Technique

Servomoteurs

Catégories: Moteurs, Servomoteurs

Principes

Définition

Un servomoteur (couramment appellé 'servo') est un moteur à courant continu ou un moteur sans balai (brushless), dont la position est vérifiée en continu et corrigée en fonction de la mesure. C'est donc un mécanisme asservi, d'ou le nom de 'servo' .
Il existe différents systèmes de mesure de position, mais les plus courants sont appelés 'encodeurs', car ils retournent un code donnant une information de déplacement. Voir la page spécifique sur les encodeurs

Les codeurs peuvent être installés sur l'arrière du servomoteur, auquel cas ils renvoient les déplacements du moteur, mais ils peuvent aussi être installés en aval de la transmission de mouvement, par exemple le long d'un chariot, et dans ce cas, il s'agira d'encodeurs linéaires. C'est intéressant car la mesure se fait un tenant compte des jeux et des déformations de la transmission, et la précision en est améliorée. C'est le cas sur de nombreux traceurs à jet d'encre, ou des encodeurs optiques linéaires renvoient les déplacements de la tête porte-cartouche.

Asservissement

On dispose d'un coté d'une information de position, et de l'autre d'une consigne de position ou de déplacement. Il faut donc en fonction de la différence entre la position requise et la position mesurée donner un ordre de déplacement au moteur.
Ceci s'appelle une boucle d'asservissement.
Cette boucle doit tenir compte non seulement de l'écart entre la position mesurée (la mesure) et la position demandée (la consigne), mais aussi de l'accélération, de la réponse du système (son inertie, ses frottements), de l'évolution des écarts entre consigne et mesure avant le point actuel. La méthode la plus courante pour réaliser un asservissement est dite PID (Proportionnelle, Integrale, Dérivée).

Comment donner les ordres de déplacement

il existe deux possibilités :

  • On donne des ordres de déplacement sous forme de trajectoire, ou de point à atteindre en un temps fixé. Des jeux de commandes sont définis pour donner les ordres aux cartes électroniques. Généralement, ces ordres sont transmis par une liaison série, et le calcul des trajectoires est effectué dans la carte.
    Malheureusement, il n'existe pas de standard pour les commandes, et elle dépendent du fabricant de l'électronique de commande.
  • On envoie des commandes de déplacement de type 'pas' et 'direction' de manière identique aux ordres envoyés par un moteur pas à pas. La carte se charge de calculer les posistions intermédiares pour lisser les ordres de mouvement. Il est donc possible d'utiliser les logiciels prévus pour une commande de moteur pas à pas sans aucune modification. En contrepartie, on doit faire face aux mêmes limitations.

Ne pas confondre !

Un servomoteur est dans le domaine de la CNC un moteur commandé de manière à effectuer des centaines de tours pour actionner une transmission destinée à parcourir une course allant de 100 à 3000 mm.
Le même terme est utilisé pour les servomoteurs de modélisme, dont la sortie se fait généralement en rotation sur un angle de l'ordre de 140°. Il s'agit aussi d'un mécanisme asservi en position, d'ou le terme de 'servo' mais la précision est faible, et le principe de commande très différent. La position est définie par la largeur (le temps) d'une impulsion dans un train d'onde généré à une fréquence fixe. Bien que la philosophie générale soit analogue, rien dans un mécanisme de servomoteur de modélisme n'est utilisable dans une machine CNC, pour des raisons de précision, de puissance et de nature du signal de commande.

Le réglage

Il s'agit d'ensembles asservis dont la réponse va dépendre de l'inertie de la machine. Il est donc nécessaire d'effectuer le réglage des paramètres de régulation. Certaines cartes sont capables de se régler toutes seules en fonction de la réponse du système (paramètres auto-adaptatifs). Il faut parfois un programmeur pour régler certaines cartes.

Servomoteurs à Balais et servomoteurs sans balais

Les servomoteurs à balais se trouvent facilement car les cartes de contrôles sont simples à réaliser. Ils ont cependant le défaut de tout moteur à balais, à savoir qu'il faut changer les balais régulièrement et le servomoteur s'use.
Les servomoteurs sans balais (brushless) sont plus fiables mais généralement l'ensemble est nettement plus cher.
IL existe cependant un constructeur Hongrois de cartes pour servomoteur relativement réputé qui vends des servomoteurs sans balais avec des cartes à prix raisonnable, CNCDrive.

Signaux des encodeurs

Suivant les cartes, il est nécessaire de connecter 4 ou 6 fils sur l'encodeur. Les connexions à 6 fils sont nettement moins sensibles aux parasites. Il existe des petit convertisseurs de signaux permettant de convertir les signaux à 6 fils vers 4 fils. En particulier, les servomoteurs Gecko n'acceptent que 4 fils.

Les systèmes de freinage

Les CNC sur servomoteurs sont souvent plus rapides que sur moteurs pas à pas. Lors d'une décélération rapide à haute vitesse, l'inertie des pièces en mouvement tend à entraîner les moteurs et ceux-ci produisent du courant. Si les condensateurs de l'alimentation n'ont pas une capacité suffisante pour absorber cette énergie, il se crée un pic de tension important qui peut détruire des composants. Il existe des cartes de 'freinage' qui permettent de dissiper cette énergie dans des résistance dès que la tension dépasse une certaine valeur. Voir par exemple ici

Le matériel disponible

Cartes disponible dans le commerce

Attention, sur ce site, ce qui est appelé servomoteurs hybrides est en fait des moteurs pas à pas avec asservissement de contrôle. C'est une bonne technologie, mais ce ne sont pas des servomoteurs. Cette technologie (d'un autre fournisseur) est utilisée par Shopbot depuis longtemps.

Vous trouverez (en anglais) une revue extrêmement détaillée des matériels et des services de différents constructeurs sur ce site. Cependant, ce texte date de 2010 et les matériels ont évolué depuis, notamment ceux de CNCDrive.

Cartes de construction amateur

Pour une carte de construction amateur, on attend toujours...

Il existe une liste de diffusion courriel au sujet de la construction d'une carte de commande de servomoteurs, voir listes de diffusion.

Servomoteurs

Les servomoteurs des machines professionnelles sont des moteurs étudiés pour avoir le moins d'inertie possible, pour améliorer les accélérations. Ils ne doivent pas non plus chauffer, même lorsqu'ils tournent lentement.

Pour un usage amateur, ou la performance en accélération est indifférente, il a été suggéré l'utilisation de moteurs de lève-vitre. Pour les applications courantes, les moteurs d'essuie-glace sont semble-t'il trop puissants. Cependant, un moteur d'essuie-glace est prévu pour un service continu et un moteur de lève-vitre seulement pour un service intermittent. Un retour d'expérience dans la durée est souhaitable.

Servomoteur de récupération. L'alimentation du moteur étant faite par deux fils, il s'agit d'un moteur à balais (les moteurs sans balais sont alimentés avec trois fils).

photos Gérard Lemaire

Quelle tension d'alimentation

Voir la page Tension d'alimentation d'un servomoteur

Plus de détails

Boucle d'asservissement

Il existe diverses méthodes pour commander une boucle d'asservissement, la plus connue et la plus utilisée étant la méthode dite PID (Proportionnelle, Intégrale, Dérivée).
L'ordre donné au moteur va dépendre de :

  • L'écart entre la mesure de position et la consigne. C'est le coefficient proportionnel P. Dito la puissance est proportionnelle à l'écart angulaire entre la position réelle et l'objectif à atteindre.
  • Le total des écarts entre mesure et consigne depuis que la boucle est lancée. C'est le coefficient d' intégrale I. Il permet de prendre en compte le fait que l'on est 'à la traîne' depuis un certain temps, et qu'il faut donc faire un effort complémentaire en plus de l'effort introduit par le coefficient proportionnel.
  • La variation de vitesse du moteur (l'accélération). C'est le coefficient de dérivée D. Une accélération ou décélération induit des efforts d'inertie qui doivent être compensés.

Quand ces coefficients ne sont pas réglés correctement, le fonctionnement est soit instable, avec des oscillations autour de la consigne, soit 'mou', avec des difficultés à rattraper la consigne. Il existe des méthodes de réglage qui ne seront pas abordées ici. Certains systèmes de réglage sont capables de s'auto-régler en faisant des tests de déplacement sur l'équipement, et d'autres sont capables de s'auto-ajuster en continu en fonction du comportement du système.

Plus de détails sur la boucle PID.

Liens utiles

Un cours sur les boucles PID en Français :
http://www.ancr.org/fichtech/action/pid/index.htm

Explications sur les boucles PID en Français:
http://ancrobot.free.fr/TechFiles/techfile.php?TableNum=4

Méthode de réglage Ziegler-Nichols (en Français)
http://thomas.cremel.free.fr/wiki/wikiread.php?ZieglerNichols

Un contrôleur de servos (en Anglais)
http://elm-chan.org/works/smc/report_e.html

Un cours sur les boucles PID avec une méthode simple de réglage:
http://www.shu.ac.uk/schools/eng/teaching/rw/pidframe.htm

Un autre cours (en Anglais):
http://www.engin.umich.edu/group/ctm/PID/PID.html

Comment transformer un moteur en servomoteur (Anglais)
http://www.truetex.com/servomod.htm

Un ensemble de cours sur les asservissements :
xcotton électronique

Les encodeurs à quadrature

... à faire, avec un schéma de timing

En anglais :

Composants électroniques

Voir les notes d'application de la société Microchip :

Un composant plus récent :MC33030

Contrôle par programme

Un programme pour microcontrôleur sur PIC :

Un contrôleur de servo essentiellement logiciel :

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Page mise à jour le 01/10/2015 13:05