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Systèmes d’entraînement - le succès grâce à des approches interdisciplinaires

  • mécatronique, système, contrôleurs, e...

La technologie d'entraînement est un élément de base pour la performance des machines, des robots et des appareils portatifs. Cependant, il y a beaucoup plus à considérer que la conception et le choix du moteur. Une pensée interdisciplinaire, des connaissances spécifiques en ingénierie, une expérience approfondie et une compréhension claire des exigences sont des facteurs clés.

Tout progrès technologique, quel qu'il soit, doit se concentrer sur l'application. À un moment donné, l'amélioration des caractéristiques de performance ou les nouvelles technologies doivent produire des résultats sous la forme d'une meilleure qualité et/ou d'une réduction des coûts. En ce qui concerne la technique d'entraînement pour les machines et les appareils portatifs, cela signifie que :

- Une meilleure dynamique améliore le rendement de production,

- Une commande d'entraînement plus rapide améliore la précision et la qualité du produit,

- Un système d'entraînement plus efficace améliore l'efficacité énergétique de l'ensemble du système.

 

Avoir une vue d'ensemble

La première étape de la spécification et de l'optimisation d'un système d'entraînement consiste à comprendre et à hiérarchiser correctement les exigences techniques et commerciales du système final, qui peut être une machine, un robot ou un appareil portable. Il est facile de ne pas avoir une vue d'ensemble et de se concentrer unilatéralement sur les considérations pertinentes à son propre domaine d'expertise. En règle générale, la sélection de l'entraînement s'effectue en ingénierie. Cependant, la performance, le coût et les limites d'une solution d'entraînement sont influencés par une multitude de facteurs ainsi que par d'autres composants du système. Il est donc essentiel d'exploiter le savoir-faire d'experts de différents domaines pendant la phase d'idée et de conceptualisation.

 

S’appuyer sur des bassins d'expertise

L'approche systémique et l'interdisciplinarité sont deux facteurs clés de succès qui doivent être pris en compte depuis l’élaboration du concept jusqu'à sa mise en œuvre dans la production de masse. Souvent, il n'est pas possible de couvrir toutes les compétences en interne au même niveau élevé. Des partenaires externes disposant d'une vaste expérience offrent la possibilité d'un échange d'idées interdisciplinaire plus large. Idéalement, le partenaire est également en mesure d'assumer la responsabilité du développement et de la production de systèmes partiels, de réduire les risques de développement et d'accélérer la mise sur le marché.

 

maxon, systèmes d'entraînement et ingénierie

Avec plus de 50 ans d'expérience et plus de 2800 collaborateurs dans le monde entier, maxon dispose d'un savoir-faire qui va bien au-delà du moteur d'entraînement « pur ». Avec un développement et une production en interne, la gamme maxon couvre les moteurs à courant continu avec et sans balais, les réducteurs, les broches, les codeurs, les contrôleurs de moteurs, les contrôleurs maîtres et les systèmes de gestion de batteries. Les composants maxon et les systèmes d'entraînement spécifiques au client sont utilisés dans la robotique, la technique médicale et de laboratoire, l'automation industrielle, l'industrie automobile et les applications spatiales de la Terre à Mars. Dans de nombreux projets, le facteur clé n'est pas seulement la vaste gamme de produits, mais aussi l'interdisciplinarité et l'expérience approfondie des équipes d'application de maxon, ainsi que la possibilité de développer des solutions d'entraînement entièrement nouvelles. Les experts maxon pour moteurs, réducteurs, électronique et commande sont disponibles dès les premières étapes de la discussion et connaissent les exigences des différents domaines d'application. Si l'on examine les différents composants et leurs facteurs d'influence, on comprend pourquoi il est si important de couvrir différents domaines d'expertise pour un système d'entraînement.

 

 

L’importance du maître pour le mouvement

Une "intelligence" de haut niveau, appelée maître, transmet les ordres de mouvement au contrôleur de moteur et interroge les informations de processus (par ex. couple, vitesse, position, état).

- La répartition des tâches entre le maître et le contrôleur de moteur est essentielle pour évaluer les performances requises et sélectionner le maître, le contrôleur de moteur et l'interface de communication.

- Si un échange de données cyclique rapide (par ex. toutes les millisecondes) est nécessaire dans les machines, un maître avec un système d'exploitation en temps réel (par ex. API) et une interface rapide (par ex. CAN, EtherCAT) est alors nécessaire.

- Si des séquences de mouvements complexes peuvent être préconfigurées et exécutées de manière autonome dans le contrôleur de moteur, il suffit d'utiliser un PC (courant dans l'automatisation de laboratoire) ou un microcontrôleur (comme dans les appareils portatifs, par exemple les tournevis et les forets d'automatisation industrielle ou médicale).

maxon : Moteurs DC/BLDC et contrôleurs de positionnement.

 

Le contrôleur de moteur

Le contrôleur de moteur est le lien entre le maître de niveau supérieur et les moteurs ainsi que les dispositifs de retour (par ex. codeurs). Les régulateurs et l'étage de puissance sont utilisés pour convertir les commandes de courant, de vitesse et de position en tensions et courants dans les phases du moteur.

- Des cycles de régulation rapides et des algorithmes complexes permettent des mouvements d'entraînement précis et dynamiques.

- Des étages de puissance à la pointe de la technologie fournissent les courants de pointe nécessaires à une accélération rapide. Ils ont une haute efficacité énergétique. Le moteur et les filtres de signaux intégrés améliorent la compatibilité électromagnétique (CEM) et l'immunité au bruit.

 

L'encodeur

Les commandes de vitesse et de positionnement nécessitent des dispositifs de rétroaction (appelés codeurs ou échelles linéaires) pour renvoyer des informations sur la position réelle du moteur et/ou de l'arbre de sortie.

- La résolution et l'emplacement de ces systèmes de mesure déterminent les limites de précision théoriques du positionnement.

 

Le moteur

Le moteur convertit l'énergie électrique en énergie mécanique, par exemple en mouvement et en couple.

- Les moteurs DC ou BLDC avec une capacité de surcharge élevée peuvent avoir une conception compacte, car des couples élevés sont disponibles pour les phases d'accélération dynamique à court terme.

- Les moteurs à faible inertie du rotor réduisent le couple nécessaire pour accélérer le rotor, augmentant ainsi l'efficacité énergétique et la dynamique.

- Un rendement moteur élevé améliore donc l'efficacité énergétique globale et réduit la production de chaleur, ce qui est un facteur important, en particulier pour les appareils portatifs.

 

Le réducteur

La précision, le jeu, l'élasticité et l'efficacité du réducteur et des ensembles mécaniques...

- Déterminent la précision du positionnement de la sortie,

- Ont un impact sur la dynamique, par exemple le temps après lequel la position cible a été atteinte et stabilisée,

- Jouent un rôle dans l'efficacité énergétique.

 

Le défi de l’intégration

Afin d'intégrer tous les composants dans une unité aussi compacte que possible, il est nécessaire de considérer les aspects thermiques du chauffage mutuel sous charge. Pour éviter des modifications coûteuses, les calculs des points de fonctionnement et les évaluations thermiques du moteur électrique et de l'électronique doivent être effectués dès le début de l'étape de validation du concept.

 

Le défi du fonctionnement sur batterie

Les applications alimentées par batterie exigent des compétences en matière d'optimisation de l'efficacité énergétique et de gestion des batteries.

maxon Door Drive : Moteur BLDC, réducteur, codeur, contrôleur de positionnement intégré dans une unité compacte.

 

Exemple : Système d'entraînement de porte intégré

Des milliards de personnes prennent l'ascenseur chaque jour. Outre l'entraînement principal, les ascenseurs nécessitent des entraînements de porte compacts qui sont installés dans l'espace restreint au-dessus de la porte. Les variateurs « intelligents » reçoivent des commandes d'ouverture et de fermeture via un système de bus. Les variateurs doivent exécuter ces commandes de manière fiable et répondre à des exigences de sécurité strictes.

En collaboration avec un fabricant d'ascenseurs de premier plan, maxon a développé l'entraînement de porte, capable de déplacer des portes pesant jusqu'à 400 kg. Ce système d'entraînement silencieux et économe en énergie intègre un moteur plat à couple élevé maxi EC 90 avec codeur, une transmission par courroie en option ainsi qu'un contrôleur de positionnement EPOS dans une unité compacte. L'échange de données s'effectue via CAN. Des algorithmes spécifiques de contrôle et de surveillance de la force assurent un mouvement fluide mais dynamique de la porte, un positionnement précis et une protection contre l'écrasement.

maxon a conçu et développé le système en collaboration avec un client, réunissant le savoir-faire interdisciplinaire d'experts en technique d'application et de sécurité, construction, contrôleurs, développement électronique, thermodynamique et logiciel. Ce type de solution ne peut pas être obtenu en combinant simplement des composants individuels : elle exige la capacité de concevoir une nouvelle solution d'entraînement pour un cas d'application spécifique. maxon est le partenaire idéal pour les systèmes d'entraînement, les contrôleurs et la gestion des batteries.