Mesure de la vitesse et précision du contrôle de la vitesse

Sujet :

• Quelle est la précision de la vitesse à laquelle on peut s'attendre si l'on utilise un contrôleur de moteur ?
• Comment améliorer la précision et la stabilité du contrôle de la vitesse ?

Solution :

La précision et la variation de la vitesse dépendent de nombreux paramètres du système. Il est donc difficile de donner un chiffre concret. Dans le cas d'une commande de moteur basée sur le retour d'un codeur, il devrait être possible d'atteindre une précision de 1 tr/min, voire plus. Quoi qu'il en soit, il est important de comprendre quels sont les paramètres qui peuvent avoir le plus d'impact sur l'application concrète et qui peuvent même être optimisés facilement dans un premier temps.

• Résolution du capteur de retour
  Un capteur de retour est nécessaire pour que le contrôleur puisse mesurer la vitesse réelle et l'ajuster à la vitesse demandée.
  Conseils :
  
  • Le capteur de retour doit être monté (rigidement) sur l'arbre du moteur pour obtenir les meilleurs résultats de contrôle, c'est-à-dire qu'il faut utiliser une combinaison de moteurs avec un codeur intégré.
  • Une résolution plus élevée du capteur de retour par rapport à l'arbre du moteur permet une mesure plus précise de la vitesse et un meilleur contrôle de la vitesse. Il est recommandé d'utiliser un codeur d'au moins 500 cpt (= counts per turn) monté sur l'arbre du moteur.
    (voir aussi dans cet article : "Sélection du codeur")
  • Une commande basée uniquement sur un capteur à effet Hall n'offre qu'une résolution très faible :
    Résolution du capteur Hall par tour de l'arbre du moteur = 6 x le nombre de paires de pôles du moteur.
    Cela n'est pas suffisant pour un contrôle à faible vitesse. Règle empirique pour estimer la vitesse minimale possible dans le cas d'une commande basée sur un capteur à effet Hall :
    Vitesse minimale = 1000 tr/min / nombre de paires de pôles
    
    

• Couple de saillance du moteur
  Les moteurs EC flat ou EC-i à couple élevé ont un couple d'entraînement qui peut entraîner une variation de la vitesse sur un tour électrique de l'arbre du moteur.
  Conseil :

  • Il est recommandé d'utiliser un codeur (typ. 500 - 2000 cpt.) et un contrôleur avec des cycles de contrôle rapides et des algorithmes de contrôle sophistiqués (comme les lignes de produits ESCON, EPOS ou MAXPOS de maxon) pour assurer un fonctionnement stable et constant à basse vitesse. Une commutation sinusoïdale (disponible par exemple sur les produits EPOS et MAXPOS) est un facteur supplémentaire qui améliore les performances du moteur en cas de couple de saillance élevé et de vitesses très faibles.
    
    
• Inertie de la charge
  Si l'inertie de la charge est assez élevée (par exemple dans le cas d'un disque monté directement sur l'arbre du moteur ou d'une centrifugeuse) et que le moteur est accéléré ou décéléré assez rapidement, le couple et le courant du moteur sont élevés. Cela peut entraîner des oscillations si l'étage de puissance du contrôleur ou l'alimentation électrique atteint ses limites de courant.
  Conseils :
  • Essayez de réduire les valeurs d'accélération ou de décélération configurées en cas d'oscillation de la vitesse.
  • Pensez à utiliser un moteur, un contrôleur et une alimentation plus puissants.
  • Faites attention à la quantité élevée d'énergie inversée pendant la décélération d'une inertie élevée.
    (Voir aussi dans cet article : "Mesures en cas de récupération d'énergie")
  • Remarque :
    Une certaine inertie de la charge peut également contribuer à bloquer les variations de vitesse en cas de mouvement constant.
    
    
• Variation de la charge
  S'il y a une forte variation de la charge pendant le mouvement (par exemple dans le cas des pompes), cela peut entraîner une variation de la vitesse à court terme.
  Conseil :
  
  • Il est recommandé d'utiliser un codeur (type 500 - 2000 cpt.) et un contrôleur avec des cycles de contrôle rapides et des algorithmes de contrôle sophistiqués (comme les produits ESCON, EPOS ou MAXPOS de maxon) pour réagir rapidement à toute variation de la charge externe.
    
    
• Paramètres de contrôle
  Un réglage correct des paramètres de contrôle est obligatoire pour un contrôle de la vitesse sans à-coups et des profils de vitesse précis.
  Conseil :
  • Configurez correctement les données du moteur et du capteur et réglez les paramètres de régulation automatiquement avec le logiciel Studio de maxon du régulateur correspondant.
  • En cas d'exigences spécifiques de l'application, améliorez les paramètres de régulation en les réglant et en les optimisant manuellement.
    
    
• Taux d'échantillonnage du contrôleur
  Un taux de contrôle élevé du courant et de la vitesse est nécessaire pour obtenir une réaction rapide à toute influence externe sur le moteur ou les caractéristiques du moteur.
  Conseil :
  
  • Utilisez des contrôleurs de moteur modernes avec un taux d'échantillonnage élevé du courant et du contrôle de la vitesse (par exemple, la ligne de produits ESCON, EPOS4 ou MAXPOS de Maxon).
    
    
• Type de commutation
  Si des moteurs à courant continu sans balais (= EC) sont utilisés, une commutation dite sinusoïdale (= FOC "Field Oriented Control") élimine l'ondulation du couple à l'intérieur d'un tour électrique de l'arbre du moteur. Cela améliore la fluidité du mouvement et réduit les variations de vitesse, en particulier en cas de fonctionnement à faible vitesse.
  Conseil :
  
  • Utilisez un encodeur (monté sur l'arbre du moteur) et un contrôleur de moteur moderne qui offre une commutation sinusoïdale (par exemple, les lignes de produits EPOS et MAXPOS de Maxon).
    
    
• Type de commande
  Si une commande analogique ou MLI est utilisée, il faut savoir que cette valeur de consigne comporte déjà un certain bruit de signal analogique ou une variation MLI et que la résolution du traitement du signal est limitée. Le contrôleur et la vitesse de l'arbre du moteur peuvent suivre exactement la variation de la valeur de consigne.
  Conseil :
  
  • En cas de commande analogique ou MLI, tenir compte de la résolution limitée du signal et du traitement du signal (par exemple 12 bits) pour déterminer la résolution de la vitesse (= pas de vitesse) et la variation possible de la vitesse due à l'imprécision de la valeur de consigne.
  • Si la commande de valeurs de vitesse absolues précises est nécessaire, il peut s'avérer nécessaire d'utiliser un bus de communication (par exemple RS232, USB, CAN, EtherCAT)
    
    
• Frottement du système
  S'il y a un frottement constant, le moteur ne peut pas réagir aussi rapidement. Cela peut également contribuer à améliorer la stabilité de la vitesse.
  
  

Point important : Mesure de la vitesse !

L'une des pierres d'achoppement les plus courantes est que la "valeur réelle de la vitesse", qui est mesurée et traitée à chaque cycle de contrôle de la vitesse par le contrôleur de moteur, est considérée comme un indicateur de la précision et de la stabilité de la vitesse. C'est faux !

La "valeur réelle de la vitesse" est une valeur calculée en comptant les impulsions du capteur par période d'un cycle de contrôle (par exemple 1 ms). La valeur de vitesse résultante en [tr/min] peut varier fortement, même à vitesse constante, en raison du principe de mesure et en fonction de la résolution du capteur.

Un autre principe possible d'évaluation de la vitesse est la mesure de la période entre les fronts consécutifs du signal du capteur de retour (par exemple, codeur ou capteurs à effet Hall). Ce principe est partiellement utilisé par certains contrôleurs en cas de fonctionnement à faible vitesse ou de capteurs à faible résolution (comme les capteurs à effet Hall). Bien que ce principe de mesure de la longueur d'impulsion soit plus précis à faible vitesse ou à faible résolution du capteur de retour, sa précision est également limitée par la résolution de l'unité interne de mesure de la longueur d'impulsion et par la précision du capteur lui-même. Le principe de mesure de la longueur d'impulsion peut également présenter certains inconvénients (par rapport au comptage d'impulsions par cycle de commande) en cas de fonctionnement à grande vitesse (= courtes longueurs d'impulsion). C'est pourquoi la méthode de comptage des impulsions est souvent considérée comme la méthode par défaut pour la mesure de la vitesse.

Dans le cas des deux principes de mesure, il convient de noter que les capteurs à effet Hall peuvent avoir des tolérances remarquables en raison de leur position de montage. La mesure de la vitesse à l'aide de capteurs à effet Hall (au lieu de codeurs qui sont beaucoup plus précis) présente un certain bruit inhérent. Ce bruit est particulièrement évident à basse vitesse. C'est pourquoi il est généralement recommandé d'utiliser des codeurs d'au moins 500 cpt. en cas de fonctionnement à faible vitesse (typ. < 1000 rpm, moteur à paire unipolaire). Le codeur peut également améliorer les résultats de la mesure et du contrôle de la vitesse.

La plupart des régulateurs maxon offrent la possibilité d'enregistrer ou de lire ce que l'on appelle la "Velocity actual value averaged", qui est une valeur de vitesse filtrée. Cette valeur filtrée est plus stable et donne une meilleure indication de la vitesse de l'arbre du moteur. Cependant, un certain bruit est toujours présent car le filtre logiciel a été conçu de manière à ne pas éliminer complètement toute réaction dynamique ou tout bruit de signal (dû par exemple au principe de mesure et aux capteurs de rétroaction à faible résolution).

Exemple :
Si un codeur de 500 cpt. et que le temps de cycle de la commande de vitesse est de 1 ms, il y a une variation de vitesse "virtuelle" de la "valeur réelle de la vitesse" possible sur la plage de +/- 30 tr/min dans le cas du principe de mesure du comptage d'impulsions. Il se peut qu'il y ait déjà un front d'impulsion du capteur qui soit présent et comptabilisé, alors que le cycle de contrôle consécutif en compte un de moins. La vitesse mesurée qui en résulte est supérieure de 1 inc. par 1 ms (= 30 tr/min) pour le cycle qui a compté un front d'impulsion de plus que pour le cycle de contrôle suivant.

Conclusion :
Cette variation de la "valeur réelle de la vitesse" mesurée ne correspond pas à une variation de la vitesse de l'arbre du moteur mais est due au principe de mesure et à un certain "bruit" basé sur la résolution limitée du capteur, certaines tolérances des périodes de front d'impulsion et d'échantillonnage du capteur plus la période de comptage extrêmement courte du cycle de contrôle.

Conseil :
L'évaluation de la précision de la vitesse et des variations possibles doit être axée sur certains facteurs de l'application liés au processus, par exemple : "Y a-t-il une variation de la qualité ou de la précision des pièces à usiner influencée par la vitesse du moteur ?", "Y a-t-il un comportement pulsé ou une variation du débit d'une pompe entraînée par le moteur au lieu d'un débit constant ?", ... ?
S'il ne semble pas y avoir de critères utiles pour l'application actuelle, il peut être nécessaire de filtrer la "valeur réelle de la vitesse" sur une période plus longue ou de fixer un dispositif indépendant de mesure de la vitesse sur l'arbre du moteur.

Résumé en pratique

Sélection des composants :

• Choisissez un moteur dont le couple de saillance est nul ou presque nul.
  Les moteurs EC-flat et EC-i ont en partie un couple de saillance significatif qui peut avoir un impact négatif sur le fonctionnement à très basse vitesse.
• Choisissez un codeur à haute résolution (au moins 1024 cpt. ou même beaucoup plus).
  Le codeur doit être monté de manière rigide sur l'arbre du moteur. La meilleure solution consiste à utiliser un codeur faisant partie d'une combinaison de moteurs maxon. Les codeurs externes reliés par des courroies, des accouplements ou même un engrenage ne sont pas recommandés, car ils ont un impact négatif supplémentaire sur la commande et la réaction du moteur en raison de l'élasticité et du jeu de ces éléments.
• Utilisez un contrôleur (comme l'EPOS4 de maxon) avec une commutation sinusoïdale (= FOC) dans le cas d'un moteur EC, ainsi qu'une interface bus pour commander la valeur de consigne.
  Un codeur et un contrôleur maître (PC, PLC, microcontrôleur) avec une interface de bus sont obligatoires dans ce cas.
• Sélectionnez un contrôleur de moteur dont l'étage de puissance est adapté à la demande de courant du moteur en fonction de la demande de couple de l'application. En pratique, cela signifie qu'il faut choisir le contrôleur avec l'étage de puissance le plus "faible" qui peut répondre à la demande de tension (-> vitesse) et de courant (-> couple) de votre moteur en fonction de l'application concrète.
• Ajoutez une charge avec une certaine inertie (par exemple un disque) si vous n'avez pas besoin d'une accélération ou d'une décélération très dynamique. Si le moteur est utilisé près du point de fonctionnement "à vide", il peut être utile d'ajouter une friction constante qui augmente le niveau de courant du moteur pour un contrôle plus précis du courant. Une inertie et un frottement accrus peuvent également contribuer à empêcher les variations rapides de la vitesse par la mécanique.

A noter :

• Plus la vitesse est faible et/ou plus la résolution du codeur est faible, plus l'ondulation ou le bruit rapporté par la mesure de la vitesse sera élevé.
  Un tel bruit ou ondulation basé sur le principe de la mesure de la vitesse ne représente généralement pas les variations réelles de la vitesse de l'arbre du moteur.
  
  
• Qu'entend-on par "vitesse constante" dans votre application ?
  Par exemple
  • La vitesse doit-elle être constante à quelques degrés près du mouvement de l'arbre du moteur ?
    La constance de la vitesse requise doit-elle être axée sur quelques cycles de contrôle (de quelques millisecondes seulement) ou sur des périodes basées sur quelques impulsions du codeur ?
  • La vitesse doit-elle être constante sur un tour complet de l'arbre moteur (évalué à la même position de l'arbre moteur) ?
  • Quel est l'impact d'une variation de vitesse sur la fonctionnalité ou la précision de la machine, du dispositif ou des produits finis ?
  • Est-il possible d'évaluer la variation de vitesse à l'aide d'une mesure externe ou d'un résultat de processus de la machine ou du dispositif ?
    Existe-t-il d'autres facteurs de processus qui dépendent directement de la précision et de la constance de la vitesse du moteur ?

Articles complémentaires recommandés :

• Sélection du codeur
• Codeur : Vitesse minimale
• Contrôleur de vitesse (boucle ouverte)