Quelle tension d'alimentation est nécessaire pour un contrôleur ?

Sujet :

• Quel niveau de tension d'alimentation doit être appliqué au contrôleur pour faire fonctionner le moteur jusqu'à la vitesse maximale requise par l'application ?

Situation :

Le moteur utilisé par une application est défini et la vitesse maximale du moteur a été définie en fonction des exigences de l'application. La question qui se pose alors est de savoir quelle tension d'alimentation est nécessaire au contrôleur ou à son étage de puissance pour que le moteur puisse atteindre la vitesse maximale requise de manière fiable, même en cas de charge élevée ou d'accélération brutale.

Solution :

La vitesse maximale atteignable d'un moteur dépend de la tension appliquée à ses enroulements et de la "constante de vitesse" spécifiée dans les données du moteur. La tension d'alimentation du contrôleur doit être supérieure à la tension du moteur calculée sur la base de la "constante de vitesse".

La "tension nominale" d'un bobinage de moteur n'est pas un facteur limitatif. La tension réelle du moteur et la tension d'alimentation d'un contrôleur doivent être encore plus élevées que la "tension nominale" spécifiée, en fonction des exigences de vitesse. Le contrôleur ajuste le niveau de tension du moteur (par ce que l'on appelle le "cycle de travail MLI") en fonction de la vitesse et des exigences de charge du point de travail actuellement demandé.

Il faut veiller à ce que la vitesse demandée ne dépasse aucune des limites mécaniques spécifiées, par exemple la "vitesse maximale" du moteur ou la "vitesse d'entrée maximale" d'un réducteur ou d'une vis.

Les aspects suivants doivent être pris en compte pour estimer la tension d'alimentation minimale requise d'un contrôleur afin de répondre aux exigences de vitesse et de couple du moteur d'une application :

Tension moteur requise

La tension moteur requise (c'est-à-dire la "tension de sortie maximale" du contrôleur) dépend de la "constante de vitesse" du moteur, qui définit la vitesse à vide par volt de tension moteur. Si une tension fixe est appliquée au moteur, la vitesse du moteur sera réduite avec l'augmentation du couple en fonction du "gradient vitesse/couple" du moteur. La tension moteur requise dépend des points de fonctionnement du moteur dans une application. Les points de fonctionnement sont caractérisés par la vitesse requise et les différentes valeurs de couple. La vitesse et la charge de couple les plus élevées se produisent généralement à la fin d'une phase d'accélération. La tension du moteur doit être suffisamment élevée pour couvrir ce point de fonctionnement extrême. Elle peut être calculée à l'aide de la formule suivante :

Tension minimale requise (théorique) du moteur
= ("Vitesse maximale" + ("Couple de charge maximal" * "Gradient vitesse/couple")) / "Constante de vitesse"

• Vitesse maximale [tr/min] :
  Vitesse maximale requise du moteur en fonction des exigences de l'application.

• Couple maximal [mNm] :
  Couple maximal requis pour le moteur en fonction des exigences de l'application, par exemple pour accélérer l'inertie de la charge.

• Gradient de vitesse/couple [tr/min/mNm] : voir la fiche technique du moteur.

• Constante de vitesse [tr/min/V] : voir la fiche technique du moteur

• Tension minimale requise pour le moteur [V] :
  Cette tension moteur calculée est une valeur minimale ; elle est juste suffisante pour atteindre le point de fonctionnement extrême sur la base des données moteur spécifiées, sans aucune réserve.

Tension moteur requise dans la pratique :

En règle générale, la tension réelle du moteur doit être choisie environ 20 % plus élevée que la valeur calculée théoriquement pour garantir que le point de fonctionnement extrême peut être atteint de manière fiable, même en tenant compte des deux facteurs d'influence supplémentaires suivants :

• Tolérance des données du moteur
  Les données spécifiées pour le moteur ont généralement une tolérance de +/-10%.

• Réserve de contrôle
  Un contrôleur a besoin d'une certaine "marge de manœuvre" pour une commande réactive et ne doit pas se heurter à des limites physiques lorsque la situation sort un peu de l'ordinaire.

Aspects relatifs à la tension d'alimentation du contrôleur

La fiche technique et la "référence matérielle/Hardware Reference" d'un contrôleur spécifient la "tension de sortie maximale" (ou le "cycle de travail MLI maximal") en tant que pourcentage de la tension d'alimentation réelle du contrôleur. Cette valeur limite la tension qui peut être délivrée par l'étage de puissance du contrôleur et appliquée au bobinage du moteur au maximum.

• EPOS4 :
  Dans le cas d'un "EPOS4", la "tension de sortie maximale" est spécifiée à 90%, c'est-à-dire que la tension appliquée aux bobinages du moteur sera de 90% de la tension d'alimentation maximale du contrôleur.
  Exemple :
  EPOS4 : Tension d'alimentation = 24V
  => environ 21,6 V de tension maximale possible pour le moteur
  
  
• ESCON :
  Dans le cas d'un "ESCON", la "tension de sortie maximale" est spécifiée entre 95 et 98 % en fonction du type de produit ESCON concret, c'est-à-dire que la tension appliquée aux bobinages du moteur sera de 95 à 98 % de la tension d'alimentation maximale du contrôleur.
  Exemple :
  ESCON 50/5 : Tension d'alimentation = 24 V
  => environ 23,5 V de tension maximale possible pour le moteur
  
  
• Remarque supplémentaire : limites minimales de la tension d'alimentation
  La fiche technique et la "Référence matérielle/Hardware Reference" du contrôleur indiquent un niveau minimum de tension d'alimentation. Il faut veiller à ce que la tension d'alimentation ne descende pas en dessous de cette limite minimale pendant le fonctionnement, par exemple en raison d'une batterie partiellement déchargée ou d'états de surcharge.
  
  
• Remarque complémentaire : limites maximales de la tension d'alimentation
  Si une batterie est présente pour la tension d'alimentation, la tension de "fin de charge" doit être reconnue. Il faut s'assurer que la tension de "fin de charge" ne dépasse pas la "tension d'alimentation absolue maximale" du régulateur spécifiée dans sa "référence matérielle/Hardware Reference", ni la limite de tension configurée d'un hacheur de freinage ou d'un régulateur de shunt (par exemple le DSR 70/30 de Maxon) qui pourrait également être installé dans le système.

Quelle est la pratique ?

• Étape 1 : Tension minimale requise
  La formule mentionnée ci-dessous est le point de départ de tout calcul :
  Tension minimale (théorique) requise pour le moteur
  = ("Vitesse max." + ("Couple max." * "Gradient vitesse/couple")) / "Constante de vitesse"
  
  L'un des points de discussion est souvent de savoir quel sera le "couple maximal" pendant l'accélération. Bien que ce couple puisse être calculé en théorie sur la base du frottement, de l'inertie de la charge et de l'accélération, il arrive souvent que tous ces facteurs ne soient pas connus ou qu'ils ne soient pas déjà fixés lors de la conception du système. En règle générale, le "couple maximal" est souvent compris entre 1 et 3 fois le "couple nominal" spécifié pour le moteur.
  
  
• Étape 2 : Réserve de tolérance et de contrôle
  Une réserve de "tolérance et de contrôle" de 20 % est ajoutée à la "tension minimale requise pour le moteur" calculée.
  
  
• Étape 3 : Tension d'alimentation du contrôleur
  La tension d'alimentation du contrôleur requise doit être calculée en tenant compte du rapport "Tension de sortie maximale" spécifié.
  
  
• Remarque :
  Les alimentations avec une tension de sortie de 24V ou 48V sont standard dans l'industrie et couramment utilisées. La décision principale concernant la tension d'alimentation d'un contrôleur est souvent très "numérique" et se résume à savoir si 24V est suffisant ou si c'est 48V. Le type de contrôleur concret doit être sélectionné avec une plage de tension d'alimentation adaptée et être capable de fournir le courant moteur requis.

Exemple :

Exemple 1 : EC-i 40

• Caractéristiques du moteur (PN : 496660) :
  -> Constante de vitesse : 255 tr/min/V
  -> Gradient de vitesse / couple : 1.6 rpm/mNm
• Contrôleur : "EPOS4 compact 50/8 CAN" (PN : 520885)
  -> Tension de sortie max. : 0,9 * tension d'alimentation
• Point de fonctionnement extrême de l'application :
  -> Vitesse maximale : 6000 rpm @ 400 mNm (pendant l'accélération)
  Hypothèse : Surcharge de courte durée de deux fois le couple nominal du moteur.
• Tension minimale théorique requise pour le moteur :
  = (6000rpm + (400mNm * 1.6rpm/mNm)) / 255rpm/V
  => Tension minimale requise pour le moteur = 26 V
• En tenant compte de la réserve "Tolérances et contrôle" :
  Tension moteur requise = 26V * 1,2 = 31 V
• Tension d'alimentation du contrôleur requise :
  Tension d'alimentation de l'EPOS4 = 31V / 0,9 = environ 35 V
• Sélection de l'alimentation :
  En règle générale, on choisira une alimentation de 48 V.

Exemple 2 : DCX 35 L

• Données spécifiées du moteur (DCX 35L, bobinage 12V) :
  -> Constante de vitesse : 699 rpm/V
  -> Gradient de vitesse / couple : 4.04 rpm/mNm
• Contrôleur : "ESCON Module 50/8" (PN : 532872)
  -> Tension de sortie max. : 0,98 * tension d'alimentation
• Point de fonctionnement extrême de l'application :
  -> Vitesse maximale : 8000 rpm @ 200 mNm (pendant l'accélération)
  Hypothèse : Présence d'une charge à forte inertie
• Tension moteur minimale requise en théorie :
  = (8000rpm + (200mNm * 4.04rpm/mNm)) / 699rpm/V
  => Tension minimale requise pour le moteur = 12,6 V
• En tenant compte de la réserve "Tolérances et contrôle" :
  Tension moteur requise = 12,6V * 1,2 = 15 V
• Tension d'alimentation du contrôleur requise :
  Tension d'alimentation de l'ESCON = 15V / 0,98 = environ 15,5 V
• Sélection de l'alimentation :
  En règle générale, on choisira une alimentation de 24 V.

Renvoi à des sujets connexes :

• Tension nominale du moteur et tension d'alimentation du contrôleur ?
• Signification des données moteur spécifiées par maxon
• Signification des données du réducteur spécifiées par maxon
• Chapitres "6.3 Motor constants and diagrams" et "6.5 Motor selection" of maxon's "du "Formulae Handbook" -> Formulae Handbook