La commande d`axe

La commande d’axe
TS MAI
LA COMMANDE D’AXE
1 Introduction des concepts
1.1
Positionnement simple
Quand il n’y a pas d’action de la sortie sur l’entrée (pas de retour pas de correction), la commande
est dite en chaîne directe ou en boucle ouverte.
La précision d’un tel système est directement liée à la partie opérative et à la vitesse de déplacement
aux environs de la valeur visée, d’où la nécessité d’avoir des décélérations pour limiter les effets de
l’inertie et donc une augmentation des temps de parcours.
∆t grand si l’on veut une bonne précision
D’autre part, toute perturbation extérieure est directement reportée à la sortie.
Ces quelques remarques nous montrent que le positionnement en chaîne directe atteint très vite ses
limites. Il peut être néanmoins utilisé dans le cas de systèmes où les temps de positionnement ne sont
pas contraignants et les perturbations extérieures peu importantes.
Pour réduire ces différentes sources d’erreur il est nécessaire d’introduire la notion de système asservi
qui permet une correction de l’entrée par la sortie.
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1.2
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Système asservi – Boucle fermée
Lorsque la précision ne peut être obtenue par la commande en chaîne directe, on est amené à
introduire une commande en boucle fermée.
Dans ce cas, ce n’est plus la grandeur d’entrée qui pilote la sortie mais l’écart Σ entre cette grandeur
(e) et la grandeur de sortie (s).
Σ = e – s (Σ est la grandeur de commande)
Il faut donc adjoindre au système un
capteur de mesure de la grandeur de
sortie. La nouvelle chaîne ainsi
constituée est la chaîne de retour.
Pour définir l’écart Σ, il est
nécessaire d’introduire un
comparateur (détecteur d’écart) à
l’entrée de la chaîne directe.
Les signaux d’entrée et de sortie
doivent être de même nature si l’on
veut les comparer (d’où adjonction
éventuelle de convertisseurs)
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La structure d’un tel système est la même que celle de tout SA ( PC + PO). La différence
fondamentale réside dans le signal de consigne (e) : c’est un signal continu analogique ou numérique
et non un signal TOR.
•
(e) consigne ou ordre ou valeur visée : c’est la valeur numérique exprimant la position désirée
en valeur absolue ou relative.
•
(s) signal de retour ou mesure ou valeur réelle obtenue : c’est la valeur numérique ou
analogique exprimant la mesure de la position occupée.
•
Comparateur : c’est la logique de commande, le régulateur de positionnement, la carte d’axe
insérée dans le rack de l’automate.
•
Pré-actionneur : c’est le variateur électronique qui permet de commander l’apport d’énergie à
l’actionneur.
•
Actionneur : organe moteur agissant sur la grandeur asservie.
•
Capteur de position : c’est l’élément qui permet la mesure de la position.
La chaîne d’action ou chaîne directe assure les fonctions de commande et d’amplification de
puissance.
La chaîne de retour assure la fonction précision. L’ensemble de ces deux chaînes constitue le
système asservi.
2 Expressions de la valeur visée
Les valeurs visées peuvent s’exprimer de deux façons différentes :
Mode absolu
Mode relatif
Les coordonnées des points sont définies toujours par rapport
à une même origine dite zéro.
Les coordonnées d’un point sont définies par rapport aux
coordonnées du point précédent.
Les consignes ou les valeurs visées des points A et B sont
exprimées en valeur absolue
Les consignes ou valeurs visées des points A et B sont
exprimées en valeur relative > 0 ou <0
3 Réalisations technologiques
3.1
Partie opérative
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On considérera comme Partie Opérative l’ensemble Actionneurs Processus physique et capteurs
associés.
3.1.1 Différents types d’actionneurs
Actionneurs linéaires
Electro-aimants
Vérins électriques
Vérins pneumatiques
Vérins hydrauliques
Actionneurs rotatifs
Moteurs asynchrones
Moteurs pas à pas
Moteurs à courant continu
Moteurs auto synchrones ou synchrones
auto pilotés
Moteurs hydrauliques
Les actionneurs rotatifs sont de loin les plus utilisés dans le domaine de la commande d’axe.
Les moteurs hydrauliques étaient très souvent utilisés en raison de leur très bonne puissance
massique (rapport de la puissance développée par l’actionneur sur sa masse) et du couple massique
disponible, malgré les inconvénients apportés par cette énergie (pollution, fuites, maintenance
difficile).
Les progrès technologiques actuels permettent de trouver des moteurs électriques fournissant des
couples et des puissances massiques de plus en plus élevés. De plus ces actionneurs sont de mise
en œuvre facile et ne nécessitent qu’un entretien réduit.
Actuellement, environ 90% des robots sont à motorisation électrique. Dans la majorité des cas, les
constructeurs utilisent des moteurs à courant continu.
Les performances (puissance massique et couple) et les facilités d’utilisation des moteurs autosynchrones semblent en faire les futurs moteurs des commandes d’axe.
3.1.1.1 Moteur ASYNCHRONE
PRINCIPE
CARACTERISTIQUES
Ns :
vitesse de synchronisme
Ns=F/p
F:
Fréquence (Hz)
P:
nombre de paires de pôles sur
chaque phase
C’est un moteur à induction composé de
deux parties :
Une armature mobile ou rotor
Une armature fixe ou stator
comportant des bobinages.
Cd :
couple de démarrage
Cn :
couple nominal
On crée un champ tournant d’induction
Bs en alimentant les bobinages par un
courant alternatif polyphasé. Cette
induction crée un courant i dans une
spire liée au rotor. Ce courant produit un
couple sur l’arbre du rotor
g = Ns – Nn
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Phénomène de glissement g
ANALYSE
Simplicité
Robustesse
Prix très faible
Peu d’entretien
Appel de courant important au
démarrage
Pas de réglage de vitesse
Pas de démarrage fréquent
Couple faible à basse vitesse
La variation de vitesse est obtenue par la
variation de fréquence du courant
alternatif.
Nn < Ns
Nn :
Vitesse nominale
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3.1.1.2 Moteur PAS A PAS
PRINCIPE
CARACTERISTIQUES
Nombre de positions, ou pas
par tour
Couple maximum disponible
en régime permanent C0
Couple à l’arrêt (couple de
maintien) selon type C’0
Mode de fonctionnement (pas
à pas ou entraînement)
La rotation de ce type de moteur est
discontinue.
ANALYSE
Le stator est constitué de plusieurs
bobines alimentées successivement par
des impulsions de courant continu.
Le rotor est constitué d’un aimant
permanent qui va s’aligner sur les
directions successives de l’induction ou
d’un rotor denté en matériau magnétique
qui s’aligne dans la position de réluctance
minimale.
Mise en œuvre aisée (pas de
capteur)
Pas d’entretien
Coût modeste
Principe de commande
simple par chaîne directe
Existence d’un couple de
maintien
Puissance limitée à 5Kw
Mode de fonctionnement
délicat
Instabilité dans les basses
fréquences
Sensibilité à la charge très
importante
Précision relative (1%)
Contrôle des accélérations
difficile(pour ne pas perdre
de pas)
Risque de perte de pas en
cas de couple demandé par
la charge.
La commande d’un moteur Pas à Pas
nécessite la présence d’un translateur
pour obtenir le nombre de pas par tour.
3.1.1.3 Moteurs A COURANT CONTINU
PRINCIPE
CARACTERISTIQUES
Couple de définition (N.m)
C = k.I.Φ
k :coefficient
I : courant d’induit (Ampère)
Φ : flux (Tesla)
Le moteur à courant continu comprend
deux parties :
- L’armature fixe (stator) constitué par un
enroulement parcouru par un courant I1 ou
par un aimant permanent crée un champ
Bs : c’est l’INDUCTEUR
Vitesse de rotation (Tr/s)
N =U −RI
kΦ
U = tension d’induit (volt)
ANALYSE
Variation de vitesse facile
Couple important à basse
vitesse et facile à contrôler
Coût moyen ou élevé
Echauffement important
Poids de l’ensemble moteurvariateur important
Fonctionnement à grande
vitesse pouvant créer un arc
et une usure prématurée des
balais.
- L’armature mobile (rotor) comporte des
conducteurs parcourus par un courant I2
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continu. L’alimentation est faite par
l’intermédiaire d’un collecteur sur lequel
glissent les balais. Sous l’action du champ
Bs, ces conducteurs sont soumis à une
force créant un couple moteur : c’est
l’INDUIT.
Les moteurs à courant continu les plus
utilisés en commande d’axe sont les
moteurs à induit bobiné à aimants
permanents
Pour diminuer l’inertie, on utilise souvent
des moteurs plats dans lesquels le rotor
est un disque.
1 : Courbe à puissance nominale
2 : Limite de bonne commutation du
moteur (pour éviter l’usure des balais)
3.1.1.4 Moteur AUTO-SYNCHRONE ou SYNCHRONE AUTO-PILOTE ou
BRUSHLESS ou moteur CC SANS BALAIS.
PRINCIPE
CARACTERISTIQUES
Couple
C = k.I (N.m)
ROTOR A
AIMANTS PERMANENTS
Fonction directe du courant de
commande
Comportement analogue à
celui d’un moteur CC
Le moteur auto-synchrone comporte trois
parties :
- Le rotor constitué de paires de pôles
créant un champ magnétique Br
Couple massique élevé
Performances très élevées
(accélération et vitesse)
Grande fiabilité
Grande durée de vie (celle
de la mécanique)
Couple important quelle que
soit la vitesse
Coût élevé
Electronique de commande
importante
La vitesse est fonction de la fréquence
de la tension d’alimentation.
- Le stator comportant des bobinages
alimentés en alternatif créant un champ
tournant Bs
- Un capteur de position angulaire qui
détecte la position du rotor. On peut donc
à tout moment avoir un déphasage
maximal entre les deux champs, donc le
couple maximum pour un courant donné.
ANALYSE
1 : Limite thermique en régime
permanent
Cp Couple maxi en régime permanent
2 : Limite de fonctionnement électrique
Nn Vitesse nominale
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3.1.2 Tableau comparatif des actionneurs rotatifs
Moteur
Auto-Synchrone ou
synchrone
auto-piloté
1 à 20 000
3000 tr/mn à
10000 tr/mn
Moteur asynchrone
Moteur
pas à pas
Moteur à Courant
Continu
Variation de vitesse
1 à 20
1 à 100
1 à 20 000
Vitesse maximale
3 000 tr/mn
1 500 tr/mn
4000 tr/mn
Couple maximum
1 500 mN
50 mN
200 mN
400 mN
Rapidité de réponse
Moyenne
Bonne
Bonne à excellente
Excellente
Relations avec
la P.C.
Facile
Très facile
Très facile
Très facile
Stabilité
0,5 à 2%
Risque de
décrochage
0,1 à 0,3 %
0,1 à 0,3 %
Volume - Poids
Faible
< moteur CC
Fiabilité
Excellente
Bonne
Celui du
moteur CC
Bonne
Puissance massique
très élevée
Excellente
Coût
Bas
Moyen
Moyen
Elevé
3.1.3 Eléments mécaniques
3.1.3.1 Transformation de mouvement
Il est souvent nécessaire de transformer le mouvement à la sortie de l’actionneur. En effet, la plupart
du temps, on a à convertir un mouvement de rotation (sortie du moteur) en un mouvement de
translation (déplacement du mobile).
Les principaux convertisseurs mécaniques utilisés sont :
1.
2.
3.
4.
5.
Système Vis-Ecrou
Pignon-Crémaillère
Courroie crantée
Bielle-Manivelle
Came-Levier
VIS ECROU
PIGNONCREMAILLERE
COURROIE CRANTEE
Rendement
BON
BON
TRES BON
Réversibilité
OUI
OUI
OUI
Frottement
FAIBLE
MOYEN
MOYEN
Réduction de
vitesse
TRES IMPORTANTE
IMPORTANTE
IMPORTANTE
Course
LIMITEE
LIMITEE
ILLIMITEE
Vitesse de
déplacement
MOYENNE
GRANDE
GRANDE
Coût
ELEVE
MOYEN
MOYEN
Inertie
FAIBLE
MOYEN
TRES FAIBLE
Charge transportée
MOYEN
IMPORTANTE
FAIBLE
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Les constituants doivent être :
Rigides pour améliorer la stabilité et la précision
Légers pour diminuer le temps de réponse et les efforts.
La réalisation doit être :
Précise pour augmenter la précision et le bon fonctionnement
Pas trop précise pour ne pas augmenter le coût.
Le choix de cette partie mécanique est un compromis entre certains impératifs contradictoires
(précision-coût par exemple). Le constructeur joue dans ce cas un rôle d’arbitre important pour la
bonne marche du système.
3.1.3.2 Les guidages
Les principaux types de guidages utilisés sont :
1.
2.
3.
4.
Colonnes + douilles à billes
patins ou rails
profilés aluminium
guidages prismatiques
La plupart réduisent considérablement le problème du frottement par l’introduction d’éléments roulants
entre les surfaces en déplacement relatif
COLONNES
DOUILLES à BILLES
RAILS
PROFILES
BONNE
TRES BONNE
MOYENNE
< 5m/s
< 1m/s
< 3m/s
50 m/s²
50 m/s²
50 m/s²
Coût
BAS
ELEVE
BAS
Course
LIMITEE
FAIBLE
ILLIMITEE
Usinage
PRECIS
PRECIS
FAIBLE
Précision
Vitesse de
déplacement
Accélération
maximale
3.2
Partie commande
On peut considérer comme partie commande l’ensemble variateur de vitesse, capteur de position,
traitement du positionnement.
En variation de vitesse électronique, le moteur électrique est alimenté à partir du réseau par un circuit
de puissance qui, sous la dépendance d’un circuit de contrôle, va permettre de doser l’énergie
délivrée au moteur, en fonction des besoins instantanés de la partie opérative en couple et en vitesse.
Dans ce circuit de puissance, l’énergie change plus ou moins de forme. Ce type de circuit est appelé
communément convertisseur.
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3.2.1 Les variateurs courant alternatif
3.2.1.1 Convertisseurs de fréquence et moteur asynchrone
Ce variateur comprend :
- une source de tension continue élaborée à partir d’un
redresseur alimenté par un réseau monophasé ou triphasé et
d’un circuit de filtrage.
- Un onduleur constitué de transistors de puissance ou de
thyristors.
Cet onduleur crée à partir de la tension continue fixe un réseau
alternatif triphasé à tension et à fréquence variables.
Pour disposer d’un couple constant il faut U/f = constante
Le variateur est piloté par une unité de contrôle qui, organisé
autour d’un microprocesseur assure les fonctions de commande
des composants de puissance, de dialogue, de protection et de
sécurité.
De plus en plus ce type de variateur fonctionne en modulation
de largeur d’impulsion (MLI sinus ou PWM sinus). Cette
technique permet un découpage qui respecte le mieux le
caractère sinusoïdal du courant assurant ainsi une rotation
régulière et sans à coup des moteurs même à très basse
vitesse.
Le variateur est conçu pour fournir en permanence l’intensité
nominale du moteur. En régime permanent le couple utile est
voisin de 0,95 fois le couple nominal moteur.
Le variateur peut être du type 2 quadrants (1,3) si la partie
opérative nécessite une puissance mécanique.
Si la partie opérative fournit une puissance mécanique, le
moteur devient générateur et le variateur doit être du type 4
quadrants.
Le signal de commande est généralement de la forme 0-10v
avec sens AV ou AR.
Sur ces variateurs des potentiomètres internes permettent de
régler les rampes d’accélération et de décélération.
La vitesse nulle n’est possible que pendant un court instant.
Pour des maintiens en position s’il est nécessaire d’y adjoindre
un frein.
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Rappel des quadrants de fonctionnements
≡
Quadrants 1 et 3
Quadrants 2 et 4
Marche en moteur. Le moteur fournit une puissance mécanique.
Marche en freinage. Le moteur absorbe une puissance mécanique.
3.2.1.2 Convertisseurs de fréquence et moteur brushless
Ce variateur comprend :
- Un redresseur qui élabore une tension continue à partir de la
source alternative.
- Un onduleur commandé par le capteur de position qui permet
de distribuer le courant dans les phases convenables.
- Un circuit de commande qui assure la régulation de
l’amplitude et de la commutation de la phase dans chaque
bobinage (boucles d’auto-pilotage)
Ce type de moteur intègre un capteur angulaire de position qui
est souvent un résolver industriel à haute définition (capteur
sans contact).
Le système de mesure de position commande l’onduleur et
définit les instants de commutation en fonction de la position
du rotor et modifie le courant de l’alimentation de telle manière
que le moteur fonctionne à son optimum de couple (qe=90°).
C’est le type d’ensemble variateur moteur qui s’utilise de plus
en plus en commande d’axe.
Il fonctionne dans les 4 quadrants et est équipé d’un dispositif
de freinage intégré.
La mesure issue du capteur de position nécessaire au
fonctionnement du moteur peut être numérisée et servir de
mesure de position pour le système de traitement de la
commande d’axe.
Son utilisation ne nécessite que très peu d’équipements
auxiliaires, la sécurité de l’ensemble moto-variateur étant
assurée par le variateur.
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Principe du résolver
C’est un capteur inductif à couplage magnétique variable.
Il est constitué :
- d’un bobinage rotor inducteur, alimenté par une tension
alternative de 5 à 30V à une fréquence de 400 à 10000 Hz de
la forme Ur sin wt.
- De deux bobinages induits, au stator, disposés à 90° dont les
tensions fonction du sinus et du cosinus de l’angle de rotation
du rotor par rapport au stator, permettent d’extraire cet angle.
Les résolvers ou synchro-résolvers sont actuellement du type
sans balai. Un transformateur tournant remplace les balais, ce
qui les rend très fiables et robustes. Le transformateur est
constitué de deux bobinages concentriques.
Ce capteur requiert une électronique de traitement complexe à
démodulateur ou à convertisseur analogique numérique.
Longtemps pénalisé par son coût, il se développe grâce à la
mise au point de circuits intégrés spécifiques. Il permet
d’obtenir une précision de 3 minutes d’angle sur 360° soit
7200 pts/tour.
L’information de position est absolue sur un tour.
3.2.2 Les variateurs courant continu
L’intérêt essentiel du moteur à courant continu pour les servomécanismes réside dans la simplicité du
principe d’obtention d’une vitesse variable. Elle est obtenue par variation de la tension d’induit. Le
couple est contrôlé par le courant.
Le variateur comprend :
- Un redresseur
- Une commande de la tension redressée
La partie redresseur peut être de deux types :
- soit un redresseur simple de courant alternatif télécommandé
(simple pont)
- soit un hacheur télécommandé.
L’intérêt du redressement par hacheur permet d’obtenir une
gamme de vitesse beaucoup plus importante de 1 à 10000,
par rapport au redressement simple qui est de 1 à 1000.
Le variateur est conçu de telle manière qu’à vitesse nulle, le
moteur présente une raideur (couple à l’arrêt) due à un courant
de maintien.
C’est le couple moteur variateur le plus utilisé en commande
d’axe. Son couple est proportionnel au courant de l’induit et sa
vitesse ne dépend que de la tension d’alimentation.
Le moteur courant continu associé à son variateur de vitesse
n’est pas plus onéreux qu’un moteur asynchrone à cage
standard commandé par un convertisseur de fréquence qui fait
appel à une électronique beaucoup plus sophistiquée.
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3.2.2.1 Tableau comparatif Moteurs-Variateurs
Moteur asynchrone Moteur courant
Moteur courant
+ convertisseur de
continu +
continu + hacheur
fréquence
redresseur contrôlé
Moteur synchrone
auto-piloté et
convertisseur
Vitesse maxi
3000 tr/min
3000 tr/min
3000 tr/min
10000 tr/min
Gamme de vitesse
1 à 50
1 à 100
1 à 10000
1 à 30000
Possibilité de vitesse nulle
NON
OUI
OUI
OUI
Rapidité de réponse
Bonne (dépend des
rampes)
Très bonne
Très bonne
Excellente
Coût
Moyen
Moyen
Moyen
Elevé
4 POSITIONNEMENT SIMPLE
Lorsque la conception de la partie opérative permet de maintenir la réponse dans la zone de précision
demandée (valeur visée) malgré les éventuelles perturbations, on doit choisir une commande en
chaîne directe.
Il n’y aura aucune action de la sortie sur l’entrée.
La chaîne directe peut être constituée d’un certain nombre de composants de gain K
On définit le gain en chaîne directe ka ou gain d’amplification par le produit de chacun des gains.
Ka = K1.K2.K3
(avec Ka = s/e)
Il est bien évident que le gain de la chaîne directe ne peut pas augmenter indéfiniment sans risque de
casser la mécanique. Il ne doit pas non plus être trop faible pour ne pas risquer un blocage du
mouvement.
Les variations de charge (inertie), les perturbations extérieures éventuelles agissent également
directement sur la sortie.
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Valeur visée : exprimée en point (nombre d’incréments codeur)
Sorties carte de positionnement simple : sorties TOR commutant une tension à l’entrée du
variateur.
GV AV grande vitesse avant correspondant à U = + 10 v
PV AV petite vitesse avant correspondant à U = + 2 v
GV AR grande vitesse arrière correspondant à U = - 8 v
4.1
Positionnement simple par comptage
4.1.1 Actionneur pas à pas
Le translateur convertit les impulsions élémentaires de déplacement en une séquence de commutation des phases moteur en
fonction du sens avant ou arrière. L’API équipé de la carte de comptage rapide joue le rôle d’indexeur. La consigne numérique
de déplacement générée par l’UC sert de seuil de comptage à la carte.
Une sortie TOR de cette même carte valide la génération d’impulsions. Une autre sortie TOR définit le sens de rotation du
moteur. Les impulsions appliquées au translateur sont comptées par la carte. La valeur de seuil atteinte, l’envoi des impulsions
est stoppé, sans attendre un ordre de l’UC, la carte étant un module intelligent donc autonome.
4.1.2 Actionneur continu et capteur de position
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L’API équipé d’une carte de comptage rapide effectue la mesure de position du mobile par son entrée capteur incrémental. Les
sorties TOR sélectionnent les vitesses préréglées d’un variateur. La carte de positionnement reçoit de l’UC de l’API la consigne
numérique de position et 1 ou 2 seuils de changement de vitesse. Cette carte de fonctionnement autonome compare la mesure
instantanée de position aux valeurs des seuils permettant le passage en grande ou en petite vitesse avant et arrière.
Lors du positionnement à un point, la carte est autonome. La valeur visée atteinte, l’ordre d’arrêt est généré en moins de 900
microsecondes
Pour exécuter un autre positionnement, la carte doit recevoir des informations de l’UC.
La position visée n’est pas exprimée en unité de longueur mais en nombre d’incréments capteurs. Il est judicieux de choisir le
capteur en fonction la partie mécanique (par exemple 400 pts par tour si la vis à billes a un pas de 4mm).
4.1.3 Comptage et sortie analogique
L’API équipé d’une carte de comptage rapide effectue la mesure de position du mobile par son entrée capteur incrémental. Les
sorties TOR sélectionnent les vitesses préréglées d’un variateur. La carte de positionnement reçoit de l’UC de l’API la consigne
numérique de position et 1 ou 2 seuils de changement de vitesse. L’UC interroge cycliquement la carte de comptage et en
fonction des réponses génère une rampe d’accélération ou de décélération au travers de la carte de sortie analogique. Cette
rampe est crée par incrémentation ou décrémentation plus ou moins rapide d’un mot binaire. Ce mot étant envoyé à la carte
analogique, dont la sortie va croître ou décroître régulièrement.
Performances :
Accélération et décélération mieux contrôlées.
Précision à la valeur visée fonction de la charge et de la loi de vitesse.
Temps de réponse fonction du temps de traitement de UC, car un échange carte de comptage – UC est nécessaire et un
échange UC – Carte analogique aussi .
Configuration de l’axe inexistante. La position visée n’est pas exprimée en unité de longueur mais en nombre d’incréments
capteurs.
5 POSITIONNEMENT ASSERVI
Lorsque le positionnement simple ne permet pas de respecter les contraintes de positionnement
compte tenu des précisions, des vitesses et des perturbations extérieures, il est nécessaire d’adopter
une solution de positionnement asservi.
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Un SERVOMECANISME est un système asservi dont la grandeur de sortie est une grandeur
mécanique (position, vitesse, force…)
La Machine outil et plus récemment la Robotique représentent un champ d’application important de
ces servomécanismes ; ces deux domaines ont pour objectif celui du positionnement d’axes.
Par extension on utilise le terme COMMANDE D’AXE pour désigner les servomécanismes de ce
type.
5.1
Application type
Asservissement en position en boucle fermée – Technologie électrique
La boucle de position nous permet de garantir la précision au point d’arrêt. Cette précision est
obtenue par comparaison entre la position désirée et la position mesurée. L’écart agit sur un variateur
de vitesse.
Pour que le déplacement s’exécute dans certaines conditions (vitesse, accélération) il est nécessaire
d’introduire par l’intermédiaire du correcteur une certaine loi de commande (consigne). Cette loi
préétablie selon le type de déplacement désiré, est le plus souvent trapézoïdale.
L’étude complète d’un servomécanisme nécessiterait l’introduction de très nombreuse notions. Cellesci sont traitées dans le cours sur les Asservissements. Seuls certains aspects pratiques seront ici
abordés.
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Dans une commande d’axe, les différents gains de la boucle sont figés( partie mécanique, variateur,
capteur).
Le seul paramètre facilement modifiable est le gain de l’organe de commande : c’est le gain de la
carte d’axe intégrée à l’API. C’est ce que l’on appelle le gain de position KPOS
KPOS = f(Valeur visée – Valeur mesurée)
L’augmentation du gain KPOS augmente la précision.
La diminution du gain KPOS améliore la stabilité.
Un système est stable si en l’absence de perturbations, la valeur de la grandeur de sortie (s) tend vers
la valeur voulue (valeur visée)
Pour mettre en évidence l’influence du gain, on branche un oscilloscope à la sortie de la génératrice
tachymétrique. On observe la variation de la vitesse en réponse à une entrée correspondant à un
échelon de position de 0 à 10 v
Gain trop faible
La réponse machine est lente, elle a un temps de
réaction trop important.
t1 est grand
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Gain correct
La réponse machine est linéaire sur la montée en
vitesse comme sur la descente et ne comporte
pas d’oscillation. Elle est franche.
t1 correct
Gain trop fort
La réponse machine est aussi très franche mais
oscillante. Le gain étant très grand le système sur
la moindre correction a tendance à osciller.
t1 correct mais la vitesse n’a pas de valeur
constante.
L’utilisation de réseaux correcteurs PID permettent de régler ces problèmes d’instabilité (voir cours
Asservissement.)
5.2
Asservissement par carte programmable
C’est la commande en boucle fermée avec actionneur continu. L’asservissement de position à la
valeur visée est obtenu par une loi de commande en vitesse trapézoïdale.
Le déplacement s’effectue avec une accélération et une décélération constantes. Ce type de carte est
appelé carte d’axe.
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L’API équipé de la carte d’axe effectue la mesure de position du mobile par son entrée capteur
incrémental. En fonction d’une instruction de déplacement spécifiant la valeur visée et la vitesse
choisie, la carte élabore une sortie analogique. Cette consigne vitesse commence à croître selon une
accélération prédéfinie pour atteindre la vitesse voulue. A une certaine distance avant la valeur visée,
la sortie analogique va décroître afin de tenir compte de la décélération prédéfinie. L’arrivée à la
valeur visée se fera à vitesse nulle, ce qui permet une bonne maîtrise de la précision face aux
perturbations éventuelles.
La carte d’axe possède son propre micro-processeur et sa propre mémoire. Le capteur d’origine en
coïncidence avec le top zéro du codeur détermine la prise d’origine et l’initialisation du compteur de
position.
5.3
MULTI – AXES
5.3.1 Axes indépendants – Trajectoire non imposée
Si la trajectoire entre deux points M1 et M2 n’est
pas imposée, les axes sont dits indépendants.
Le problème revient à résoudre un
asservissement MONOAXE.
Application :
Soudage par point
Manipulateur et robots point par point
Machines spéciales de perçage…
5.3.2 Axes liés – Trajectoire imposée
Philippe HOARAU - Commande axe
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La commande d’axe
TS MAI
Pour différentes raisons (encombrement,
cadence, formes…), la trajectoire est imposée, les
axes sont dits liés.
On a alors à faire à un suivi de trajectoire.
Application :
Robots d’assemblage, de positionnement
Robots de découpe…
Philippe HOARAU - Commande axe
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La commande d’axe
1
2
3
4
5
TS MAI
Introduction des concepts................................................................................................................. 1
1.1
Positionnement simple .............................................................................................................. 1
1.2
Système asservi – Boucle fermée............................................................................................. 2
Expressions de la valeur visée ......................................................................................................... 3
Réalisations technologiques............................................................................................................. 3
3.1
Partie opérative ......................................................................................................................... 3
3.1.1
Différents types d’actionneurs............................................................................................ 4
3.1.2
Tableau comparatif des actionneurs rotatifs ...................................................................... 7
3.1.3
Eléments mécaniques ........................................................................................................ 7
3.2
Partie commande ...................................................................................................................... 8
3.2.1
Les variateurs courant alternatif......................................................................................... 9
3.2.2
Les variateurs courant continu ......................................................................................... 11
POSITIONNEMENT SIMPLE ......................................................................................................... 12
4.1
Positionnement simple par comptage ..................................................................................... 13
4.1.1
Actionneur pas à pas ....................................................................................................... 13
4.1.2
Actionneur continu et capteur de position........................................................................ 13
4.1.3
Comptage et sortie analogique ........................................................................................ 14
POSITIONNEMENT ASSERVI....................................................................................................... 14
5.1
Application type ....................................................................................................................... 15
5.2
Asservissement par carte programmable ............................................................................... 17
5.3
MULTI – AXES ........................................................................................................................ 18
5.3.1
Axes indépendants – Trajectoire non imposée................................................................ 18
5.3.2
Axes liés – Trajectoire imposée ....................................................................................... 18
Philippe HOARAU - Commande axe
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