Système servo à axe linéaire

Les systèmes servomoteurs à courant alternatif actuels sont très différents de ceux d'il y a dix ans. Des processeurs plus rapides et des codeurs à plus haute résolution permettent aux fabricants de mettre en œuvre des avancées technologiques de réglage remarquables. Le contrôle prédictif par modèle et la suppression des vibrations sont deux avancées qui peuvent être appliquées avec succès même aux systèmes servomoteurs complexes.

Le réglage des servomoteurs à courant alternatif consiste à ajuster la réponse du système de commande électrique à un système mécanique connecté. Un système de commande électrique est constitué d'un automate programmable (API), ou contrôleur de mouvement, qui envoie des signaux au servoamplificateur, ce qui entraîne le servomoteur à entraîner le système mécanique.

Le servomoteur, un dispositif électromécanique, constitue le composant essentiel reliant les deux systèmes. Le système de commande électrique offre de nombreuses possibilités pour prédire le comportement du système mécanique.

Dans cet article, nous explorerons deux techniques de réglage d'asservissement modernes — le contrôle prédictif du modèle (MPC) et la suppression des vibrations — et leurs considérations au niveau de l'application.

Vitesse du processeur — plus rapide que jamais

Les processeurs plus rapides sont omniprésents, et les servoamplificateurs ne font pas exception. Des processeurs autrefois hors de prix ont été intégrés à la conception de servoamplificateurs, permettant des algorithmes de réglage plus complexes et plus efficaces. Il y a dix ans, il était courant de voir une bande passante de 100 ou 200 Hz dans la boucle de vitesse, alors qu'aujourd'hui, les vitesses peuvent dépasser largement les 1 000 Hz.

Au-delà de la résolution des boucles de régulation, des processeurs plus rapides permettent aux servoamplificateurs d'analyser en temps réel le couple, la vitesse et la position afin de découvrir des propriétés de la machine auparavant indétectables. Des modèles mathématiques complexes peuvent désormais être implémentés à moindre coût au sein d'un servoamplificateur pour exploiter des algorithmes de réglage avancés qui vont bien au-delà du réglage PID standard.

De plus, un processeur plus rapide peut également traiter les données d'un encodeur à plus haute résolution, même si cette résolution accrue n'améliore pas les performances de positionnement du système. Le facteur limitant le positionnement est généralement le système mécanique, et non l'encodeur. Or, un encodeur à plus haute résolution permet au système de contrôle de détecter des micro-mouvements dans le système mécanique, indétectables par un encodeur à plus faible résolution. Ces petits mouvements sont souvent le résultat de vibrations ou de résonances et, s'ils sont détectés, peuvent fournir des données importantes pour comprendre, prédire et compenser le comportement du système mécanique.

Les bases du contrôle prédictif des modèles

En résumé, le contrôle prédictif de modèle utilise le profil de commande passé pour prédire le couple et la vitesse futurs. Si la vitesse et le couple d'un mouvement donné sont connus approximativement, il est inutile de forcer aveuglément le profil de mouvement à travers les boucles PID, qui ne réagissent qu'aux erreurs. L'idée est plutôt de fournir la vitesse et le couple prédits en feed-back aux boucles d'asservissement et de laisser ces dernières réagir à l'erreur minimale restante.

Pour que cela fonctionne correctement, l'amplificateur doit disposer d'un modèle mathématique valide de la machine, basé sur des propriétés telles que l'inertie, le frottement et la rigidité. Le profil de couple et de vitesse du modèle peut ensuite être injecté dans les boucles d'asservissement, pour des performances accrues. Ces modèles utilisent des fonctions mathématiques complexes, mais grâce aux processeurs plus rapides des servoamplificateurs, leur implémentation dans le secteur du contrôle de mouvement commence à se faire sentir.

Malgré ses nombreux avantages, le contrôle prédictif par modèle présente un inconvénient : il est efficace pour le positionnement point à point, mais au détriment du temps de déplacement. Le facteur temps est inhérent au contrôle prédictif par modèle, car le mouvement récent est utilisé pour prédire la réponse future. En raison de ce délai, le profil de commande exact du contrôleur peut ne pas être suivi ; un profil similaire est généré, ce qui accélère le positionnement en fin de déplacement.

Suppression des vibrations

L'un des aspects les plus utiles du MPC est sa capacité à modéliser, prédire et supprimer les vibrations basse fréquence dans la machine. Les vibrations peuvent se produire dans une machine à des fréquences allant de quelques Hz à plusieurs milliers de Hz. Les vibrations basse fréquence de l'ordre de 1 à 10 Hz, souvent perceptibles au début et à la fin d'un mouvement, sont particulièrement problématiques car elles se situent dans la plage de fréquence de fonctionnement de la machine.

Certaines configurations d'équipement (par exemple, une machine dotée d'un bras de préhension long et fin) tendent à présenter cette basse fréquence de résonance plus que d'autres. De telles conceptions sujettes aux vibrations peuvent être requises en raison de la longueur, par exemple pour l'insertion d'une pièce par une ouverture. Les grandes machines, généralement constituées de pièces imposantes oscillant à des fréquences plus basses, sont également sujettes aux vibrations. Dans ce type d'applications, des oscillations apparaissent en fin de course du moteur. La technologie de suppression des vibrations du servoamplificateur réduit considérablement ces oscillations.

MPC dans un système servo à double moteur

L'application du MPC à un actionneur mono-axe est simple, et l'écart par rapport au profil exact commandé est négligeable pour un mouvement point à point. Cependant, lorsqu'un axe servo est relié mécaniquement à un autre, leurs profils de mouvement s'influencent mutuellement. Un actionneur à vis à billes à deux moteurs est une telle configuration.

Cette configuration à deux moteurs peut être avantageuse pour les applications de grande taille, où le couple requis pour accélérer le rotor est important et où un seul moteur plus puissant serait incapable de fournir le couple et l'accélération requis. Du point de vue du réglage, le facteur critique est que deux servomoteurs relativement grands positionnent une charge lourde et fonctionnent à un couple et un régime nominaux proches de leur maximum. Si les moteurs se désynchronisent, leurs couples seront gaspillés à se battre pour la position. Cependant, si les gains des deux servomoteurs sont égaux, les retards du contrôle prédictif du modèle le sont également et les moteurs restent synchronisés.

La première étape du réglage d'une application comme celle-ci consiste à retirer physiquement l'un des moteurs et à régler le système comme d'habitude avec un seul moteur. Un servomoteur suffit pour un contrôle stable des axes, mais le couple est insuffisant pour exécuter le profil requis. Dans ce cas, la séquence de réglage automatique du fabricant est utilisée, ce qui définit un paramètre d'inertie et active la fonction de contrôle prédictif du modèle. Remarque : le gain système obtenu avec un moteur doit être partagé équitablement entre les deux moteurs. Le paramètre d'inertie facilite cette étape car il agit comme un facteur d'échelle pour les gains de la boucle d'asservissement ; il est donc fixé à la moitié du résultat de réglage initial dans chaque amplificateur. Le reste du résultat de réglage peut ensuite être copié de l'axe un vers l'axe deux. Le réglage final consiste à supprimer la composante d'intégration de l'axe deux, attribuant au deuxième moteur le rôle d'« assistance à l'accélération » et laissant les petites corrections d'intégration au seul moteur un.

Le concept de réglage pour une telle application comprend deux phases. La première consiste à régler chaque axe individuellement en utilisant la fonction de réglage automatique fournie par le fabricant comme point de départ, et à activer le contrôle prédictif du modèle. La suppression des vibrations est également appliquée. À l'issue de cette phase, chaque axe présente une réponse nette et fluide avec un minimum de vibrations.

Dans la deuxième phase, les axes sont exécutés ensemble, l'erreur étant surveillée lors d'un « essai à blanc » du point de vue du contrôleur. En partant d'un gain MPC égal, des essais et des erreurs permettront de déterminer les meilleurs réglages pour un gain MPC équilibré entre une faible erreur de position, une erreur de position égale et un mouvement fluide. Le principe est le suivant : si l'erreur de position est identique, les deux axes sont retardés du même temps et la pièce est découpée aux dimensions correctes, même si l'erreur de position est élevée pendant le mouvement.