Conception d'étage, d'entraînement et d'encodeur.

Les composants de votre système de positionnement haute précision (roulement, système de mesure de position, système moteur-variateur et contrôleur) doivent fonctionner ensemble de manière optimale. La première partie traitait de la base du système et des roulements. La deuxième partie traitait de la mesure de position. Nous abordons ici la conception de l'étage, du variateur et du codeur, l'amplificateur de commande et les contrôleurs.

Les trois méthodes couramment utilisées pour assembler des étages linéaires lors de l'utilisation de codeurs linéaires :
• L'entraînement et l'encodeur sont positionnés dans ou aussi près que possible du centre de masse du coulisseau.
• Le lecteur est situé au centre de masse ; l'encodeur se fixe sur un côté.
• Le variateur est situé d'un côté, l'encodeur, de l'autre.

Le système idéal place l'entraînement au centre de la masse du chariot, avec le codeur. Cependant, cette solution est généralement peu pratique. Le compromis habituel consiste à décaler légèrement l'entraînement d'un côté et le codeur de l'autre. Cela donne une bonne approximation d'un entraînement central avec le retour de mouvement à proximité du système d'entraînement. Les entraînements centraux sont privilégiés car la force motrice n'introduit aucun vecteur de force indésirable dans le chariot susceptible de provoquer une torsion ou un basculement. Le système de roulements contraignant fortement le chariot, un basculement entraînerait une augmentation des frottements, de l'usure et une imprécision de la position de la charge.

Une autre méthode utilise un système de type portique avec deux entraînements, un de chaque côté du chariot. La force motrice résultante simule un entraînement central. Cette méthode permet de localiser le retour de position au centre. Si cela est impossible, vous pouvez placer des encodeurs de chaque côté et contrôler la table avec un logiciel d'entraînement de portique spécial.

Amplificateur d'entraînement
Les amplificateurs de servomoteur reçoivent des signaux de commande, généralement de ±10 VCC, du contrôleur et fournissent la tension et le courant de fonctionnement au moteur. Il existe généralement deux types d'amplificateurs de puissance : les amplificateurs linéaires et les amplificateurs à modulation de largeur d'impulsion (MLI).

Les amplificateurs linéaires sont inefficaces et sont donc principalement utilisés sur les variateurs de faible puissance. Les principales limitations de la puissance de sortie d'un amplificateur linéaire sont les caractéristiques thermiques de l'étage de sortie et les caractéristiques de claquage des transistors de sortie. La dissipation de puissance de l'étage de sortie est le produit du courant et de la tension aux bornes des transistors de sortie. Les amplificateurs PWM, en revanche, sont efficaces et sont généralement utilisés pour des puissances supérieures à 100 W. Ces amplificateurs commutent la tension de sortie à des fréquences allant jusqu'à 50 MHz. La valeur moyenne de la tension de sortie est proportionnelle à la tension de commande. L'avantage de ce type d'amplificateur est que la tension est commutée entre les états de marche et d'arrêt, ce qui augmente considérablement la capacité de dissipation de puissance.

Une fois que vous avez choisi le type d'amplificateur, l'étape suivante consiste à vous assurer que l'amplificateur peut fournir le courant continu et la tension de sortie requis aux niveaux requis pour la vitesse de rotation maximale du moteur (ou la vitesse linéaire pour les moteurs linéaires) de l'application.

Pour les moteurs linéaires sans balais, une autre distinction peut être faite entre les amplificateurs. Deux types de commutation moteur sont généralement utilisés : trapézoïdale et sinusoïdale. La commutation trapézoïdale est un type de commutation numérique dans lequel le courant de chacune des trois phases est activé ou désactivé. Ce sont généralement des capteurs à effet Hall implantés dans le moteur qui assurent ce fonctionnement. Des aimants externes déclenchent les capteurs. Cependant, la relation entre les capteurs à effet Hall, les enroulements de la bobine et les aimants est cruciale et implique toujours une faible tolérance de position. Le temps de réponse des capteurs est donc toujours légèrement décalé par rapport aux positions réelles de la bobine et de l'aimant. Cela entraîne une légère variation dans l'application du courant aux bobines, entraînant des vibrations inévitables.

La commutation trapézoïdale est moins adaptée aux applications de balayage très précis et à vitesse constante. Cependant, moins coûteuse que la commutation sinusoïdale, elle est largement utilisée pour les systèmes point à point à grande vitesse ou pour les systèmes où la fluidité du mouvement n'affecte pas le traitement.

Avec la commutation sinusoïdale, il n'y a pas de commutation marche-arrêt. Grâce à la commutation électronique, le déphasage de 360 ​​degrés des trois phases du courant est modulé selon une courbe sinusoïdale. Il en résulte une force constante et régulière du moteur. La commutation sinusoïdale est donc parfaitement adaptée à la réalisation de contours précis et aux applications exigeant une vitesse constante et précise, telles que la numérisation et la vision.

Contrôleurs
Il existe un nombre trop important de classes de contrôleurs pour être abordées ici. En principe, les contrôleurs peuvent être classés en plusieurs catégories selon le langage de programmation et la logique de contrôle.

Les automates programmables industriels (API) utilisent un schéma logique à relais. Ils servent principalement à contrôler plusieurs fonctions d'entrées/sorties discrètes (E/S), bien que certains offrent des capacités limitées de contrôle de mouvement.

Les systèmes de commande numérique (CN) sont programmés via un langage standard, RS274D ou une variante. Ils peuvent exécuter des mouvements complexes, tels que des formes sphériques et hélicoïdales, avec un contrôle multiaxes.

Les systèmes non CN utilisent divers systèmes d'exploitation propriétaires, notamment des programmes d'interface conviviaux pour les profils de mouvement de base. La plupart de ces contrôleurs se composent d'un module de base sans écran ni clavier. Le contrôleur communique avec un hôte via un port RS-232. Cet hôte peut être un ordinateur personnel (PC), un terminal passif ou une unité de communication portable.

Presque tous les contrôleurs modernes sont numériques. Ils offrent un niveau de fiabilité et de simplicité d'utilisation jusqu'alors inconnu des contrôleurs analogiques. Le retour de vitesse est généralement dérivé du signal de position de l'axe. Tous les paramètres des servomoteurs sont réglés par logiciel, sans nécessiter de réglages fastidieux des potentiomètres de l'amplificateur de commande, qui ont tendance à dériver après utilisation et avec les variations de température. La plupart des contrôleurs modernes permettent également l'autoréglage de tous les paramètres des servomoteurs des axes.

Les contrôleurs les plus avancés incluent également le traitement distribué et le contrôle des axes par processeur de signal numérique (DSP). Un DSP est un processeur spécialement conçu pour effectuer des calculs mathématiques très rapidement (au moins dix fois plus vite qu'un microprocesseur). Il peut fournir des temps d'échantillonnage d'asservissement de l'ordre de 125 ms. L'avantage réside dans un contrôle précis de l'axe pour un contrôle constant de la vitesse et un contournage fluide.

Un algorithme de filtrage proportionnel-intégral-dérivé (PID) et une anticipation de vitesse et d'accélération améliorent le contrôle de l'asservissement de l'axe. De plus, la programmation en S des profils d'accélération et de décélération permet de contrôler les à-coups généralement associés au démarrage et à l'arrêt du mouvement de la table. Cela permet un fonctionnement plus fluide et mieux contrôlé, et donc des temps de stabilisation plus rapides en position et en vitesse.

Les contrôleurs offrent également de nombreuses fonctionnalités d'entrées/sorties numériques ou analogiques. Le programme utilisateur ou le sous-programme peut être modifié en fonction des informations de position, de temps ou d'état, des valeurs des variables, des opérations mathématiques, des événements d'E/S externes ou internes, ou des interruptions d'erreur. Le processus utilisateur peut être facilement automatisé.

De plus, la plupart des contrôleurs peuvent augmenter la résolution du retour de position grâce à la multiplication électronique. Bien que la multiplication par 4 soit courante, certains contrôleurs avancés peuvent multiplier jusqu'à 256 fois. Bien que cela n'apporte aucune amélioration de précision, cela améliore considérablement la stabilité de la position de l'axe et, plus important encore dans de nombreuses applications, la répétabilité.

Dans votre approche globale, outre les facteurs mentionnés ci-dessus, vous devez prendre en compte d'autres facteurs susceptibles d'influencer le choix des composants, tels que le budget, l'environnement, la durée de vie, la facilité de maintenance, le MTBF et les préférences de l'utilisateur final. L'approche modulaire permet l'assemblage de systèmes à partir de composants standard et facilement disponibles, répondant aux exigences des applications les plus exigeantes si la compatibilité globale des composants est analysée de A à Z.