Système servo à axe linéaire

Les systèmes servo actuels sont très différents de ceux d'il y a seulement dix ans. Des processeurs plus rapides et des codeurs à plus haute résolution permettent aux fabricants de réaliser des progrès remarquables en matière de réglage. La commande prédictive et la réduction des vibrations sont deux exemples de ces avancées, applicables même aux systèmes servo complexes.

Le réglage des servomoteurs, appliqué aux systèmes d'asservissement à courant alternatif, consiste à ajuster la réponse du système de commande électrique à un système mécanique auquel il est connecté. Un système de commande électrique comprend un automate programmable (PLC) ou un contrôleur de mouvement, qui envoie des signaux à l'amplificateur du servomoteur, lequel actionne le servomoteur pour mettre en mouvement le système mécanique.

Le servomoteur, dispositif électromécanique, constitue l'élément essentiel qui relie les deux systèmes. Le système de commande électrique permet de prédire avec précision le comportement du système mécanique.

Dans cet article, nous explorerons deux techniques de la technologie moderne de réglage des servomoteurs — la commande prédictive par modèle (MPC) et la suppression des vibrations — et leurs considérations au niveau de l'application.

Vitesse du processeur — plus rapide que jamais

La vitesse accrue des processeurs est omniprésente, et les servoamplificateurs ne font pas exception. Des processeurs autrefois trop coûteux sont désormais utilisés dans la conception des servoamplificateurs, permettant ainsi des algorithmes de réglage plus complexes et plus efficaces. Il y a dix ans, on observait couramment une bande passante de 100 ou 200 Hz dans la boucle de vitesse, alors qu'aujourd'hui, les vitesses peuvent largement dépasser 1 000 Hz.

Au-delà de la résolution des boucles de régulation, des processeurs plus rapides permettent aux servomoteurs d'effectuer une analyse embarquée en temps réel du couple, de la vitesse et de 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 servomoteur pour tirer parti d'algorithmes de régulation avancés, bien plus performants que la régulation PID standard.

De plus, un processeur plus rapide peut également traiter les données d'un codeur 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 le codeur ; toutefois, un codeur haute résolution permet au système de contrôle de détecter des micromouvements du système mécanique imperceptibles avec un codeur basse résolution. Ces petits mouvements résultent souvent 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 principes de base du contrôle prédictif par modèle

En résumé, la commande prédictive utilise le profil de commande précédent pour prédire le couple et la vitesse futurs. Si la vitesse et le couple d'un mouvement donné sont approximativement connus, il est inutile de forcer aveuglément le profil de mouvement à travers les boucles PID, qui ne réagissent qu'à l'erreur. L'idée est plutôt de fournir la vitesse et le couple prédits comme information anticipée aux boucles de commande des servocommandes et de laisser ces dernières corriger l'erreur résiduelle minimale.

Pour un fonctionnement optimal, l'amplificateur doit disposer d'un modèle mathématique précis de la machine, basé sur des propriétés telles que l'inertie, le frottement et la rigidité. Le profil de couple et de vitesse de ce modèle peut ensuite être injecté dans les boucles d'asservissement, pour des performances accrues. Ces modèles utilisent des fonctions mathématiques complexes, mais grâce à la vitesse accrue des processeurs intégrés aux amplificateurs d'asservissement, l'industrie du contrôle de mouvement commence à les mettre en œuvre.

Malgré ses nombreux avantages, la commande prédictive par modèle (MPC) présente un inconvénient : elle excelle dans le positionnement point à point, mais au prix d’un délai de réponse pendant le déplacement. Ce délai est inhérent à la MPC, car le déplacement précédent est utilisé pour prédire la réponse future. De ce fait, le profil de commande exact du contrôleur peut ne pas être suivi ; un profil similaire est généré afin d’obtenir un positionnement rapide en fin de déplacement.

Suppression des vibrations

L'un des atouts majeurs du MPC réside dans sa capacité à modéliser, prédire et supprimer les vibrations basse fréquence de la machine. Ces vibrations peuvent se produire à des fréquences allant de quelques hertz à plusieurs milliers de hertz. 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 fréquences de fonctionnement de la machine.

Certaines configurations d'équipement (par exemple, une machine dotée d'un bras de préhension long et fin) sont plus sujettes à cette basse fréquence de résonance. Ces conceptions, sensibles aux vibrations, peuvent être nécessaires pour des raisons de longueur, notamment pour l'insertion d'une pièce à travers une ouverture. Les machines de grande taille, généralement composées de pièces volumineuses oscillant à des fréquences plus basses, sont également sujettes aux vibrations. Dans ce type d'applications, l'oscillation apparaît en fin de course du moteur. La technologie de suppression des vibrations intégrée au servomoteur 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 de consigne exact est négligeable pour un déplacement point à point. Cependant, lorsqu'un axe d'asservissement est mécaniquement lié à un autre, leurs profils de mouvement s'influencent mutuellement. Un actionneur à vis à billes à deux moteurs constitue un exemple de ce type de configuration.

Cette configuration à deux moteurs peut s'avérer avantageuse pour les applications de grande envergure nécessitant un couple important pour l'accélération du rotor, un seul moteur, même plus puissant, étant incapable de fournir le couple et l'accélération requis. Du point de vue du réglage, le facteur critique réside dans le fait que deux servomoteurs relativement importants positionnent une charge lourde et fonctionnent à un couple et une vitesse quasi nominaux. En cas de désynchronisation des moteurs, leur couple sera gaspillé, chacun se livrant à une lutte pour la position. Toutefois, si les gains des deux servomoteurs sont égaux, les délais de la commande prédictive sont également égaux et les moteurs restent synchronisés.

La première étape du réglage d'une application de ce type 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 son couple est insuffisant pour exécuter le profil requis. Dans ce cas, la séquence d'auto-réglage du fabricant est utilisée ; elle définit un paramètre d'inertie et active la fonction de commande prédictive par modèle (MPC). Remarque : le gain du système déterminé avec un moteur doit être partagé équitablement entre les deux moteurs. Le paramètre d'inertie simplifie cette étape car il agit comme un facteur d'échelle pour les gains de la boucle d'asservissement ; il est donc défini à la moitié du résultat du réglage initial dans chaque amplificateur. Le reste du résultat du réglage peut ensuite être copié de l'axe 1 à l'axe 2. Le réglage final consiste à supprimer le composant d'intégration de l'axe 2, en attribuant au second moteur le rôle d'« assistance à l'accélération » et en laissant les petites corrections d'intégration au seul moteur 1.

Le concept de réglage pour une telle application comporte deux phases. La première consiste à régler chaque axe individuellement en utilisant la fonction d'auto-réglage du fabricant comme point de départ, puis à activer la commande prédictive. Un système de réduction des vibrations est également appliqué. À l'issue de cette phase, chaque axe présente une réponse nette et progressive avec des vibrations minimales.

Dans un second temps, les axes fonctionnent simultanément, et l'erreur est surveillée lors d'un essai à blanc du point de vue du contrôleur. En commençant par des gains MPC égaux, une méthode par essais et erreurs permet de déterminer les réglages optimaux pour un gain MPC qui concilie 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 de la même durée, et la pièce est usinée aux dimensions correctes malgré une erreur de position importante pendant le déplacement.