Conception d'étages, de variateurs et d'encodeurs.

Les composants qui composent votre système de positionnement de haute précision (roulements, système de mesure de position, système de moteur et d'entraînement et contrôleur) doivent fonctionner ensemble aussi bien que possible. La partie 1 couvrait la base et les roulements du système. La partie 2 couvrait la mesure de position. Ici, nous discutons de la conception des étages, des entraînements et des encodeurs ; l'amplificateur de commande ; et les contrôleurs.

Les trois méthodes couramment utilisées pour assembler des platines 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 variateur est situé au centre de masse ; l'encodeur se fixe sur un côté.
• Le lecteur est situé d'un côté ; l'encodeur, d'autre part.

Le système idéal a l'entraînement au centre de la masse coulissante avec l'encodeur. Cependant, cela n’est généralement pas pratique. Le compromis habituel situe le lecteur légèrement sur le côté ; l'encodeur, légèrement décalé par rapport à l'autre. Cela donne une bonne approximation d'un entraînement central avec le retour de mouvement à côté du système d'entraînement. Les entraînements centraux sont préférés car la force d'entraînement n'introduit aucun vecteur de force indésirable dans la glissière pour provoquer une torsion ou un armement. Étant donné que le système de roulements contraint étroitement la glissière, l'armement produirait une friction, une usure et une imprécision accrues de la position de la charge.

Une méthode alternative utilise un système de type portique avec deux entraînements, un de chaque côté de la glissière. La force motrice qui en résulte émule un entraînement central. Avec cette méthode, vous pouvez localiser le retour de position au centre. Si cela est impossible, vous pouvez localiser les encodeurs de chaque côté et contrôler la table avec un logiciel spécial de commande du portique.

Amplificateur d'entraînement
Les amplificateurs de servomoteur reçoivent des signaux de commande, généralement ±10 Vcc, du contrôleur et fournissent une tension de fonctionnement et une sortie de courant au moteur. En général, il existe deux types d'amplificateurs de puissance : l'amplificateur linéaire et l'amplificateur à modulation de largeur d'impulsion (PWM).

Les amplificateurs linéaires sont inefficaces et sont donc principalement utilisés sur des variateurs de faible puissance. Les principales limitations de la capacité de gestion 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. En revanche, les amplificateurs PWM sont efficaces et sont généralement utilisés pour des capacités de puissance 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 est que la tension est activée et désactivée, ce qui entraîne une capacité de dissipation de puissance considérablement accrue.

Une fois que vous avez choisi le type d'amplificateur, l'étape suivante consiste à garantir 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, vous pouvez faire une autre distinction entre les amplificateurs. Deux types de commutation de moteur sont généralement utilisés : trapézoïdale et sinusoïdale. La commutation trapézoïdale est un type de commutation numérique dans la mesure où le courant de chacune des trois phases est activé ou désactivé. C'est généralement ce que font les capteurs à effet Hall implantés dans le moteur. Des aimants externes déclenchent les capteurs. Cependant, la relation entre les capteurs à effet Hall, les enroulements de bobine et les aimants est critique et implique toujours une faible tolérance de position. Le temps de réponse des capteurs se produit donc toujours légèrement déphasé par rapport aux véritables positions des bobines et des aimants. Cela conduit à une légère variation dans l’application du courant aux bobines, conduisant à des vibrations inévitables.

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

Avec la commutation sinusoïdale, la commutation On-Off ne se produit pas. Au contraire, au moyen d'une commutation électronique, le déphasage du courant à 360 degrés des trois phases est modulé selon un modèle sinusoïdal. Il en résulte une force douce et constante du moteur. La commutation de forme sinusoïdale est donc bien adaptée à la réalisation de contours précis et aux applications nécessitant une vitesse constante précise, telles que les utilisations de numérisation et de vision.

Contrôleurs
Il existe plus de classes de contrôleurs que nous ne pouvons en discuter de manière adéquate ici. Fondamentalement, les contrôleurs peuvent être divisés en plusieurs catégories en fonction du langage de programmation et de la logique de contrôle.

Les contrôleurs logiques programmables (PLC) utilisent un schéma logique « en échelle ». Ils sont principalement utilisés pour contrôler plusieurs fonctions d'entrée/sortie discrètes (E/S), bien que quelques-unes offrent des capacités de contrôle de mouvement limitées.

Les systèmes à commande numérique (NC) sont programmés via un langage standard de l'industrie, RS274D ou une variante. Ils peuvent effectuer des mouvements complexes tels que des formes sphériques et hélicoïdales avec un contrôle sur plusieurs axes.

Les systèmes non NC utilisent une variété de systèmes d'exploitation propriétaires, notamment des programmes d'interface faciles à utiliser pour les profils de mouvement de base. La plupart de ces contrôleurs sont constitués d'un module de contrôleur de base sans moniteur ni clavier. Le contrôleur communique avec un hôte via un port RS-232. L'hôte peut être un ordinateur personnel (PC), un terminal muet ou une unité de communication portable.

Presque tous les contrôleurs actuels sont des contrôleurs numériques. Ils offrent un niveau de fiabilité et de facilité d’utilisation sans précédent dans les contrôleurs analogiques. Les informations de retour de vitesse sont généralement dérivées du signal de position de l'axe. Tous les paramètres des servos sont ajustés via un logiciel plutôt que d'ajuster laborieusement les « potentiomètres » de l'amplificateur d'entraînement, qui ont tendance à dériver après utilisation et avec les changements de température. La plupart des contrôleurs modernes proposent également un réglage automatique de tous les paramètres des servos d'axe.

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

Un algorithme de filtre proportionnel-intégral-dérivé (PID) et une anticipation de vitesse et d'accélération améliorent le contrôle d'asservissement de l'axe. De plus, la programmation en courbe S des profils d'accélération et de décélération contrôle les à-coups qui accompagnent généralement le démarrage et l'arrêt du mouvement de la table. Cela donne un fonctionnement plus fluide et plus contrôlé, conduisant à des temps de stabilisation plus rapides pour la position et la vitesse.

Les contrôleurs incluent également des capacités étendues d’entrée/sortie numériques ou analogiques. Le programme utilisateur ou le sous-programme peut être modifié en fonction des informations de position, d'heure ou d'état, des valeurs de variables, d'opérations mathématiques, d'événements d'E/S externes ou internes ou d'interruptions d'erreur. Le processus de l'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 4× soit courante, certains contrôleurs avancés peuvent multiplier jusqu'à 256×. Bien que cela n'apporte aucune amélioration en termes de précision, cela entraîne une réelle augmentation de la stabilité de la position de l'axe et, plus important encore dans de nombreuses utilisations, de la répétabilité.

Dans votre approche globale, outre les facteurs mentionnés ci-dessus, vous devez prendre en compte d'autres facteurs susceptibles de modifier les décisions relatives aux 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 facilement disponibles qui répondront même aux exigences d'application les plus exigeantes si un système est analysé depuis la base pour vérifier la compatibilité globale des composants.