Moteur servo : Définition, principe de fonctionnement et applications

Moteur servo : définition, principe de fonctionnement et applications

Points clés à retenir:

Définition du moteur servo: Un moteur servo est défini comme un moteur électrique qui assure un contrôle précis de la position angulaire ou linéaire, de la vitesse et du couple en utilisant un système de boucle de rétroaction.

Systèmes de contrôle: Le moteur servo utilise des systèmes de contrôle avancés tels que le PID et la logique floue pour ajuster le mouvement en fonction des signaux d'entrée et de rétroaction afin d'optimiser les performances.

Types de moteurs: Il existe différents types, notamment les moteurs servo à courant alternatif (CA) et à courant continu (CC), avec des sous-types tels que synchrones, asynchrones, à balais et sans balais, chacun adapté à des applications spécifiques.

Mécanisme de rétroaction: L'utilisation efficace de capteurs tels que les potentiomètres et les encodeurs permet une surveillance précise et des ajustements de la position, de la vitesse ou du couple du moteur.

Aperçu des applications: Les moteurs servo sont essentiels dans des domaines de haute précision tels que la robotique, les machines CNC et la fabrication automatisée, grâce à leur capacité à gérer des mouvements et des tâches complexes.

Un moteur servo est défini comme un moteur électrique qui permet un contrôle précis de la position angulaire ou linéaire, de la vitesse et du couple. Il se compose d'un moteur approprié couplé à un capteur pour la rétroaction de position et d'un contrôleur qui régule le mouvement du moteur selon un point de consigne souhaité.

Les moteurs servo sont essentiels dans des industries telles que la robotique, les machines CNC et la fabrication automatisée en raison de leur précision, de leur réactivité rapide et de leur mouvement fluide.

Dans cet article, nous expliquerons la théorie de base des moteurs servo, leur fonctionnement, leur contrôle et certaines de leurs applications courantes.

Qu'est-ce qu'un moteur servo ?

Introduction au moteur servo: Un moteur servo est un moteur électrique qui ajuste sa position, sa vitesse ou son couple en réponse aux entrées du contrôleur.

Le terme "servo" vient du mot latin "servus", signifiant serviteur ou esclave. Cela reflète l'utilisation historique des moteurs servo comme entraînements auxiliaires qui assistent le système d'entraînement principal.

Cependant, les moteurs servo modernes sont capables de fournir des performances élevées et une précision en tant qu'entraînements principaux dans diverses applications.

Un moteur servo se compose de trois composants principaux :

Un moteur : Celui-ci peut être soit un moteur à courant continu (CC), soit un moteur à courant alternatif (CA), selon la source d'alimentation et les exigences de l'application. Le moteur fournit la puissance mécanique nécessaire pour faire tourner ou déplacer l'arbre de sortie.

Un capteur : Celui-ci peut être soit un potentiomètre, soit un encodeur, soit un résolveur, soit un autre dispositif qui mesure la position, la vitesse ou le couple de l'arbre de sortie et envoie des signaux de rétroaction au contrôleur.

Un contrôleur : Celui-ci peut être soit un circuit analogique, soit un circuit numérique qui compare les signaux de rétroaction provenant du capteur avec les signaux de consigne souhaités provenant d'une source externe (comme un ordinateur ou un joystick) et génère des signaux de commande pour ajuster la tension ou le courant du moteur en conséquence.

Le contrôleur utilise un système de rétroaction en boucle fermée, ajustant le mouvement du moteur pour qu'il corresponde étroitement au point de consigne, en maintenant une précision stricte.

Le contrôleur peut également mettre en œuvre divers algorithmes de commande, tels que la commande proportionnelle-intégrale-dérivée (PID), la logique floue, la commande adaptative, etc., pour optimiser les performances du moteur servo.

Comment fonctionne un moteur servo ?

Le principe de fonctionnement de base d'un moteur servo implique que le contrôleur reçoive deux types de signaux d'entrée :

Un signal de consigne : Il s'agit d'un signal analogique ou numérique qui représente la position, la vitesse ou le couple désirés de l'arbre de sortie.

Un signal de rétroaction : Il s'agit d'un signal analogique ou numérique qui représente la position, la vitesse ou le couple réels de l'arbre de sortie mesurés par le capteur.

Le contrôleur compare ces deux signaux et calcule un signal d'erreur qui représente la différence entre eux.

Le signal d'erreur est ensuite traité par un algorithme de commande (tel que le PID) qui génère un signal de commande déterminant la tension ou le courant à appliquer au moteur.

Le signal de commande est envoyé à un amplificateur de puissance (tel qu'un pont H) qui le convertit en un niveau de tension ou de courant approprié pour entraîner le moteur.

Le moteur tourne ou se déplace alors en fonction du signal de commande, modifie sa position, sa vitesse ou son couple, et envoie un nouveau signal de rétroaction au contrôleur.

Le processus se répète jusqu'à ce que le signal d'erreur devienne nul ou négligeable, indiquant que l'arbre de sortie a atteint le point de consigne souhaité.

Types de moteurs servo

Les moteurs servo peuvent être classés en différents types en fonction de leur source d'alimentation, de leur construction, de leur mécanisme de rétroaction et de leur application.

Moteurs servo à courant alternatif (CA)

Les moteurs servo à courant alternatif (CA) sont des moteurs électriques qui fonctionnent sur du courant alternatif (CA). Ils ont un stator qui génère un champ magnétique rotatif et un rotor qui suit ce champ.

Les moteurs servo à courant alternatif, alimentés par du courant alternatif, disposent d'un stator qui crée un champ magnétique rotatif, avec un rotor qui se synchronise avec ce champ pour un fonctionnement efficace.

Les moteurs servo à courant alternatif peuvent être divisés en deux types : synchrones et asynchrones.

Les moteurs servo synchrones à courant alternatif ont un rotor à aimant permanent qui tourne à la même vitesse que le champ du stator. Ils sont plus efficaces, précis et réactifs que les moteurs asynchrones, mais ils nécessitent un contrôleur plus complexe et un capteur de position.

Les moteurs servo asynchrones à courant alternatif ont un rotor bobiné qui induit un courant et un champ magnétique qui est en retard par rapport au champ du stator. Ils sont plus simples, moins chers et plus robustes que les moteurs synchrones, mais ils ont une efficacité, une précision et une vitesse inférieures.

Les moteurs servo à courant alternatif sont adaptés aux applications de forte puissance nécessitant une grande vitesse, un couple élevé et une fiabilité. Ils sont couramment utilisés dans les machines industrielles, la robotique, les machines CNC, etc.

Moteurs servo à courant continu (CC)

Les moteurs servo à courant continu (CC) sont des moteurs électriques qui fonctionnent sur du courant continu (CC). Ils ont un stator à aimant permanent qui génère un champ magnétique fixe et un rotor bobiné qui tourne lorsque du courant est appliqué.

Les moteurs servo à courant continu peuvent être divisés en deux types : à balais et sans balais.

Les moteurs servo à courant continu à balais ont un commutateur et des balais qui inversent la direction du courant dans les enroulements du rotor. Ils sont simples, peu coûteux et faciles à contrôler, mais ils ont une efficacité, une durée de vie et une vitesse inférieures en raison du frottement et de l'usure des balais.

Les moteurs servo à courant continu sans balais ont un contrôleur électronique qui inverse la direction du courant dans les enroulements du stator. Ils sont plus efficaces, durables et rapides que les moteurs à balais, mais ils nécessitent un contrôleur plus sophistiqué et un capteur de position.

Les moteurs servo à courant continu sont adaptés aux applications de faible puissance nécessitant une grande précision, une réactivité élevée et un mouvement fluide. Ils sont couramment utilisés dans les projets de loisirs, les voitures de jouet, les lecteurs de CD/DVD, etc.

Moteurs servo linéaires

Les moteurs servo linéaires sont des moteurs électriques qui produisent un mouvement linéaire au lieu d'un mouvement rotatif. Ils ont une partie stationnaire appelée forcer ou primaire qui contient des bobines ou des aimants, et une partie mobile appelée platen ou secondaire qui contient des aimants ou des noyaux de fer.

Les moteurs servo linéaires peuvent être divisés en deux types : à noyau de fer et sans noyau de fer.

Les moteurs servo linéaires à noyau de fer ont des noyaux de fer dans le platen qui interagissent avec le champ magnétique du forcer. Ils ont une densité de force, une rigidité et une précision élevées, mais ils ont également une force de cogging, un poids et une génération de chaleur élevés.

Les moteurs servo linéaires sans noyau de fer n'ont pas de noyaux de fer dans le platen, seulement des aimants. Ils ont une faible force de cogging, un poids et une génération de chaleur, mais ils ont également une faible densité de force, une rigidité et une précision.

Les moteurs servo linéaires sont adaptés aux applications nécessitant une grande vitesse, une accélération et une précision sur de longues distances. Ils sont couramment utilisés dans la fabrication de semi-conducteurs, la métrologie, la découpe laser, etc.

Comment contrôler un moteur servo ?

Le contrôle d'un moteur servo dépend du type de moteur, du mécanisme de rétroaction et des exigences de l'application.

Généralement, il existe deux types de signaux de commande qui peuvent être utilisés pour contrôler un moteur servo : analogiques et numériques.

Les signaux de commande analogiques sont des signaux de tension ou de courant continus qui varient proportionnellement au point de consigne souhaité. Ils sont généralement utilisés pour des systèmes servo simples ou à faible coût qui ne nécessitent pas une grande précision ou une résolution élevée. Par exemple, un potentiomètre peut être utilisé pour générer un signal de commande analogique pour un moteur servo de loisir.

Les signaux de commande numériques sont des impulsions ou des bits discrets qui représentent le point de consigne souhaité sous forme codée. Ils sont généralement utilisés pour des systèmes servo complexes ou à haute performance qui nécessitent une grande précision, une résolution élevée ou une communication. Par exemple, un signal de modulation de largeur d'impulsion (PWM) peut être utilisé pour générer un signal de commande numérique pour un moteur servo à courant continu sans balais.

Le contrôleur d'un moteur servo peut être soit un appareil externe, soit un circuit intégré à l'intérieur du moteur. Le contrôleur reçoit les signaux de commande d'une source externe (comme un ordinateur ou un joystick) et les signaux de rétroaction du capteur, et génère les signaux de commande appropriés pour entraîner le moteur.

Le contrôleur peut également mettre en œuvre divers algorithmes de commande pour optimiser les performances du moteur servo. Certains des algorithmes de commande courants sont :

Commande proportionnelle-intégrale-dérivée (PID) : Il s'agit d'un algorithme de commande basé sur la rétroaction qui ajuste le signal de commande en fonction des termes proportionnels, intégraux et dérivés du signal d'erreur. Il est largement utilisé pour les systèmes servo nécessitant une réponse rapide et précise.

Commande logique floue : Il s'agit d'un algorithme de commande basé sur des règles qui ajuste le signal de commande en fonction d'ensembles flous et de variables linguistiques. Il est utile pour les systèmes servo qui font face à l'incertitude ou aux non-linéarités.

Commande adaptative : Il s'agit d'un algorithme de commande auto-ajustable qui ajuste les paramètres de commande en fonction des conditions changeantes du système servo. Il est bénéfique pour les systèmes servo qui font face à des perturbations ou des variations.

Applications des moteurs servo

Les moteurs servo ont une large gamme d'applications dans divers domaines et industries. Certaines des applications courantes sont :

Robotique : Les moteurs servo sont utilisés pour fournir un mouvement et une force précis pour les bras, les jambes, les articulations, les pinces, etc. des robots. Ils permettent aux robots d'effectuer des tâches telles que la préhension, le placement, la soudure, l'assemblage, etc.

Machines CNC : Les moteurs servo sont utilisés pour entraîner les axes des machines CNC telles que les tours, les fraiseuses, les routeuses, etc. Ils permettent aux machines CNC d'effectuer des opérations de usinage précises et complexes telles que le découpage, le perçage, la gravure, etc.

Fabrication automatisée : Les moteurs servo sont utilisés pour contrôler le mouvement et la position de divers composants et dispositifs dans les systèmes de fabrication automatisée, tels que les convoyeurs, les alimentateurs, les chargeurs, les déchargeurs, etc. Ils permettent aux systèmes de fabrication automatisée d'atteindre une productivité et une qualité élevées.

Équipements médicaux : Les moteurs servo sont utilisés pour faire fonctionner divers dispositifs et instruments médicaux tels que les robots chirurgicaux, les scanners, les pompes, les respirateurs, etc. Ils permettent aux équipements médicaux d'effectuer des opérations et des traitements précis et sûrs.

Conclusion

Dans cet article, nous avons appris la définition, le principe de fonctionnement, les types, le contrôle et les applications des moteurs servo.

Nous avons vu que les moteurs servo sont des moteurs électriques qui permettent un contrôle précis de la position angulaire ou linéaire, de la vitesse et du couple. Ils se composent d'un moteur, d'un capteur et d'un contrôleur qui forment un système de rétroaction en boucle fermée.

Nous avons également vu que les moteurs servo peuvent être classés en différents types en fonction de leur source d'alimentation, de leur construction, de leur mécanisme de rétroaction et de leur application. Certains des types courants sont les moteurs servo à courant alternatif, les moteurs servo à courant continu et les moteurs servo linéaires.

Nous avons également vu que les moteurs servo peuvent être contrôlés par des signaux analogiques ou numériques qui représentent le point de consigne souhaité. Le contrôleur peut également mettre en œuvre divers algorithmes de commande pour optimiser les performances du moteur servo.

Nous avons également vu que les moteurs servo ont une large gamme d'applications dans divers domaines et industries, tels que la robotique, les machines CNC, la fabrication automatisée, les équipements médicaux, etc.

Nous espérons que cet article a été informatif et utile pour vous. Si vous avez des questions ou des commentaires, n'hésitez pas à les partager avec nous. Merci de votre lecture !