Les systèmes de mouvement linéaire se trouvent 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, l'automatisation d'usine et bien d'autres trop nombreux pour être répertoriés. Ils vont du relativement simple, comme un actionneur de siège peu coûteux dans un véhicule de tourisme, à un système de coordonnées multi-axes complexe, doté d'une électronique de commande et d'entraînement pour un positionnement en boucle fermée. Peu importe la simplicité ou la complexité du système de mouvement linéaire, au niveau le plus élémentaire, ils ont tous une chose en commun : déplacer une charge sur une distance linéaire dans un laps de temps spécifique.

L'une des questions les plus courantes lors de la conception d'un système de mouvement linéaire concerne la technologie des moteurs. Une fois la technologie choisie, le moteur doit être dimensionné pour répondre aux exigences d'accélération de la charge, surmonter les frictions dans le système et surmonter l'effet de la gravité, tout en maintenant une température de fonctionnement maximale sûre. Le couple, la vitesse, la puissance et la capacité de positionnement du moteur dépendent de la conception du moteur, couplée au variateur et au contrôle.

AVEC QUEL MOTEUR DOIS-JE DÉMARRER ?

De nombreuses questions d'application doivent être prises en compte lors de la conception d'un système de mouvement linéaire utilisant une technologie de moteur particulière. 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 lorsque vous discutez avec un fournisseur de moteurs.

Il n’existe pas de meilleur moteur pour chaque application, mais plutôt le meilleur moteur pour une application particulière. Dans la grande majorité des applications de mouvement incrémentiel, le choix se portera soit sur un moteur pas à pas, un moteur à courant continu avec 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 le besoin de conversion mécanique de puissance ; il n'est pas nécessaire de procéder à une translation via une vis mère/vis à billes, une boîte de vitesses ou un système de poulie. Bien qu'une précision, une répétabilité et une résolution de positionnement maximales puissent être obtenues avec des systèmes d'asservissement linéaires à entraînement direct sans noyau, ils représentent le coût et la complexité les plus élevés par rapport aux moteurs rotatifs. Une architecture utilisant des moteurs rotatifs est beaucoup moins coûteuse, et répondra à la majorité des applications de mouvements linéaires ; cependant, certains moyens de conversion « rotatif-linéaire » (et par conséquent, de conversion de puissance) sont nécessaires pour piloter la charge.

Les moteurs pas à pas, à balais et sans balais sont tous considérés comme des moteurs à courant continu ; cependant, il existe des subtilités qui amèneront un ingénieur à privilégier un type plutôt que les deux autres dans une application particulière. Il convient de souligner que ce choix dépend fortement des exigences de conception du système, non seulement en termes de vitesse et de couple, mais également des exigences de précision de positionnement, de répétabilité et de résolution. Il n'existe pas de moteur parfait pour chaque application, et toutes les décisions nécessiteront des compromis en matière de conception. Au niveau le plus élémentaire, tous les moteurs, qu'ils soient appelés AC ou DC, à balais, sans balais ou tout autre moteur électrique, fonctionnent selon le même principe physique pour générer un couple : l'interaction des champs magnétiques. Il existe cependant des différences considérables dans la manière dont ces différentes technologies de moteurs réagissent à des applications particulières. Les performances globales du moteur, la réponse et la génération de couple dépendent de la méthode d'excitation du champ et de la géométrie du circuit magnétique inhérente à la conception physique du moteur, du contrôle de la tension et du courant d'entrée par le contrôleur/variateur et de la méthode de retour de vitesse ou de position, si le l'application nécessite.

Les technologies de moteur pas à pas CC, de servomoteur à balais et de servomoteurs sans balais utilisent toutes une alimentation CC pour les alimenter. Pour les applications de mouvement linéaire, cela ne signifie pas qu'une source fixe de courant continu peut être appliquée directement aux enroulements du moteur ; l'électronique est nécessaire pour contrôler le courant d'enroulement (lié au couple de sortie) et la tension d'enroulement (liée à la vitesse de sortie). Vous trouverez ci-dessous un résumé des forces et des faiblesses des 3 technologies.

La conception du système linéaire commence par la masse de la charge et la vitesse à laquelle la masse doit se déplacer du point A au point B. Le type, la taille et la conception mécanique du moteur commencent par la puissance (watts) requise pour déplacer la charge. En commençant par la charge et en remontant finalement sur tous les composants jusqu'à l'alimentation électrique du variateur, l'analyse consiste en une série d'étapes permettant de comprendre la conversion de puissance d'une partie du système à l'autre tout en considérant les différentes efficacités des composants intermédiaires. Les watts sous forme de tension et de courant entrant dans le variateur se traduiront finalement par des watts de puissance mécanique déplaçant une charge donnée dans un laps de temps spécifique.

Afin d'obtenir une indication de la puissance de sortie nécessaire à la charge, un simple calcul de puissance aidera à évaluer un moteur. Après avoir compris la puissance de sortie moyenne nécessaire, terminez l'analyse des besoins en puissance en travaillant sur le moteur et en parcourant les différents éléments de conversion de puissance. Les données des fabricants doivent être référencées pour prendre en compte l'efficacité des différents composants, car cela déterminera en fin de compte la taille du moteur et l'alimentation électrique. C'est une préférence personnelle quant aux unités avec lesquelles travailler, mais les unités SI sont fortement recommandées. Travailler en unités SI évite d'avoir à mémoriser plusieurs constantes de conversion, et le résultat final peut toujours être reconverti en unités anglaises.

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

Une masse de 9 kg soulevée contre la gravité nécessitera une force d’environ 88 N. Le calcul des watts nécessaires pour déplacer la charge fournira un point de départ pour déterminer les composants du reste du système. C'est la puissance moyenne nécessaire pour déplacer verticalement une masse de 9 kg d'un point A à un point B en 1 seconde. Les pertes du système telles que la friction ne sont pas incluses. La puissance requise sur l'arbre moteur sera légèrement plus élevée et dépend des autres composants utilisés dans le système, tels que la boîte de vitesses et la vis mère.

P = (F × S) / t

P = (88N × 0,2m) / 1,0s = 17,64w

Ceci est différent de la puissance de crête qui sera requise du système. Une fois l'accélération et la décélération prises en compte, la puissance instantanée pendant le profil de déplacement sera légèrement plus élevée ; 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 comme celui-ci nécessitera environ 37 W de puissance maximale pour accomplir le travail. Ces informations, ainsi que les diverses autres spécifications d'application, aideront désormais à choisir la technologie de moteur la plus appropriée.

QUELLE TECHNOLOGIE MOTEUR DOIS-JE CONSIDÉRER ?

Une excellente capacité de positionnement et des commandes relativement simples amèneraient un concepteur à envisager d’abord la possibilité d’utiliser un moteur pas à pas. Cependant, un moteur pas à pas ne répondrait pas à l’exigence d’un faible encombrement mécanique tout en répondant aux exigences de charge. Une puissance maximale requise de 37 watts nécessiterait un très gros moteur pas à pas. Bien que les moteurs pas à pas possèdent un couple très élevé à basse vitesse, la vitesse maximale et donc la puissance requise du profil de déplacement dépassent la capacité de tous les moteurs pas à pas, à l'exception des plus gros.

Un servomoteur à courant continu à balais répondrait aux exigences de charge, aurait un faible encombrement mécanique et aurait une rotation très douce à basse vitesse ; cependant, en raison des exigences strictes en matière de CEM, il est probablement préférable d'éviter le moteur à balais pour cette application particulière. Il s'agirait d'une alternative moins coûteuse qu'un système sans balais, mais elle pourrait s'avérer difficile à satisfaire aux exigences CEM les plus strictes.

Le moteur à courant continu sans balais utilisant un système d'entraînement sinusoïdal serait le premier choix pour répondre à toutes les exigences de l'application, y compris le profil de charge et de mouvement (densité de puissance élevée) ; mouvement fluide et sans rouage à basse vitesse ; et un faible encombrement mécanique. Dans ce cas, il existe toujours un potentiel de signature EMI en raison de la commutation haute fréquence de l'électronique du variateur ; cependant, cela peut être atténué à l'aide d'un filtrage en ligne en raison d'une bande de fréquences plus étroite. Un moteur à courant continu à balais présente une signature EMI à bande plus large, ce qui rend le filtrage plus difficile.

LE DIMENSIONNEMENT DU MOTEUR N'EST QU'UN DÉBUT

Cet article était une brève discussion visant à présenter au concepteur diverses considérations lors du choix d'une technologie de moteur pour une application de mouvement linéaire relativement simple. Bien que les principes soient identiques pour un système plus complexe tel qu'une table XY ou un mécanisme de saisie et de placement de précision multi-axes, la charge de chaque axe devra être analysée indépendamment. Une autre considération qui sort du cadre de cet article est la manière de choisir un facteur de sécurité approprié afin de répondre à la durée de vie souhaitée du système (nombre de cycles). La durée de vie du système ne dépend pas seulement de la taille du moteur, mais également des autres éléments mécaniques du système, tels que la boîte de vitesses et l'ensemble vis-mère. D'autres facteurs tels que la précision du positionnement, la résolution, la répétabilité, le roulis, le tangage et le lacet maximum, etc. sont autant de considérations importantes pour garantir que le système de mouvement linéaire atteint ou dépasse les objectifs de l'application.