'agir de LED sur les sorties du contrôleur ou d'indicateurs d'état, comme l'indicateur d'activité de l'automate. Le compteur d'impulsions du contrôleur peut également être surveillé pour vérifier l'évolution de sa valeur.

–Le moteur n’a pas besoin d’être connecté aux impulsions de sortie.

6. Répétez le test dans le sens antihoraire.

7. Si l'émission d'impulsions dans les deux sens est réussie, passez à la suite. Sinon, il faut d'abord comprendre la programmation.

8. Connectez le contrôleur au pilote.

9. Faites tourner le moteur dans un sens. Si cela fonctionne, passez à l'étape 10. Sinon, vérifiez le câblage.

10. Faites tourner le moteur dans le sens inverse. Si cela fonctionne, vous avez réussi. Sinon, vérifiez le câblage.

De nombreuses heures ont été gaspillées lors de cette première phase, car la fréquence d'impulsion est suffisamment basse pour faire tourner le moteur extrêmement lentement, de l'ordre de 1/100 tr/s. Si la seule façon de savoir si le moteur fonctionne est d'observer l'arbre du moteur, il pourrait sembler ne pas tourner à basse vitesse, ce qui pourrait laisser penser qu'il ne produit pas d'impulsions. Il est préférable de calculer une vitesse de sécurité en fonction de la résolution du moteur et des paramètres d'application avant de définir la vitesse pour le test. Certains pensent pouvoir définir une vitesse utilisable au jugé. Mais si le moteur nécessite 10 000 impulsions pour effectuer un tour et que la fréquence d'impulsion est fixée à 1 000 pps, il lui faudra 10 secondes pour effectuer un tour. Inversement, si le moteur nécessite 1 000 impulsions pour effectuer un tour et que la fréquence d'impulsion est fixée à 1 000, il effectuera un tour par seconde, soit 60 tr/min. Cette vitesse peut être trop rapide pour le test si le moteur est fixé à une charge, comme un actionneur à vis à billes avec une course de mouvement limitée. Il est essentiel de surveiller les indicateurs qui révèlent que des impulsions sont émises (LED ou compteur d'impulsions).

Calculs pour application pratique

Les utilisateurs se retrouvent souvent avec des IHM affichant la distance et la vitesse de la machine en unités d'impulsions plutôt qu'en unités techniques comme les millimètres. Souvent, le programmeur est pressé de faire fonctionner la machine et ne prend pas le temps de déterminer les unités de la machine et de les convertir en unités techniques. Voici quelques conseils pour vous aider.

Si vous connaissez la résolution du pas du moteur (impulsions par tour) et le mouvement effectué par tour du moteur (mm), la constante d'impulsion de commande est calculée comme résolution/distance par tour, ou impulsions par tour/distance par tour.

La constante peut aider à trouver combien d’impulsions sont nécessaires pour parcourir une distance spécifique :

Position actuelle (ou distance) = nombre d'impulsions/constante des impulsions de commande.

Pour convertir des unités techniques en impulsions, il faut d'abord déterminer la constante qui détermine le nombre d'impulsions nécessaires à un mouvement donné. Supposons que, dans l'exemple ci-dessus, le moteur nécessite 500 impulsions pour effectuer un tour, et qu'un tour correspond à 10 mm. Le calcul de la constante se fait en divisant 500 (ppr) par 10 (mm p/r). La constante est donc de 500 impulsions/10 mm, soit 50 impulsions/mm.

Cette constante peut ensuite être utilisée pour calculer le nombre d'impulsions nécessaires pour un déplacement d'une distance donnée. Par exemple, pour un déplacement de 15 mm, 15 mm × 50 ppm = 750 impulsions.

Pour convertir la valeur d'un compteur d'impulsions en unités techniques, il suffit de diviser la valeur du compteur par la constante d'impulsion de commande. Ainsi, si le compteur indique 6 000, divisé par la constante d'impulsion de commande calculée à partir de l'exemple ci-dessus, la position de l'actionneur serait de 6 000 impulsions/50 ppm = 120 mm.

Pour commander une vitesse en mm et que le contrôleur calcule la fréquence appropriée en Hz (impulsions par seconde), il faut d'abord déterminer la constante de vitesse. Pour ce faire, il faut trouver la constante d'impulsion de commande (comme indiqué ci-dessus), mais les unités sont modifiées. Autrement dit, si le moteur produit 500 ppr et que l'actionneur se déplace de 10 mm par tour, alors si 500 impulsions par seconde sont commandées, l'actionneur se déplacera de 10 mm par seconde. En divisant 500 impulsions par seconde par 10 mm par seconde, on obtient 50 impulsions par seconde par mm. Par conséquent, en multipliant la vitesse cible par 50, on obtient la fréquence d'impulsion appropriée.

Les formules sont les mêmes, mais les unités changent :

Constante de vitesse en pps = impulsions par tour/distance par tour

Vitesse d'impulsion (pps) = (constante de vitesse) × vitesse en mm

Utiliser une configuration utilisant des signaux de train d'impulsions pour contrôler le mouvement peut sembler intimidant au premier abord. Cependant, une attention particulière portée aux types de signaux et aux paramètres du contrôleur et des variateurs dès le départ peut réduire le temps de mise en œuvre. De plus, en prenant le temps d'effectuer quelques calculs de base dès le départ, la programmation des vitesses et des distances sera plus facile et les opérateurs disposeront d'informations plus intuitives affichées sur leurs IHM.