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La mécatronique en mouvement

En 1768, l'horloger suisse Pierre Jaquet-Droz a eu besoin de trouver un moyen d'augmenter ses ventes. Avec son fils et un musicien, Jean-Frédéric Leschot, il a construit trois automates. Le plus complexe pouvait être contrôlé par une roue pour écrire des lettres en fonction d’un réglage à cames.

Avec la technologie du XVIIIe siècle, Jaquet-Droz et ses collègues ont dû se limiter aux engrenages, leviers et poulies mécaniques. Mais ils ont quand même réussi à créer des automates qui continuent à captiver les visiteurs du musée de Neuchâtel (suisse) où ils sont exposés. Les concepteurs de robots d'aujourd'hui ont beaucoup plus de moyens à leur disposition. Des dispositifs tels que les moteurs pas à pas peuvent sembler être le choix évident pour la transmission dans les machines. Mais il y a souvent des cas où une autre technologie peut avoir plus de sens.

 Pierre Jaquet-Droz

 LES TROIS AUTOMATES (1768-1774)

Le contrôle de moteurs pas à pas pour la mécatronique

Dans robotique et les applications mécatroniques, le moteur pas à pas reste un choix de prédilection. Il n'est pas nécessaire que le mouvement soit une rotation. Les vis sans fin et les composants mécaniques similaires, tels que ceux fabriqués par Igus et Thomson Linear, traduisent facilement la rotation d'un moteur en mouvement linéaire. Les moteurs tels que les moteurs pas-à-pas bipolaires à aimants permanents de Faulhaber sont souvent fournis avec des vis sans fin intégrées.

Le moteur pas-à-pas est construit sur la base d'un moteur à courant continu, qui tourne aussi longtemps qu'un courant est appliqué à ses bornes, mais permet de se déplacer facilement dans une position de rotation définie. Cette technologie est idéale pour les applications qui nécessitent un positionnement et un contrôle précis de la vitesse.

Le moteur pas à pas est construit autour d'un stator qui utilise plusieurs bobines séparées. Ceci contrôle la position d'un rotor qui utilise des aimants permanents ou ses propres bobines pour former des aimants lorsque le courant est appliqué. Les bobines fixes sont utilisées pour générer des champs magnétiques dynamiques à deux ou plusieurs positions autour du stator.

Lorsque la puissance est appliquée au moteur, le rotor magnétisé tourne vers la position la plus stable qu'il puisse trouver, alignant son propre champ magnétique à celui du stator. Lorsque le moment est venu de passer à une nouvelle position, la bobine s'éteint et est remplacée par une autre, forçant le rotor à se déplacer de nouveau. Les moteurs pas à pas tels que le RS Pro Hybrid offrent des angles de pas jusqu' à 0,9°. Cependant, la précision de positionnement des moteurs pas à pas ne se limite pas aux pas discrets. Le micro-pas sous contrôle d’un microprocesseur permet de construire des systèmes de positionnement de haute précision avec des angles de pas effectifs arbitraires.

Plutôt que d'enlever complètement le courant d'une bobine pendant qu'une autre est mise sous tension, le courant est réduit à un pas microscopique, tandis que le courant d'un autre augmente. Le contrôle de l’équilibre actuel permet d'implémenter des étapes virtuelles plus petites entre les pas complets qui sont implémentés physiquement.

Bien que le moteur pas-à-pas permette un contrôle de mouvement quasi-continu grâce à des micropas, il peut présenter des inconvénients lorsque une vitesse élevée est nécessaire. Les moteurs sont souvent utilisés à basse vitesse pour fournir un contrôle et un couple maximum. Cependant, certains produits tels que le moteur pas à pas Portescap Disc Magnet peuvent atteindre des taux d'accélération et de rotation élevés de plus de 10 000 tr/min.

Le contrôle à champs orientés pour moteur brushless

Une conception à variation continue, telle qu'un moteur brushless, peut fournir la combinaison d'un couple élevé et d'un positionnement précis. Traditionnellement, les moteurs à courant alternatif étaient utilisés dans les applications en raison de leur coût relativement faible et où la précision du mouvement n'est pas une priorité. Les problèmes de couple à basse vitesse ont entraîné une augmentation des capacités de traitement appliquées aux moteurs à courant alternatif. Les techniques de commande orientées sur le terrain sont maintenant largement utilisées pour améliorer l'efficacité des moteurs AC et leur couple à basse vitesse et ont progressivement transformé le moteur AC brushless en un concurrent pour les situations où puissance et précision élevées sont requises ensemble.

Sous contrôle de champs orientés, un modèle mathématique des champs magnétiques du moteur est mis à jour plusieurs fois par seconde pour fournir une estimation de la relation entre la tension, la vitesse et le couple à l'intérieur du moteur. Les algorithmes de commande en boucle fermée ajustent dynamiquement la tension et les niveaux de courant à chacun des enroulements du moteur pour non seulement maximiser le couple mais aussi déplacer le rotor à des positions spécifiques. L'avantage de ces techniques de contrôle réside dans le fait que les estimations sont souvent suffisamment précises pour éviter l'utilisation de capteurs de position supplémentaires, ce qui contribue à réduire le coût global du système. L'exigence clé est de disposer d'un processeur haute performance, tel que le processeur embarqué Blackfin ADSP-BF547 d'Analog Devices, en plus des contrôleurs système sur puce (SoC) dédiés qui simplifient la mise en œuvre du contrôles de champs orientés pour les utilisateurs. Les exemples incluent la famille Toshiba TMPM370 de SoCs, qui combinent un noyau de processeur ARM Cortex-M3 avec un co-processeur de contrôle de champs orientés dédié et des interfaces de pilote moteur. 

En termes électriques, les actionneurs à bobines mobiles sont des moteurs monophasés et peuvent donc être commandés de la même manière que les simples moteurs à courant continu. Ils offrent un fonctionnement silencieux, d'où leur utilisation dans les appareils mobiles, tout en offrant une faible hystérésis.

Le contrôle hydraulique et pneumatique pour la mécatronique

Une approche différente du contrôle de mouvement consiste à utiliser du gaz ou du liquide sous pression pour mettre en mouvement des pistons. Parce qu'ils sont moins susceptibles aux déversements de liquides, les systèmes pneumatiques ont tendance à prédominer dans les petits systèmes mécatroniques. Bien qu'il soit associé à de grands contrôleurs industriels, le contrôle pneumatique du mouvement offre la possibilité de construire des robots qui se déplacent de la même façon que les humains et les animaux.

Les pistons peuvent être déployés le long des membres articulés pour agir en tant que muscles artificiels. Ils ont été utilisés, par exemple, en robotique de réadaptation où ils aident les personnes qui se remettent d'une blessure grave aux membres à se tenir debout et à se déplacer ou à résister lors d'exercices de physiothérapie.

L'utilisation des solénoïdes en mécatronique

Dans de nombreuses situations, un contrôle continu du mouvement n'est pas nécessaire. Le mouvement peut être simplement d'ouvrir ou de fermer une vanne: une action qui peut très bien faire partie d'un système hydraulique ou pneumatique. C'est là que le solénoïde apporte une solution. Il consiste en une bobine conductrice enroulée autour d'une armature métallique mobile. Le solénoïde utilise la loi d'induction de Faraday: l'induit se déplace dans une direction qui augmente l'inductance de la bobine. 

Généralement, l'application d'un courant sur le solénoïde force l'armature à une nouvelle position. Une configuration courante est une électrovanne normalement désactivée: le débit est bloqué par l'induit lorsqu'aucun courant n'est pas appliqué. Lorsqu'un courant est introduit, l'armature se déplace dans une position qui permet au fluide ou au gaz de s'écouler. Un exemple de ce type d'électro-aimant conçu pour la commande pneumatique est le Parker Viking Extreme G.

Bien que de nombreux solénoïdes soient conçus pour des états d'activation/désactivation simples, des solénoïdes proportionnels sont également utilisés dans certains modèles pour fournir un contrôle variable. L'électro-aimant proportionnel compense la force maximale qui peut être appliquée par un courant contre un ressort. A partir de niveaux très bas, l'augmentation du courant déplace progressivement le solénoïde jusqu' à sa pleine portée. Un problème avec le solénoïde proportionnel est celui de l'hystérésis: relâcher le courant jusqu' à un certain niveau ne restaure pas nécessairement l'armature au même point que le courant a été augmenté jusqu' à ce niveau. Lorsqu'une faible hystérésis est requise, un actionneur à bobine mobile linéaire est probablement un meilleur choix.

 En regardant vers l'avenir, des matériaux innovants tels que les hydrogels fourniront des moyens supplémentaires de contrôler le mouvement. Certains hydrogels polymères peuvent entraîner de grands changements de volume lorsqu'un champ électrique est appliqué. Ceci les prête à des situations où un muscle artificiel est nécessaire ou où l'amortissement actif avec le mouvement est un avantage. Cependant, ces matériaux n'en sont encore qu'à leurs débuts et les systèmes électromécaniques décrits ci-dessus resteront les principaux choix des concepteurs mécatroniques dans un proche avenir. Mais il est clair que le mariage de l'électronique et de la mécanique offre de nombreux choix, chacun offrant ses propres avantages pour un scénario particulier.

Simon Duggleby, Chef de produits, RS components

TechTeam71 n'a pas encore rempli le champs " à propos de moi" ...

5 Feb 2018, 13:46

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