Le motion control

G uide d’achat
AUTOMATISMES
Le motion control
▼
Rexroth IndraMotion
Pendant longtemps, le motion control, qui consiste à réaliser des applications de déplacement et de positionnement, était le royaume réservé du
moteur brushless et de la commande numérique. Depuis quelques années,
l’amélioration des commandes de moteurs asynchrones a permis d’élargir
le choix. Mais si l’application est exigeante en performances, le moteur brushless reste sans concurrence. Et avec les baisses de prix dont il bénéficie, il
est bien décidé à ne pas se laisser déborder dans les applications simples…
B+R
Mitsubishi
Le motion control
L
e terme de “motion control” est
relativement récent. Le simple fait
que personne n’ait trop cherché à
le traduire, malgré son évidente
simplicité, indique dès le départ qu’il pose
une difficulté.Tout le monde est d’accord sur
un point : le “motion control” est une discipline qui s’intéresse au “contrôle de mouvement” à l’aide d’un moteur électrique.Tout le
monde est d’accord aussi pour en restreindre
le champ et ne pas y inclure tous les contrôles
de mouvement possibles et imaginables. Par
exemple, pas question qu’elle englobe les
applications de variations de vitesse relativement simples telles que celles associées aux
pompes, ventilateurs, entraînements de tapis
roulants, etc. Pas question non plus d’intégrer dans le “motion control” les applications
les plus pointues de contrôle de mouvement
de machines-outils et de certains robots, souvent très pointues. Dans le premier cas, les
contraintes en vitesse ne sont en général pas
très importantes. Dans le second cas, c’est tout
le contraire, une variation de vitesse peut provoquer une rayure sur une pièce ou un taraudage imparfait, avec pour conséquence le
déclassement de la pièce.
Le “motion control” se situe entre ces deux
extrêmes. Certains organismes se sont essayés
à en estimer le marché. La société d’études
américaine ARC l’estimait à environ 4 milliards de dollars en 2001, au niveau mondial. En France, le Gimelec l’estimait pour cette même année à 150 M€. Des chiffres
MESURES 760 - DECEMBRE 2003
importants, on en conviendra.
Une autre source de difficulté du “motion
control” vient du fait que les solutions techniques de pilotage de moteurs sont en
constante évolution, ce qui permet d’élargir
le champ couvert par chaque technique.Ainsi, les constructeurs traditionnels de variateurs de vitesse ont mis au point de nouvelles
techniques (le contrôle vectoriel de flux,
notamment) qui leur permettent d’attaquer
aujourd’hui certaines applications de positionnement. Les constructeurs de commandes de machines-outils ont fait un peu
le chemin inverse et ont développé des solutions plus économiques qui leur permettent
d’entrer en concurrence avec les solutions
proposées par les fabricants spécialisés de
longue date dans le “motion control”. Il faut
compter aussi avec les fabricants de moteurs,
qui se sont petit à petit intéressés à leur
commande.
Il n’y a pas que les critères
techniques
Les applications de “motion control” comportent en général plusieurs axes qui doivent être synchronisés. Il est possible de réaliser des applications très complexes. Ainsi,
Indramat (Rexroth) vient d’annoncer Visual
Motion 10 qui permet de réaliser des applications comportant jusqu’à 1 280 axes
contrôlés en temps réel!
Les mouvements à effectuer, le plus souvent,
sont des déplacements linéaires. Les asservis-
sements portent le plus souvent sur la vites- englobe aussi bien les
moteurs que les variase de déplacement ou le positionnement, teurs et les contrôleurs.
mais ils peuvent aussi porter sur le couple. Le marché a été investi
par des acteurs de tous
Tout cela fait beaucoup de possibilités!
En “motion control” comme ailleurs, c’est horizons,ce qui
l’application qui décide. En général, le choix explique la diversité des
solutions techniques
n’est pas dicté par de simples critères de per- proposées.
formances. Par exemple, il faut souvent tenir
compte des traditions des constructeurs de
machines et des industriels. Par exemple, certains constructeurs de machines restent des
inconditionnels de la mécanique et vont utiliser un gros moteur qui va entraîner tous les
axes à travers des engrenages, cames etc. « Il
faut dire que ce type d’entraîL’essentiel
nement a fait ses preuves, et la
mécanique est imbattable
lorsque l’on veut atteindre des Le motion control s’insère
entre les applications clastrès grandes cadences.Mais elle
siques de variation de
manque totalement de flexibivitesse et les applications
lité.Comme le marché demande
commande
de
machines-outils.
de des machines de plus en plus
flexibles, la tendance s’oriente Dans les applications, les
critères techniques ne sont
vers les conceptions où un maxiles seuls à considérer. Les
mum d’axes sont motorisés »,
notions de coût à l’exploiobserve François Chevatation et de compétences
lier, chef de produits
de l’utilisateur sont importantes.
dans la division Automa Sur le plan technique, le
tion & Drives de Siemens.
moteur brushless reste le
Compte tenu de son
maître lorsqu’il s’agit d’apintérêt, l’entraînement
plications pointues. Ailleurs,
électrique fait de plus en
il lui faut composer avec le
plus d’adeptes. Les utilimoteur asynchrone.
sateurs connaissent les
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Guide d’achat
Schéma général
Positionnement
Régulation
de vitesse
1
Marche
synchrone
7
6
Entraînement
commandé
en vitesse
Continue
exigences
élevés
Continue
exigences
standard
2
3
Positionnement simple
0,5 à >1 mm
faible dynamique
Axes isolés
0,001-0,1 mm
Positionnement simple
8
Discontinue
exigences élevés
Ex : axe maître
4
5
Axes couplés
Ex : Gantry
Contrôle Ł
de trajectoire
Ex : CN
Lorsque l’on veut automatiser une machine,il est important de commencer par la décomposer et de voir les grands types de mouvements à effectuer.Dans ce
schéma établi par Siemens,on voit que l’on peut avoir affaire à 8 grands types de mouvements,qui appellent des solutions techniques en général différentes.
possibilités de la technique mais ils ont souvent les yeux plus gros que le ventre : « Quand
un constructeur de machine veut faire un mouvement
linéaire présentant à la fois des exigences en vitesse,accélération et précision,il nous demande une solution basée sur
un moteur linéaire.C’est effectivement un choix judicieux
mais il y a un prix à payer et celui-ci se révèle souvent
dissuasif », souligne Patrice Delattre, directeur
d’Infranor France.
Certains types de machines, telles que les
malaxeurs, évoluent peu et les solutions techniques ne sont pas souvent remises en cause. Mais ce n’est pas le cas général. « Les
machines de conditionnement,par exemple,évoluent sans
cesse. Les utilisateurs veulent de plus en plus de performance,des cadences de plus en plus élevées.Lorsqu’ils font
une conception pour un client particulier,il leur faut faire un pari sur l’avenir,anticiper la demande afin que cet-
te conception ne soit pas remise en cause dès la prochaine machine », souligne Jamal Brahimi, responsable “motion control” à Rockwell Automation France. Ceci est surtout valable pour ceux
qui fabriquent des machines à l’unité ou en
petite série et qui chercheront à étaler dans
le temps l’amortissement de l’étude. Par
contre, le constructeur qui fait des machines
à grande série aura un retour sur investissement beaucoup plus rapide et il aura intérêt
à optimiser sa conception et ses choix techniques de façon à pouvoir abaisser le prix de
chaque machine fabriquée.
Les constructeurs de machines se posent aussi des questions en termes de coût et de
contraintes de possession pour l’utilisateur,
constate Bernard Défourneaux, gérant d’offre
Solutions d’Entraînement à la direction mar-
Comparaison des moteurs
Principe
Puissance
Vitesse (n)
Temps 0-5 %n
Temps 0-n
Précision
Moteur asynchrone
standard
Type de moteur
Moteur asynchrone
compact
Servomoteur
(moteur brushless)
Machine asynchrone
pilotée par un variateur de
fréquence en boucle
ouverte (sans capteur)
0,1…. >100 kW
10…. 6 000 tr/min
>100 ms
>5 000 ms
>5 min
Machine asynchrone
pilotée par un variateur de
fréquence en boucle
fermée (avec capteur)
3,7…. 100 kW
1…. 9 000 tr/in
20 ms
>1 000 ms
0,1 mm
Moteur synchrone
piloté par un variateur de
fréquence en boucle
fermée (avec codeur)
0,3…. 30 kW
0…. 6 000 tr/min
5 ms
>100 ms
0,001 mm
Doc. Siemens
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keting de Schneider Electric : « Ainsi, certaines
machines sont conçues en tenant compte du personnel qui
sera amené à l’utiliser.Si le personnel en question n’a pas
un niveau de qualification suffisant,le constructeur de la
machine n’utilisera pas la dernière technologie.De même,
il sacrifiera un peu sur la cadence de production,si celleci doit se traduire par une trop grande complexité des
réglages. La notion de productivité est aussi un critère à
prendre en compte ». Certains utilisateurs, pour
diminuer le stock de leurs pièces détachées,
peuvent également être amenés à préconiser un type de moteur plutôt qu’un autre.
On le voit, il n’y a pas que la technique!
Enfin, sur le plan technique, le choix ne s’arrête pas strictu sensu à la performance. Par
exemple, la notion d’encombrement est aussi un critère à prendre en compte quand on
sait que les industriels veulent des machines
de plus en plus performantes, mais aussi de
plus en plus compactes.
Choisir le bon moteur
« Quand on veut faire un mouvement linéaire performant,le moteur linéaire est le choix idéal.Il est à entraînement direct (pas de courroies ni de vis à crémaillère) et
il permet d’atteindre couramment des précisions de 5 µm,
et de 1 µm dans le meilleur des cas », souligne
M. Delattre (Infranor). Mais il est d’un coût
relativement élevé et il a aussi ses limites. Les
longueurs de course sont souvent limitées,
des protections doivent être prévues si l’environnement n’est pas propre (poussières,
projections de liquide), des mécaniques de
verrouillage/freinage doivent être également
prévues en cas de montage en vertical, etc.
Le plus souvent, on réalisera un mouvement
linéaire à partir d’un moteur rotatif. Quatre
candidats sont en lice : le moteur pas à pas,
le moteur asynchrone, le moteur brushless et
le moteur à courant continu. Il faut voir au
cas par cas.
Le moteur pas à pas est réservé aux applications de positionnement de précision, mais
il est peu utilisé dans les machines industrielles à cause de ses limitations en couple.
Le moteur à courant continu, performant
mais plus contraignant en termes de maintenance, est plutôt réservé aux applications
de puissance (il offre entre autres, l’intérêt
de pouvoir récupérer l’énergie de freinage).
Pour le gros des applications, Restent donc les
moteurs brushless et les moteurs asynchrones.
« En dessous de 1 kW,les coûts se valent,mais le brushless est supérieur en terme de performances, il est plus
simple à régler, les réglages sont robustes, c’est-à-dire
valables sur une plage d’applications étendue.Au-dessus
de 1 kW,le bushless est plus cher mais comme il est plus
facile à mettre en œuvre,il est possible de se rattraper au
MESURES 760 - DECEMBRE 2003
Guide d’achat
Moteur asynchrone ou moteur brushless ?
Moteur asynchrone
Moteur brushless
Réglages indépendants de la vitesse, du couple et de la position
Surcouple beaucoup plus élevé (2 à 8 Cn)
Au-delà d’une certaine limite, décrochage
Excellente
Couple à l’arrêt
Capteur pour applications en boucle fermée
Dimensions
Vitesse et couples sont interdépendants(glissement)
Limité en intensité (1,5 à 2 Cn) et en durée
Autorisée
Moyenne (améliorée avec commande à contrôle vectoriel de flux
en boucle fermée)
Difficulté de maintenir un couple stable à l’arrêt
Externe
Forme standard
Ventilation
Masse et inertie pour un couple donné (ex. 7 Nm)
Puissance
Prix
Auto-ventilé mais nécessité d’ajouter une ventilation si couple à l’arrêt
18 kg, 2,1 gm2
Jusqu’à plusieurs centaines de kW
Faible
Caractéristique vitesse/couple
Surcouple
Surcharge
Précision et dynamique du positionnement
niveau de l’étude de l’application et de l’ingénierie »,
résume M. Brahimi (Rockwell Automation).
Bien réglé, le moteur asynchrone peut faire
beaucoup de choses.Mais les réglages sont plus
sensibles, la robustesse du réglage est moindre
qu’avec un moteur brushless. Il suffit que la
température change ou que l’on veuille modifier la cadence, il faut tout recalculer.
On l’aura compris, les spécialistes du
“motion control” ne sont pas des chauds
partisans du moteur asynchrone, même s’ils
observent que l’arrivée des commandes à
contrôle vectoriel de flux a permis d’élargir
le spectre de ses applications.
Plusieurs choix pour le couple
variateur/contrôleur
Une application de “motion control” comporte toujours un contrôleur qui pilote un
variateur qui lui-même attaque le moteur. Il
faut aussi penser au capteur. Dans les applications où le moteur (asynchrone) est piloté en boucle ouverte, il n’y a pas de capteur.
Mais il n’est pas possible d’obtenir des précisions importantes. Pour les applications de
précision, une commande en boucle fermée
doit être prévue, donc avec un capteur. Pour
les asservissements réalisés avec les moteurs
asynchrones, le capteur doit être ajouté, ce
qui suppose qu’il y ait la place, et que le
montage mécanique et électrique est un peu
plus compliqué. Dans les applications réalisées avec des moteurs brushless, la question
ne se pose pas dans les mêmes termes : le
capteur est en effet intégré sur le moteur. Il y
a le choix : résolvers (le moins précis mais
aussi le moins cher), codeurs optiques à sortie sin/cos ou impulsions.
Dans un entraînement,le découpage varie beauMESURES 760 - DECEMBRE 2003
Pas de difficulté
Intégré sur le moteur (servomoteurs)
Toutes formes (cylindrique, “saucisson”, carré, ouvert, etc.)
permettant de réaliser des machines compactes
Non nécessaire
9,6 kg, 0,7 gm2
Jusqu’à 30 kW
Plus élevé, surtout aux puissances élevées (>1 kW)
Un exemple concret : une machine de conditionnement
Sur cette machine de conditionnement, le moteur M1 entraîne
des rouleaux qui acheminent des
cartons vers un tapis entraîné par
le moteur M2. Ces cartons sont
remplis de boîtes qui sont acheminées par un tapis entraîné par
le moteur M3. Les boîtes sont
ensuite saisies par le préhenseur
entraîné par le moteur M5, puis
l’ensemble mobile est déplacé
par M4 pour la mise en carton
proprement dite. Le carton rempli est ensuite évacué par les rouleaux entraînés par M6. Toutes
ces actions doivent bien entendu
être coordonnées.
Les deux schémas du dessous
montrent les contraintes sur les
entraînements. M6 (marche et
arrêt progressif) sera entraîné par
un moteur asynchrone standard
piloté par un convertisseur de
fréquence. M3 (vitesse très régulière, synchronisation par rapport
au portique) sera entraîné par un
moteur asynchrone associé à un
variateur à contrôle vectoriel de
flux. M2 (positionnement de
±1 mm, 1 carton toutes les 10 s)
sera piloté par un moteur asynchrone deux vitesses. Pour M5,
qui est exigeant en positionnement (±0,1 mm) et en temps de
cycle (<1 s), on prévoira un servomoteur associé à une commande
numérique pour le contrôle de
trajectoire.
M1
M4
M5
M2
M3
M6
59
Guide d’achat
coup d’un constructeur à l’autre et,chez un même
constructeur,d’une gamme de produit à l’autre.
Dans certains cas, le variateur est monté directement sur le moteur.Ou alors,c’est le contrôleur qui est monté sur le variateur.Même chose pour le programme applicatif : autrefois
intégré dans le contrôleur,il est de plus en plus
souvent localisé dans le variateur.
Les différentes solutions proposées sur le
marché s’expliquent en partie par le positionnement historique des différents acteurs.
Ainsi, les constructeurs de variateurs de vitesse pour moteurs asynchrones ont toujours
cherché à avoir une certaine indépendance et
à rendre leurs variateurs autonomes. Du
coup, ceux-ci embarquent un maximum de
fonctions liées à l’entraînement. De plus, ces
entraînements étaient souvent isolés.A l’opposé, les constructeurs d’entraînements pour
Alxion moteurs STK
Les moteurs brushless présentent entre autres avantages de pouvoir
intégrer un capteur angulaire en standard et de se présenter un peu
dans toutes les configurations,y compris en kit tel que le modèle
présenté ici.Ceci permet de réaliser des machines plus compactes
(comparativement à celles réalisées avec des moteurs asynchrones).
Les moteurs brushless sont également nettement plus performants.
machines devaient gérer plusieurs axes et se
poser la question de la coordination entre
les axes et des trajectoires que ceux-ci
devaient effectuer. Un tel besoin ne pouvait
être satisfait qu’avec des commandes numé-
riques et une architecture centralisée.
Aujourd’hui, on l’a dit, on trouve un petit
peu toutes les sortes de regroupement. Et,
dans une certaine mesure, les produits
deviennent universels. C’est ainsi que les
variateurs de vitesse à haute performance
conçus pour piloter des moteurs asynchrones
peuvent en général piloter du brushless. Ce
n’est pas simplement une question des tensions et courants envoyés au moteur, c’est
surtout une question d’architecture et de logiciel. Autrement dit, ces variateurs ont été
conçus pour s’intégrer dans des architectures
multiaxes, avec des notions d’axes
maître/esclave, avec des synchronisations.Au
niveau du logiciel, ils disposent de fonctions
plus évoluées que les variateurs classiques.
« Ces variateurs universels sont surtout proposés par les
constructeurs traditionnels de variateurs de vitesse. Ils ne
Principaux fournisseurs
ABB
Tél. : 04 72 05 40 40 - Fax : 04 72 05 41 30
Heidenhain
Tél. : 01 41 14 30 00 – Fax : 01 41 14 30 30
Parker-Hannifin
Tél. 04 50 25 80 25 - Fax : 04 50 03 67 37
A2V
Tél. : 01 30 62 01 01 – Fax : 01 30 62 62 04
Indramat (voir Rexroth)
Positec (voir Berger Lahr)
Infranor
Tél. : 01 69 63 35 15 – Fax : 01 69 63 35 16
Supradis Automatismes
Tél. : 01 69 07 38 44 – Fax. 01 69 28 83 11
Jeambrun
Tél. : 0825 125 125
Rexroth (Bosch, Indramat)
Tél. 04 78 78 52 52 – Fax. 04 78 78 68 90
KEB
Tél. : 01 49 62 01 01 - Fax : 01 45 76 74 95
Rockwell Automation
Tél. : 01 30 67 72 00 - Fax : 01 34 65 32 33
Lenze
Tél. : 08 25 08 60 36 – Fax : 08 25 08 63 46
RSAI
Tél. : 04 77 53 30 48 – Fax : 04 77 53 38 61
Leroy Somer
Tél. : 05 45 64 45 64 – Fax : 05 45 64 45 04
Schneider Electric
Tél. : 01 41 29 82 00 - Fax : 01 41 29 84 83
Bosch (voir Rexroth)
Matsushita Electric Works
Tél. : 01 60 13 57 57 - Fax 01 60 13 57 58
Serad
Tél. : 02 40 97 24 54 – Fax : 02 40 97 27 04
Danaher (voir Supradis Automatismes)
Micro-Contrôle
Tél. 01 60 91 68 68 – Fax : 01 60 91 68 69
Sew Usocome
Tél. : 03 88 73 67 00 - Fax : 03 88 73 66 00
Danfoss
Tél. : 01 30 62 50 00 - Fax : 01 30 62 51 82
Mitsubishi Electric
Tél. 01 55 68 55 68 – 01 49 01 10 25
Siemens
Tél. : 08 21 80 11 11 – Fax : 01 49 22 34 13
Esco transmissions (Hitachi)
Tél. : 01 34 31 95 95 - Fax : 01 34 31 95 99
National Instruments
Tél. : 01 48 14 24 24 – Fax : 01 48 14 24 14
TSA (Phytron, Micos)
Tél. 01 30 40 81 30 - Fax : 01 30 40 81 45
Eurotherm Vitesse Variable (Parvex)
Tél. : 01 69 18 51 51 - Fax : 01 69 18 51 59
Nord Réducteurs :
Tél. : 01 49 63 01 89 - Fax : 01 49 63 08 11
Yaskawa
Tél. : 01 39 09 09 00 - Fax : 01 30 37 29 02
Fuji Electric
Tél. : 01 55 66 04 90 - Fax : 01 55 66 04 99
Nyquist
Tél. 04 50 43 29 55 - Fax : 04 50 43 29 70
GE-Fanuc
Tél. : 01 69 75 86 20 – Fax : 01 69 75 86 49
Omron
Tél. : 01 49 74 70 00 - Fax : 01 48 76 09 30
Alstom
Tél. : 01 60 13 20 00 - Fax : 01 60 13 20 02
Alxion
Tél. : 01 41 30 63 04 - Fax : 01 41 30 61 36
Baldor
Tél. : 04 42 83 82 00 – Fax : 04 42 08 90 10
Berger-Lahr Positec
Tél. : 01 69 18 10 10 – Fax. 01 64 46 10 11
B&R Automation
Tél. : 04 72 79 38 50 – Fax : 04 72 79 38 50
60
MESURES 760 - DECEMBRE 2003
Guide d’achat
Schneider electric
Le vaste domaine du motion control se trouve un peu au carrefour des entraînements simples (avec moteurs asynchrones plus variateur de
vitesse) et des entraînements complexes multi-axes avec contrôle de trajectoire (moteurs brushless et commandes numériques).Les grands
constructeurs d’automatismes commencent à proposer les deux solutions.
sont pas forcément les mieux optimisés », avance prudemment M. Delattre (Infranor). Une opinion
que ne partage pas Gilles Delaliaux, directeur
de B&R Automation France : « Nos variateurs Acopos
peuvent piloter aussi bien les moteurs asynchrones que brushless, aussi bien les moteurs linéaires que les moteurs
couples de plus de 5000 Nm. Le courant est découpé à
20 kHz,une fréquence relativement élevée,ce qui permet
d’affiner les réglages et d’être réactifs.Le courant de sortie
est recalculé toutes les 50 µs, ce qui est nettement plus
rapide que ce que l’on trouve habituellement sur les variateurs.Une boucle asservie en vitesse est rafraîchie toutes les
200 µs,une boucle de position toutes les 400 µs ».
MESURES 760 - DECEMBRE 2003
Les constructeurs traditionnels d’automates
programmables et de variateurs de vitesse,
en venant sur le marché des commandes
multiaxes, en viennent aux architectures centralisées, beaucoup plus intégrées. Jusqu’ici,
les fonctions “motion control” étaient souvent séparées, réalisées avec des contrôleurs
indépendants et des ateliers logiciels séparés. Le système Kinetix de Rockwell Automation
constitue une illustration de cette tendance :
ici, l’ensemble de l’applicatif (motion control,
opérations séquentielles, etc.) est concentré
sur un automate ControlLogix. Cet automate
pilote les servo-drive Kinetix 6000 (jusqu’à
8 axes) via un bus de terrain Sercos. Une unité centrale ControlLogix peut piloter jusqu’à
32 axes. Pour les applications plus complexes,
il est possible de réaliser des architectures à
plusieurs automates (jusqu’à 5 UC maximum)
avec, lorsque des synchronisations temporelles
sont nécessaires, une communication latérale
à l’aide d’une connexion SynchLink.
Autre illustration de cette intégration,B&R a présenté à la dernière Automation un équipement
intégrant interface homme machine, automate et motion control, tandis que l’applicatif est
réalisé avec un atelier logiciel unique…
On évoquera enfin les bus de terrain. Ici
comme dans tous les secteurs des automatismes, ils se sont largement imposés. Les
bénéfices sur le câblage sont importants : par
exemple, une connexion Sercos remplace
jusqu’à 18 fils par axes. Quant au bus de terrain utilisé, Sercos reste très présent (il a été
spécifiquement pensé pour le “motion
control”) mais il doit maintenant compter
avec CanOpen (peu cher) et Profibus, en
attendant les Ethernet industriels déterministes qui se préparent un peu partout.
Jean-François Peyrucat
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