CONTRÔLE DE LA VITESSE EN BOUCLE FERMÉE

Les moteurs à courant continu à balais et sans balais sont souvent pilotés en boucle ouverte et sont alimentés avec une tension donnée pour produire une vitesse spécifique. Toutefois, lorsqu’une charge est appliquée, la vitesse de rotation diminue naturellement en fonction de la caractéristique de vitesse-couple du moteur. De nombreuses applications peuvent tolérer cette diminution naturelle sans problème (perceuse personnelle ou visseuse électrique). Cependant, pour les applications exigeantes comme une pompe péristatique ou certains instruments chirurgicaux, il est essentiel de maintenir une vitesse constante et de contrôler précisément la vitesse du moteur. Pour réguler en continu cette vitesse dans les moteurs à courant continu, il est possible d'avoir recours à un contrôleur qui va contrôler la vitesse en boucle fermée. Dans cet article, nous allons aborder les différences entre les systèmes en boucle fermée et les systèmes en boucle ouverte et nous étudierons l’utilisation du contrôle de vitesse en boucle fermée pour réguler les moteurs à courant continu.

DÉTERMINER LES CARACTÉRISTIQUES DE COUPLE DE VITESSE DES MOTEURS À COURANT CONTINU

Un moteur à courant continu a une caractéristique de couple-vitesse spécifique, ce qui signifie que pour une tension donnée, le moteur tournera à une vitesse spécifique qui diminuera en fonction du couple appliqué. La vitesse change de façon linéaire en fonction de la tension, ainsi le doublement de la tension entraîne le doublement de la vitesse (Schéma 1).

Nous pouvons déterminer cette courbe caractéristique si nous connaissons la vitesse à vide et le couple de démarrage d’un moteur pour une tension spécifique. Si aucun couple n’est appliqué, le moteur tournera à la vitesse à vide, selon la formule suivante (les pertes de rotation ne sont pas prises en compte) :

Le moteur s’arrête au couple de démarrage, qui est le couple maximal que le moteur peut fournir à une tension spécifique. Il est calculé avec la formule suivante :

CONTRÔLE DE LA VITESSE EN BOUCLE OUVERTE POUR MOTEURS CC

De nombreuses applications requièrent un contrôle simple des moteurs à courant continu pour obtenir le déplacement requis, habituellement obtenu grâce à la génération d'une tension définie. La vitesse n’est pas contrôlée dans cette approche et le moteur doit fonctionner correctement en fonction de sa caractéristique vitesse-couple. C’est ce qu’on appelle la boucle ouverte (Schéma 2).

Dans une boucle ouverte, si la charge augmente, la vitesse du moteur diminue. Un bon exemple est celui de votre perceuse. Vous sentez que la vitesse de l’outil diminue à mesure qu’il devient plus difficile de forer (charge accrue du moteur). Bien que cette méthode d’entraînement d’un moteur soit parfaitement adaptée à plusieurs usages, l’utilisation d’un moteur plus puissant ou l’ajout d’un réducteur peut constituer une solution pour réduire la perte de vitesse. Cependant, ce phénomène se produira toujours et peut poser problème dans des applications critiques.

CONTRÔLE DE LA VITESSE EN BOUCLE FERMÉE POUR MOTEURS CC

Pour certaines applications, il est important de maintenir une vitesse stable ou de fournir une puissance maximale pendant l’augmentation du couple de charge. Dans de tels cas, vous pouvez envisager d’utiliser un contrôleur avec une fonction de contrôle de la vitesse en boucle fermée. Ce contrôleur mesure en continu la vitesse réelle du moteur, avec un retour fourni par des capteurs à effet Hall, des codeurs ou tout autre processus permettant de surveiller le champ électromagnétique du moteur. Le contrôleur compare ensuite cette vitesse à la consigne et réajuste la tension ou le courant pour maintenir une vitesse constante en fonction de la vitesse souhaitée.

La tension et le courant disponibles sont normalement limités (thermiquement ou par l’alimentation) pour une application donnée, ce qui limite la vitesse et le couple que le moteur peut fournir. Le Schéma 6 illustre ces limites :

• Gardez à l’esprit que ωréf est la vitesse de consigne générée par la commande et ciblée par le contrôleur
• Du point A au point B, le contrôle de vitesse fonctionne correctement et maintient la vitesse constante en fonction de la vitesse de consigne ωréf.
• Si la charge devient supérieure à la valeur du point B, comme c'est le cas au point C, le moteur se comportera comme s’il était régulé en contrôle de tension, c’est-à-dire que la vitesse diminue en fonction de la caractéristique vitesse-couple du moteur à la tension maximale disponible. Cela correspond au ωdisp, c'est-à-dire la vitesse maximale disponible.
• Si la charge est supérieure à la valeur de couple maximale, Tmax, au point D, le moteur s’arrête. Ce couple maximal est fonction de la constante de couple du moteur et du courant maximal disponible, Imax, selon la formule suivante :

Remarque : Il y aura toujours une petite différence de vitesse entre la vitesse cible et la vitesse de lecture. Il est important de s’assurer que cette différence soit acceptable. C’est ce que l’on appelle les écarts résiduels.

DOMAINE D’UTILISATION : OUTILS CHIRURGICAUX MANUELS

La comparaison entre le contrôle de vitesse en boucle ouverte et la commande de vitesse en boucle fermée est mieux comprise lorsqu’elle est reliée à une application spécifique. Ici, nous mettons en évidence les outils chirurgicaux manuels qui peuvent fonctionner en boucle ouverte ou en boucle fermée. Portescap propose les deux types de contrôleurs pour s’adapter aux préférences de chaque fabricant d’outils chirurgicaux.

Commande de la vitesse des outils chirurgicaux manuels via le contrôle de vitesse (boucle fermée)

Avec le contrôle de la vitesse, l’utilisateur appuie sur le bouton pour définir la vitesse requise. Lorsqu’une charge est appliquée au forage ou à la découpe, la vitesse reste stable, ce qui signifie que l’utilisateur n’a pas à appuyer davantage sur le bouton pour augmenter le couple. Pour ce faire, le contrôleur maintient automatiquement la vitesse moteur à la vitesse de consigne requise, même si le couple augmente jusqu’au point B (Schéma 7). Ceci est illustré au Schéma 7, où, du point B au point C, la vitesse diminue en fonction de la caractéristique vitesse-couple du moteur à la tension maximale disponible. Le moteur s’arrête au point C en raison de la limite de courant.

Commande de la vitesse des outils chirurgicaux manuels via le contrôle de tension (boucle ouverte)

Avec le contrôle de la tension, l’utilisateur appuie sur le bouton pour définir la tension requise. Lorsqu’une charge est appliquée au forage ou à la découpe, la vitesse diminue, ce qui signifie que l’utilisateur doit appuyer davantage sur le bouton pour augmenter le couple. La vitesse sera ajustée en continu par l’utilisateur. Comme le montre le Schéma 7, si la tension maximale disponible (ω disp) est supérieure à la tension utilisée pour atteindre la vitesse moteur maximale (ωmax), la puissance maximale du moteur sera limitée. En ce qui concerne la vitesse de consigne, on obtiendrait un couple max au point M plutôt qu'au point B

CONCLUSION

Bien que les moteurs CC soient généralement entraînés en boucle ouverte, l’introduction d’un contrôle de la vitesse en boucle fermée est une option efficace pour le contrôle de la vitesse moteur, surtout dans le cas d'applications critiques qui exigent un contrôle précis de la vitesse. Il peut être délicat de savoir quelle méthode de contrôle de la vitesse utiliser dans votre application ou votre produit. C’est pourquoi il est essentiel de faire appel à un fabricant de moteurs reconnu comme Portescap dès le début du processus. Que vous souhaitiez concevoir la prochaine génération de votre application ou que vous cherchiez spécifiquement un contrôleur pour la vitesse ou la tension, les ingénieurs de Portescap sont là pour vous aider.

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