Comment choisir un servomoteur : Votre guide des principaux éléments à prendre en compte

Choisir le mauvais servomoteur est une erreur facile à commettre. Mais elle peut vous faire perdre du temps et de l'argent. Elle peut également entraîner de nombreux problèmes. Cet article est mon guide pour vous aider à éviter ces problèmes. Je vous montrerai les principales choses auxquelles vous devez penser. Nous parlerons de tout, de la vitesse et du couple à l'inertie et aux logiciels. À la fin de votre lecture, vous saurez comment choisir un servomoteur adapté à votre travail.

Qu'est-ce qu'un servomoteur et pourquoi un variateur de vitesse est-il important ?

Commençons par les faits. Un servomoteur est un type particulier de moteur électrique. Il est conçu pour un contrôle très précis de sa position, de sa vitesse et de la rapidité de sa mise en route. Imaginez un bras de robot dans une usine. Il doit se déplacer au même endroit, encore et encore. C'est la tâche d'un servomoteur. Il utilise un outil de rétroaction, comme un encodeur. Cet outil indique à un contrôleur où il se trouve. Cela rend ses mouvements très précis et vous pouvez compter sur eux.

Il ne peut y avoir de servomoteur sans servomoteur. Le servomoteur est en quelque sorte le cerveau de tout le système. Il reçoit une commande, comme "se déplacer vers le point X à la vitesse Y". Il envoie ensuite la tension et la puissance adéquates au servomoteur pour qu'il y parvienne. Le servomoteur vérifie également le retour d'information du moteur. Il s'assure ainsi que le moteur fait bien ce qu'on lui a demandé de faire. Un bon servomoteur et un bon moteur fonctionnant ensemble sont le point de départ de tout bon système de contrôle de mouvement.

Par où commencer pour choisir un servomoteur ?

La toute première étape consiste à bien connaître votre application. Avant même d'envisager l'achat d'un servomoteur, vous devez définir ce que vous voulez faire. Quel est l'objectif de votre machine ? Qu'essayez-vous de déplacer ? C'est la partie la plus importante de tout le processus. Une erreur à ce stade entraînera des problèmes ultérieurs. Pour votre application exacte, vous devez trouver tous les détails.

Posez-vous les questions suivantes sur votre candidature :

• Quelle est la charge ? Quel est le poids de l'objet, ou de la charge utile, que vous déplacez ?
• Comment va-t-il se déplacer ? Se déplacera-t-il en ligne ou tournera-t-il sur lui-même ? S'agit-il d'un simple mouvement de va-et-vient ou d'un profil plus complexe ?
• Quel est l'environnement ? Le servomoteur sera-t-il placé dans un endroit chaud, froid, humide ou poussiéreux ? L'environnement est un facteur très important.
• Quelle est la configuration physique ? Utilisez-vous des pièces telles que des courroies, des vis ou un système d'entraînement direct ? Chacun de ces éléments a des besoins différents en fonction de l'application.

En décrivant votre demande de manière claire, vous obtenez une liste des éléments dont vous avez besoin. Cette liste est votre guide. Elle vous aidera à sélectionner le bon servomoteur pour votre application d'automatisation. C'est la base d'un projet qui fonctionne bien. Si vous n'avez pas une idée claire de l'application, vous ne faites que des suppositions.

Comment déterminer la vitesse et le couple dont vous avez besoin ?

Une fois que vous avez compris votre application, vous devez déterminer la vitesse et le couple. Le couple est une force de rotation. On peut le considérer comme la "force" que le servomoteur doit avoir. La vitesse est la vitesse à laquelle le moteur doit tourner pour réaliser le mouvement dans le temps imparti. Vous devez calculer ces chiffres pour votre application exacte.

Vous devez connaître deux types de couple pour votre application :

Vous devrez déterminer le couple nécessaire pour chaque partie du cycle de mouvement. Cela signifie qu'il faut trouver le couple nécessaire pour accélérer la charge. Cela inclut également le couple nécessaire pour se déplacer à une vitesse constante (pour vaincre les frottements). Enfin, vous avez besoin d'un couple pour ralentir les choses. Le couple le plus élevé nécessaire à un moment donné est le couple maximal requis. Le couple moyen sur l'ensemble du cycle permet de déterminer le couple continu requis. Connaître vos besoins en termes de vitesse et de couple est une étape très importante dans la sélection d'un servomoteur.

Qu'est-ce que l'inertie et pourquoi est-il si important de l'adapter ?

L'inertie est un mot qui peut sembler difficile à comprendre, mais l'idée ne l'est pas. L'inertie est la mesure dans laquelle un objet ne veut pas changer de vitesse. Une balle lourde a plus d'inertie qu'une balle légère. Il est plus difficile de la faire démarrer et de l'arrêter. Dans un système d'asservissement, nous nous intéressons à l'inertie de la charge. Nous nous intéressons également à l'inertie de la partie mobile du servomoteur, le rotor. Le lien entre ces deux éléments est connu sous le nom de rapport d'inertie.

Une adaptation correcte de l'inertie est très importante pour le bon fonctionnement du système. Le rapport d'inertie est l'inertie de la charge divisée par l'inertie du moteur. Une bonne règle générale consiste à maintenir ce rapport inférieur à 10 pour 1. Par exemple, si l'inertie du moteur est de 1, l'inertie de la charge doit être inférieure ou égale à 10. Si le rapport est trop élevé, le servomoteur aura beaucoup de mal à contrôler la charge. C'est comme essayer de contrôler un objet très lourd avec un très petit muscle. Le système risque de dépasser sa cible, de trembler et d'avoir du mal à être précis.

Un mauvais rapport d'inertie est un problème courant. Vous pouvez calculer l'inertie de la charge en fonction de la forme et du poids de chaque pièce mobile de votre application. Si votre rapport d'inertie est trop élevé, ne vous inquiétez pas. Il existe une excellente solution. L'utilisation d'un réducteur à engrenages est un excellent moyen d'améliorer l'adaptation de l'inertie. Ce simple composant peut faire une très grande différence dans la capacité de votre servomoteur à supporter la charge.

Comment lire une courbe vitesse-couple pour connaître les capacités d'un moteur ?

Chaque servomoteur possède une courbe vitesse-couple. Cette courbe est l'un des outils les plus importants que vous utiliserez. La courbe indique ce que le servomoteur est capable de faire. Elle indique la force de rotation que le moteur peut exercer à différentes vitesses. L'entreprise qui fabrique le moteur vous donne cette courbe pour chaque servomoteur qu'elle vend.

La courbe vitesse-couple comporte deux parties principales :

• La région continue : Il s'agit généralement d'une boîte située dans la partie inférieure de la courbe. Si votre point de fonctionnement (une certaine vitesse et un certain couple) se trouve dans cette zone, le servomoteur peut y fonctionner très longtemps. Il ne surchauffera pas. C'est la zone de fonctionnement continu.
• La région intermittente : Cette zone est située au-dessus de la zone continue. Le servomoteur peut y fonctionner pendant de courtes périodes. C'est là que se trouve le pic de couple nécessaire à l'accélération. Si le moteur reste trop longtemps dans cette zone, il surchauffe et risque de se casser.

Lorsque vous choisissez un servomoteur, vous devez examiner sa courbe. Vous devez vous assurer que votre besoin en couple continu se situe dans la zone continue. Vous devez également vérifier que votre besoin en couple de pointe se situe dans la zone intermittente de la courbe. Si votre besoin se situe en dehors de la courbe, ce servomoteur n'est pas adapté à votre application. La courbe vous donne une réponse claire, oui ou non, sur ce que le moteur peut faire.

Qu'est-ce que le couple efficace et pourquoi devez-vous le calculer pour votre profil de mouvement ?

De nombreux travaux ne sont pas exécutés à une seule vitesse et à un seul couple. Ils ont un profil de mouvement complexe. Un profil de mouvement décrit tous les mouvements effectués par le moteur au cours d'un cycle complet. Il peut accélérer, fonctionner à une vitesse constante, puis ralentir. Le couple est différent tout au long de ce profil. Alors, comment savoir si le servomoteur va devenir trop chaud ? Vous devez calculer le couple efficace.

RMS signifie Root Mean Square (moyenne quadratique). Cela semble difficile, mais il s'agit simplement d'une méthode permettant de trouver le couple moyen sur l'ensemble du profil de mouvement. Il s'agit d'un type particulier de moyenne. Elle tient compte de la chaleur produite par la puissance du moteur. Il s'agit d'une moyenne pondérée par le temps. Elle donne plus d'importance aux parties du cycle où le couple est élevé. Ce chiffre RMS indique le couple constant qui créerait la même quantité de chaleur dans le servomoteur.

Après avoir déterminé le couple RMS pour votre profil de mouvement, vous devez le vérifier sur la courbe vitesse-couple du moteur. Le couple efficace que vous avez trouvé, à la vitesse moyenne, doit se trouver dans la zone continue de la courbe. Cette vérification est très importante. S'il se trouve en dehors de la zone continue, le servomoteur chauffera de plus en plus. Au bout d'un certain temps, il surchauffera. Un bon logiciel de dimensionnement peut effectuer ce calcul de la valeur efficace pour vous. Cette étape clé est donc beaucoup plus simple.

Quand est-il judicieux d'utiliser un engrenage avec votre servomoteur ?

Parfois, un servomoteur seul n'est pas la meilleure solution. Dans de nombreuses solutions d'automatisation industrielle, nous utilisons un réducteur à engrenages, également connu sous le nom de boîte de vitesses. Un engrenage est un outil mécanique qui échange la vitesse contre une plus grande force de rotation. Par exemple, un rapport d'engrenage de 10 à 1 réduira la vitesse de sortie de 10 fois. Mais le couple de sortie sera 10 fois plus important (après une légère perte d'efficacité).

Il y a deux raisons principales d'utiliser un engrenage :

• Pour obtenir plus de couple : Si votre application a besoin d'un couple très élevé mais pas d'une vitesse élevée, un réducteur est un choix parfait. Vous pouvez utiliser un servomoteur plus petit et moins cher et y ajouter un réducteur. Vous obtiendrez ainsi le couple élevé dont vous avez besoin. Cette solution peut s'avérer bien meilleure que l'achat d'un très gros et puissant servomoteur à entraînement direct. Il s'agit d'un compromis courant lors de la conception de machines.
• Pour obtenir une meilleure adaptation de l'inertie : Comme nous l'avons dit, un rapport d'inertie élevé n'est pas une bonne chose. Un réducteur est le meilleur moyen de résoudre ce problème. Un réducteur réduit l'inertie de la charge ressentie par le moteur. Il la réduit en fonction du carré du rapport de démultiplication. Ainsi, un rapport de 10 à 1 rend l'inertie 100 fois plus faible pour le servomoteur ! Il est donc beaucoup plus simple pour le moteur de contrôler la charge avec précision. D'après ce que j'ai vu, l'utilisation d'un engrenage est souvent le secret d'un système qui fonctionne bien et sur lequel on peut compter.

La taille réelle du servomoteur fait-elle une différence ?

Oui, la taille physique du servomoteur fait vraiment une différence. Il s'agit d'un élément du monde réel qu'il ne faut pas oublier. Après avoir examiné le couple, la vitesse et l'inertie, vous devez vérifier si le servomoteur peut réellement s'intégrer dans votre machine. Un moteur trop gros peut fonctionner correctement, mais il ne sert à rien si vous ne pouvez pas le placer là où il doit aller.

Avant de faire votre choix définitif, procurez-vous les dessins du servomoteur et de son engrenage, si vous envisagez d'en utiliser un. Examinez attentivement les mesures. Comparez-les à l'espace dont vous disposez dans la conception de votre machine. N'oubliez pas de laisser de la place pour les câbles et les prises, car ils ont également besoin d'espace. Un bon alignement de l'arbre du moteur par rapport à la charge est également très important pour une durée de vie longue et sans problème.

Une autre raison pour laquelle la taille est importante est liée au coût et à l'efficacité. Un moteur plus gros n'est pas toujours le meilleur choix. Un servomoteur surdimensionné coûte plus cher à l'achat. Il consomme également plus d'énergie. L'inertie du rotor est également plus élevée. Cela peut aggraver votre rapport d'inertie si l'inertie de votre charge est très faible. L'objectif principal est de sélectionner un servomoteur de la bonne taille, ni trop petit, ni trop grand. C'est ainsi que vous obtiendrez une conception efficace et un bon rapport qualité-prix.

Quels sont les autres éléments importants qui influencent le choix d'un servomoteur ?

Outre les éléments principaux tels que le couple, la vitesse et l'inertie, d'autres éléments doivent être pris en compte. Ces détails peuvent faire une grande différence dans la réussite de votre application d'automatisation. L'un des facteurs importants est l'environnement dans lequel la machine fonctionnera. Si votre machine doit être installée dans un endroit très chaud ou très froid, vous devez choisir un servomoteur conçu pour supporter cette température. Si l'environnement comporte des éléments tels que de la poussière ou de l'eau, vous aurez peut-être besoin d'un moteur doté d'un joint spécial pour le protéger.

Un autre facteur clé est la tension dont vous disposez. Quelle est la tension d'entrée dans votre bâtiment ? Les systèmes de servocommande sont vendus avec de nombreuses tensions nominales, telles que 120 VCA, 240 VCA ou 480 VCA. Vous devez choisir un système de servocommande et de moteur qui fonctionne avec la tension dont vous disposez. Il existe également des systèmes alimentés en courant continu. Ils sont souvent utilisés dans des applications d'automatisation mobiles ou alimentées par batterie.

Enfin, pensez à l'outil de rétroaction. La plupart des nouveaux servomoteurs sont des moteurs à courant alternatif sans balais dotés de codeurs à haute résolution. Le codeur indique au servomoteur l'emplacement exact de l'arbre du moteur. Plus la résolution du codeur est élevée, plus la commande est précise. Pour la plupart des travaux, un codeur normal convient. Mais pour une application qui nécessite un mouvement très fluide à une vitesse très faible (basse vitesse), vous pouvez avoir besoin d'un codeur spécial avec une résolution plus élevée.

Comment un logiciel peut-il vous aider à choisir le bon servomoteur ?

Il y a longtemps, nous devions faire tous ces calculs avec un stylo et du papier. Cela prenait beaucoup de temps et il était facile de se tromper. De nos jours, les choses sont beaucoup plus simples. La plupart des entreprises qui fabriquent des servomoteurs et des servocommandes offrent gratuitement un logiciel de dimensionnement. Ce logiciel est un outil formidable. Il peut vous aider à sélectionner le meilleur servomoteur.

Ce logiciel vous aide tout au long du processus. Vous saisissez toutes les informations relatives à votre application. Il s'agit notamment du poids de la charge, des mouvements à effectuer (le profil de mouvement), des pièces mécaniques telles que les vis ou les courroies, et de la durée du cycle. Le logiciel fait alors tout le travail difficile pour vous. Il calcule la vitesse, le couple maximal et le couple efficace. Il calcule également l'inertie de la charge.

Le logiciel passe ensuite en revue tous les produits vendus par l'entreprise. Il vous donne une liste de servomoteurs, de servocommandes et de jeux d'engrenages qui conviennent à votre application. Il vous indique la puissance supplémentaire de chaque produit. Cela vous aide à sélectionner une solution fiable avec une bonne marge de sécurité. L'utilisation de ce logiciel est le meilleur moyen d'être sûr d'avoir sélectionné correctement le bon servo.

Principaux éléments à garder à l'esprit

• Commencez par votre application. Définissez clairement ce que vous attendez du système avant de vous pencher sur les pièces détachées.
• Déterminez vos besoins. Vous devez déterminer la vitesse, le couple maximal et le couple continu (RMS) dont vous avez besoin pour votre profil de mouvement exact.
• N'oubliez pas l'inertie. Un mauvais rapport d'inertie est souvent à l'origine de mauvaises performances. Essayez d'obtenir un rapport de 10 à 1 ou moins. Utilisez un engrenage pour vous aider si nécessaire.
• Utilisez la courbe vitesse-couple. Vérifiez toujours que les points de fonctionnement maximum et continu que vous avez calculés se situent en toute sécurité à l'intérieur de la courbe officielle du moteur.
• Pensez aux détails du monde réel. Assurez-vous que le servomoteur s'adaptera physiquement à votre machine et qu'il fonctionne avec la tension d'entrée.
• Utilisez le logiciel du fabricant. Le logiciel de dimensionnement est un excellent outil gratuit. Il rend le travail plus rapide, plus simple et beaucoup plus correct. C'est le meilleur moyen d'être sûr du servomoteur que vous choisirez.