Les systèmes de mouvement linéaire sont présents dans d'innombrables machines, notamment les systèmes de découpe laser de précision, les équipements d'automatisation de laboratoire, les machines de fabrication de semi-conducteurs, les machines CNC, les systèmes d'automatisation industrielle, et bien d'autres encore. Leur complexité varie, allant des systèmes relativement simples, comme un actionneur de siège peu coûteux dans un véhicule, aux systèmes de coordonnées multiaxes complexes, dotés d'une électronique de commande et d'entraînement pour un positionnement en boucle fermée. Quelle que soit leur complexité, tous les systèmes de mouvement linéaire ont, à leur niveau le plus fondamental, un point commun : déplacer une charge sur une distance linéaire dans un temps précis.

L'une des questions les plus fréquentes lors de la conception d'un système de mouvement linéaire concerne la technologie du moteur. Une fois celle-ci choisie, le moteur doit être dimensionné pour répondre aux exigences d'accélération de la charge, compenser les frottements du système et l'effet de la gravité, tout en maintenant une température de fonctionnement maximale admissible. Le couple, la vitesse, la puissance et la capacité de positionnement du moteur dépendent de sa conception, ainsi que du système d'entraînement et de commande.

PAR QUEL MOTEUR DOIS-JE COMMENCER ?

La conception d'un système de mouvement linéaire utilisant une technologie de moteur particulière soulève de nombreuses questions d'application. Une explication exhaustive de l'ensemble du processus dépasse le cadre de cet article. L'objectif est de vous inciter à poser les bonnes questions lors de vos échanges avec un fournisseur de moteurs.

Il n'existe pas de moteur idéal pour toutes les applications, mais plutôt un moteur adapté à une application particulière. Dans la grande majorité des applications de mouvement incrémental, le choix se portera sur un moteur pas à pas, un moteur à courant continu à balais ou un moteur à courant continu sans balais. Les systèmes de mouvement les plus complexes peuvent utiliser des moteurs linéaires couplés directement à la charge, évitant ainsi la conversion de puissance mécanique ; il n'est pas nécessaire de passer par une vis-mère/vis à billes, un réducteur ou un système de poulies. Bien que les servomoteurs linéaires à entraînement direct sans noyau permettent d'atteindre une précision, une répétabilité et une résolution de positionnement maximales, ils sont plus coûteux et plus complexes que les moteurs rotatifs. Une architecture utilisant des moteurs rotatifs est beaucoup moins onéreuse et répond à la majorité des besoins en mouvement linéaire ; cependant, un système de conversion « rotatif-linéaire » (et donc de conversion de puissance) est nécessaire pour entraîner la charge.

Les moteurs pas à pas, à balais et sans balais sont tous considérés comme des moteurs à courant continu (CC). Cependant, certaines subtilités peuvent amener un ingénieur à privilégier un type plutôt qu'un autre pour une application particulière. Il est essentiel de souligner que ce choix dépend fortement des exigences de conception du système, non seulement en termes de vitesse et de couple, mais aussi de précision de positionnement, de répétabilité et de résolution. Il n'existe pas de moteur idéal pour toutes les applications, et chaque décision implique des compromis de conception. Fondamentalement, tous les moteurs, qu'ils soient à courant alternatif (CA) ou continu (CC), à balais, sans balais ou tout autre moteur électrique, fonctionnent selon le même principe physique pour générer du couple : l'interaction des champs magnétiques. Il existe toutefois des différences considérables dans la manière dont ces diverses technologies de moteurs réagissent selon les applications. Les performances globales du moteur, sa réactivité et la génération de couple dépendent de la méthode d'excitation du champ et de la géométrie du circuit magnétique inhérentes à sa conception physique, du contrôle de la tension et du courant d'entrée par le contrôleur/variateur, et de la méthode de retour d'information de vitesse ou de position, si l'application le requiert.

Les moteurs pas à pas à courant continu, les servomoteurs à balais et les servomoteurs sans balais utilisent tous une alimentation en courant continu. Pour les applications de mouvement linéaire, cela ne signifie pas qu'une source de courant continu fixe puisse être appliquée directement aux enroulements du moteur ; des composants électroniques sont nécessaires pour contrôler le courant (lié au couple de sortie) et la tension (liée à la vitesse de sortie) des enroulements. Vous trouverez ci-dessous un résumé des avantages et des inconvénients de ces trois technologies.

La conception d'un système linéaire débute par la détermination de la masse de la charge et de la vitesse à laquelle elle doit se déplacer du point A au point B. Le type, la taille et la conception mécanique du moteur dépendent de la puissance (en watts) nécessaire au déplacement de la charge. L'analyse, partant de la charge et remontant jusqu'à l'alimentation du variateur, consiste en une série d'étapes permettant de comprendre la conversion de puissance d'une partie du système à l'autre, en tenant compte des différents rendements des composants intermédiaires. La puissance (en watts) fournie au variateur, sous forme de tension et de courant, se traduit en puissance mécanique (en watts) nécessaire au déplacement d'une charge donnée dans un laps de temps précis.

Pour estimer la puissance de sortie nécessaire à la charge, un simple calcul de puissance permet de dimensionner approximativement un moteur. Une fois la puissance de sortie moyenne requise déterminée, il convient d'analyser les besoins en énergie en remontant jusqu'au moteur et au variateur, en passant par les différents éléments de conversion de puissance. Il est important de consulter les données du fabricant pour tenir compte du rendement des différents composants, car celui-ci déterminera en définitive la taille du moteur et de l'alimentation. Le choix des unités de mesure est une question de préférence personnelle, mais l'utilisation du Système international d'unités (SI) est fortement recommandée. Travailler en unités SI évite d'avoir à mémoriser de multiples constantes de conversion, et le résultat final peut toujours être converti en unités impériales.

QUELLE PUISSANCE EST NÉCESSAIRE POUR DÉPLACER LA CHARGE DANS LE TEMPS REQUIS ?

Soulever une masse de 9 kg contre la gravité nécessite une force d'environ 88 N. Le calcul de la puissance (en watts) nécessaire au déplacement de cette charge permet de déterminer les composants du reste du système. Il s'agit de la puissance moyenne requise pour déplacer verticalement une masse de 9 kg du point A au point B en 1 seconde. Les pertes du système, telles que les frottements, ne sont pas prises en compte. La puissance requise à l'arbre moteur sera légèrement supérieure et dépend des autres composants du système, comme le réducteur et la vis sans fin.

P = (F × S) / t

P = (88 N × 0,2 m) / 1,0 s = 17,64 W

Cela diffère de la puissance de crête requise par le système. Une fois l'accélération et la décélération prises en compte, la puissance instantanée pendant le déplacement sera légèrement supérieure ; cependant, la puissance de sortie moyenne nécessaire à la charge est d'environ 18 watts. Après une analyse approfondie de tous les composants, un système de ce type nécessitera une puissance de crête d'environ 37 W pour fonctionner. Ces informations, ainsi que les autres spécifications de l'application, permettront de choisir la technologie de moteur la plus appropriée.

QUELLE TECHNOLOGIE DE MOTEUR DOIS-JE ENVISAGER ?

L'excellente précision de positionnement et la relative simplicité des commandes pourraient inciter un concepteur à envisager en premier lieu l'utilisation d'un moteur pas à pas. Cependant, un tel moteur ne répondrait pas aux exigences d'encombrement réduit tout en satisfaisant aux contraintes de charge. Une puissance de pointe de 37 watts nécessiterait un moteur pas à pas de très grande taille. Bien que les moteurs pas à pas présentent un couple très élevé à basse vitesse, la vitesse de pointe, et par conséquent la puissance requise pour le profil de déplacement, dépasse les capacités de tous les moteurs pas à pas, à l'exception des plus grands.

Un servomoteur CC à balais répondrait aux exigences de charge, présenterait un encombrement réduit et assurerait une rotation très fluide à basse vitesse ; cependant, compte tenu des exigences strictes en matière de CEM, il est probablement préférable d'éviter ce type de moteur pour cette application. Bien qu'il s'agisse d'une alternative moins coûteuse qu'un système sans balais, il pourrait s'avérer difficile de satisfaire aux exigences strictes de CEM.

Le moteur à courant continu sans balais utilisant un système d'entraînement sinusoïdal serait le choix idéal pour répondre à toutes les exigences de l'application, notamment le profil de charge et de mouvement (densité de puissance élevée), un mouvement fluide et sans à-coups à basse vitesse, et un encombrement réduit. Dans ce cas, un risque d'interférences électromagnétiques (IEM) subsiste en raison de la commutation à haute fréquence de l'électronique d'entraînement ; toutefois, ce risque peut être atténué par un filtrage en ligne grâce à une bande passante plus étroite. Un moteur à courant continu à balais présente une signature IEM à bande passante plus large, ce qui rend son filtrage plus complexe.

LE DIMENSIONNEMENT DU MOTEUR N'EST QUE LE DÉBUT

Cet article présentait brièvement les différents éléments à prendre en compte lors du choix d'une technologie de moteur pour une application de mouvement linéaire relativement simple. Bien que les principes restent identiques pour un système plus complexe, comme une table XY ou un mécanisme de prélèvement et de placement de précision multiaxes, chaque axe devra être analysé indépendamment en termes de charge. Un autre point, hors du champ de cet article, concerne le choix d'un coefficient de sécurité approprié pour atteindre la durée de vie souhaitée du système (nombre de cycles). La durée de vie du système ne dépend pas uniquement de la taille du moteur, mais aussi des autres éléments mécaniques, tels que le réducteur et la vis-mère. D'autres facteurs, comme la précision de positionnement, la résolution, la répétabilité, les valeurs maximales de roulis, de tangage et de lacet, sont également essentiels pour garantir que le système de mouvement linéaire atteigne, voire dépasse, les objectifs de l'application.