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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. Les (en)codeurs sont de deux types :

• Les codeurs incrémentaux, donnant des informations de déplacement (tops), mais ne donnant pas d'information sur la position. C'est l'électronique de commande qui doit mémoriser la position en fonction du nombre de tops reçu, et un contact de fin de course est généralement installé pour permettre une réinitialisation.
• Les codeurs absolus, qui donnent une position absolue par rapport à une référence. La difficulté étant, pour un encodeur rotatif, de coder sur un certain nombre de tours. Leur usage est peu fréquent en CNC.

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.

photos PRZ - Bande d'un encodeur linéaire sur un traceur HP750C

Un lien sur le choix entre servomoteurs et moteurs pas-à-pas

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 matériel disponible

Cartes disponible dans le commerce

• Les cartes de Soprolec
• Les cartes de IM service (79US$)
• Les cartes de Laurent Fouga.
• Les cartes GeckoDrives.

• Les cartes Rutex.

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

Encodeurs

Encodeur économique: didel

Les pieds a coulisse numériques, disponibles pour une trentaine d'euros, comportent des encodeurs linéaires, mais avec une sortie série, qui nécessite d'être convertie.
Des informations complémentaires :

• Circuit de décodage, en anglais
• shumatech, en anglais
• en allemand
• en allemand
• un kit, toujours en allemand

D'un point de vue pratique, certains ont installés les éléments suivants, achetés chez Farnell, avec des cartes Gecko:
Encodeur ref 328-8109 plus un disque 280-896 (Total 38 Euros).

Autres encodeurs: usdigital
Sur le même site, des encodeurs linéaires

Encodeurs à partir d'éléments de souris : tmt.robot.free.fr

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 :

• Comment récupérer les infos d'un encodeur

Composants électroniques

Voir les notes d'application de la société Microchip :

• AN532 Servo control of a DC brush motor (PIC17C42)
• Programme AN532
• AN696 PIC18CXX/PIC16CXX DC servomotor application
• Programme AN696
• AN718 Brush DC servomotor implementation using PIC17C756A
• Programmes AN718
• DS70063B sur les encodeurs à quadrature

Les coûteux composants classiques de National Semiconductor pour servomoteurs : LM628 et LM629

• Datasheet LM628
• Note d'application AN693 (programmation)

Un composant plus récent :MC33030

Contrôle par programme

Un programme pour microcontrôleur sur PIC :

• http://fribotte.free.fr/bdtech/PidSurPicV2/PidSurPicv2.html

Un contrôleur de servo essentiellement logiciel :

• http://www.worldservo.com/dnload/WS%20Soft%20Controller%20v1.7.pdf