Conception de l'étage, de l'entraînement et de l'encodeur.

Les composants de votre système de positionnement de haute précision (roulements, système de mesure de position, système moteur-entraînement et contrôleur) doivent fonctionner de manière optimale ensemble. La première partie traitait du bâti et des roulements, et la deuxième de la mesure de position. Ici, nous abordons la conception de la platine, de l'entraînement et du codeur, l'amplificateur d'entraînement et les contrôleurs.

Les trois méthodes couramment utilisées pour assembler les platines linéaires lors de l'utilisation d'encodeurs linéaires :
• Le mécanisme d'entraînement et l'encodeur sont positionnés dans le centre de gravité du chariot ou aussi près que possible de celui-ci.
• Le mécanisme d'entraînement est situé au centre de gravité ; l'encodeur est fixé sur un côté.
• Le variateur est situé d'un côté ; l'encodeur, de l'autre.

Dans un système idéal, l'entraînement est centré sur la masse du coulisseau, avec l'encodeur. Cependant, cette configuration est généralement irréalisable. Le compromis habituel consiste à décaler légèrement l'entraînement d'un côté et l'encodeur de l'autre. On obtient ainsi une bonne approximation d'un entraînement central, le retour d'information de mouvement étant placé à proximité du système d'entraînement. Les entraînements centraux sont privilégiés car la force motrice n'induit aucune force indésirable sur le coulisseau, évitant ainsi toute torsion ou tout blocage. Le système de paliers maintenant fermement le coulisseau, tout blocage entraînerait une augmentation du frottement, 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 d'entraînement ainsi générée simule un entraînement central. Cette méthode permet de placer le retour d'information de position au centre. Si cela s'avère impossible, il est possible de positionner des codeurs de chaque côté et de contrôler la table à l'aide d'un logiciel spécifique pour entraînement de portique.

Amplificateur de commande
Les amplificateurs de servocommande reçoivent des signaux de commande, généralement de ±10 Vcc, du contrôleur et fournissent la tension et le courant de fonctionnement au moteur. On distingue généralement deux types d'amplificateurs de puissance : l'amplificateur linéaire et l'amplificateur à modulation de largeur d'impulsion (MLI).

Les amplificateurs linéaires sont peu efficaces et sont donc principalement utilisés pour les applications de faible puissance. Leurs principales limitations en termes de puissance de sortie sont les caractéristiques thermiques de l'étage de sortie et la claquage des transistors de sortie. La puissance dissipée par l'étage de sortie est le produit du courant et de la tension aux bornes de ces transistors. À l'inverse, les amplificateurs PWM sont efficaces et généralement utilisés pour des puissances supérieures à 100 W. Ces amplificateurs modulent 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 réside dans la commutation de la tension, ce qui permet d'accroître considérablement sa capacité de dissipation de puissance.

Une fois le type d'amplificateur choisi, l'étape suivante consiste à s'assurer que l'amplificateur peut fournir le courant continu et la tension de sortie requis aux niveaux nécessaires 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 s'impose entre les amplificateurs. Deux types de commutation sont couramment utilisés : trapézoïdale et sinusoïdale. La commutation trapézoïdale est une commutation numérique où le courant de chacune des trois phases est soit activé, soit désactivé. Cette commutation est généralement assurée par des capteurs à effet Hall intégrés au moteur. Ces capteurs sont déclenchés par des aimants externes. Cependant, la relation entre les capteurs à effet Hall, les enroulements de la bobine et les aimants est critique et présente toujours une légère tolérance de position. Le temps de réponse des capteurs est donc toujours légèrement déphasé par rapport aux positions réelles de la bobine et des aimants. Ceci induit une légère variation du courant appliqué aux bobines, provoquant des vibrations inévitables.

La commutation trapézoïdale est moins adaptée aux applications de numérisation très précise et à vitesse constante. Cependant, elle est moins coûteuse que la commutation sinusoïdale et est donc largement utilisée pour les systèmes point à point à haute vitesse ou pour les systèmes où la régularité du mouvement n'a pas d'incidence sur le traitement.

Avec une commutation sinusoïdale, il n'y a pas d'allumage/extinction. Au contraire, grâce à une commutation électronique, le déphasage de 360° des trois phases est modulé selon une courbe sinusoïdale. Il en résulte une force constante et régulière fournie par le 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 par ordinateur.

Contrôleurs
Il existe bien plus de types de contrôleurs que nous ne pouvons en aborder ici de manière exhaustive. En résumé, les contrôleurs peuvent être classés en plusieurs catégories selon le langage de programmation et la logique de contrôle.

Les automates programmables industriels (API) utilisent une logique en « échelle ». Ils servent principalement à contrôler plusieurs fonctions d'entrée/sortie (E/S) discrètes, bien que certains offrent des capacités de contrôle de mouvement limitées.

Les systèmes de commande numérique (CN) sont programmés via un langage standard de l'industrie, RS274D ou une variante. Ils peuvent réaliser des mouvements complexes tels que des formes sphériques et hélicoïdales avec une commande multi-axes.

Les systèmes non-NC utilisent divers systèmes d'exploitation propriétaires, notamment des interfaces conviviales 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. L'hôte peut être un ordinateur, un terminal passif ou un terminal portable.

Presque tous les contrôleurs modernes sont numériques. Ils offrent une fiabilité et une simplicité d'utilisation inégalées par les contrôleurs analogiques. Le retour d'information de vitesse est généralement dérivé du signal de position de l'axe. Tous les paramètres d'asservissement sont ajustés par logiciel, évitant ainsi le réglage fastidieux des potentiomètres des amplificateurs de commande, qui ont tendance à dériver avec le temps et les variations de température. La plupart des contrôleurs modernes proposent également un réglage automatique de tous les paramètres d'asservissement des axes.

Les contrôleurs les plus avancés intègrent 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 permet d'obtenir des temps d'échantillonnage de l'ordre de 125 ms pour les servomoteurs. L'avantage réside dans un contrôle précis des axes, garantissant une vitesse constante et un suivi de contour fluide.

Un algorithme de filtrage PID (Proportionnel-Intégral-Dérivé) et une commande prédictive de la vitesse et de l'accélération optimisent le servocommande de l'axe. De plus, la programmation en S des profils d'accélération et de décélération contrôle les à-coups généralement associés aux démarrages et arrêts de la table. Il en résulte un fonctionnement plus fluide et mieux maîtrisé, avec des temps de stabilisation plus rapides en position et en vitesse.

Les contrôleurs intègrent également de nombreuses fonctionnalités d'entrée/sortie numériques ou analogiques. Le programme utilisateur ou la sous-routine peut être modifié en fonction de la position, du temps, de l'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 améliorer la résolution du retour de position par multiplication électronique. Si une multiplication par 4 est courante, certains contrôleurs avancés peuvent multiplier jusqu'à 256 fois. Bien que cela n'améliore pas la précision, cela accroît considérablement la stabilité de la position des axes et, surtout dans de nombreuses applications, la répétabilité.

Dans votre approche globale, outre les facteurs mentionnés ci-dessus, vous devez prendre en compte d'autres éléments 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 d'assembler un système à partir de composants standard et facilement disponibles, capables de répondre aux exigences applicatives les plus strictes, à condition d'analyser la compatibilité globale des composants depuis leur conception.