Sélection de la meilleure alimentation pour votre application de moteur pas à pas ou de servomoteur

Les applications de contrôle de mouvement ont des exigences uniques par rapport à la plupart des applications ; deux sont particulièrement uniques : 1) ils ont une demande de puissance de pointe qui est généralement très élevée par rapport à la demande moyenne et 2) les moteurs agissent souvent comme un générateur plutôt que comme une charge, et pompent le courant dans l'alimentation plutôt que de tirer de elle (énergie régénérée ou "regen").

Si vous avez besoin d'une alimentation CC pour votre application de moteur pas à pas ou de servomoteur, vous avez le choix entre trois types : 1) alimentations linéaires en vrac non régulées ; 2) alimentations à découpage PWM régulées (commutateurs SMPS ou PWM); ou 3) des alimentations en mode résonant hybrides et régulées.

Cet article traite des considérations techniques propres au contrôle de mouvement et compare les trois types d'alimentations.

Il est important de prendre en compte les exigences uniques d'une application de contrôle de mouvement lors de la sélection d'une alimentation. Pendant les accélérations, les entraînements à moteur peuvent rapidement consommer de grandes quantités de puissance. De plus, les moteurs peuvent créer une régénération et renvoyer le courant dans l'alimentation pendant la décélération (c'est-à-dire qu'ils agissent comme des générateurs), ce qui signifie que l'alimentation doit gérer l'augmentation de tension qui en résulte. Les applications de mouvement hautement dynamiques (celles avec des charges inertielles importantes, des accélérations/décélérations rapides et des vitesses de pointe élevées) imposent des demandes importantes et rapides de courant sur l'alimentation électrique.

Il existe de nombreux autres facteurs importants à prendre en compte lors du choix de la meilleure alimentation qui ne sont pas spécifiquement liés au contrôle de mouvement. Certains d'entre eux sont particulièrement importants pour les concepteurs de machines OEM qui cherchent à minimiser le coût de leur produit et à assurer un fonctionnement fiable dans une grande variété de conditions de fonctionnement.

Puissance requise (crête et moyenne) : Une application de pompage qui fonctionne généralement à une vitesse et un couple fixes ou variant lentement utilise une puissance de crête assez proche de sa puissance moyenne (continue). Une machine pick-and-place, en revanche, avec de nombreux démarrages et arrêts à forte accélération, a une puissance de pointe beaucoup plus élevée que la demande de puissance moyenne. Pour un système bien conçu, vous devrez prendre en compte la consommation de puissance maximale et moyenne pour tous les axes combinés (qui n'est généralement pas simplement la somme des exigences des axes individuels). Une machine multi-axes avec des axes dont les profils de mouvement se chevauchent (c'est-à-dire que les axes peuvent accélérer en même temps) nécessitera probablement beaucoup plus de puissance de pointe que les machines où un seul axe se déplace à la fois.

Niveau de tension de sortie CC : En supposant que vous souhaitiez le coût global le plus bas pour la puissance mécanique dont votre application a besoin et que vous utilisiez des moteurs dans la plage de 100 à 750 watts (puissance fractionnaire), il existe un point idéal autour de 65 à 85 volts CC. De nombreuses personnes souhaitent utiliser une alimentation 24 volts parce qu'elles sont très faciles à trouver ou parce que leur application a déjà besoin de 24 volts (pour les capteurs et autres composants). De nombreux moteurs peuvent fonctionner à partir d'une alimentation 24 volts, alors pourquoi ne pas utiliser 24 volts ? La raison principale est que l'augmentation de la tension de bus fournie par le moteur (jusqu'à un certain point) est le moyen le moins coûteux d'obtenir plus de puissance moteur. La puissance mécanique de l'arbre d'un moteur à une vitesse donnée est la vitesse multipliée par le couple. La vitesse maximale de tout moteur est directement liée à sa tension d'alimentation. La quantité de couple que vous pouvez obtenir d'un moteur est proportionnelle au courant que vous poussez à travers ses enroulements, qui à son tour est également limité par la tension d'alimentation. Ainsi, le moyen d'obtenir le maximum de puissance d'un moteur donné (vitesse × couple) consiste à augmenter sa tension d'alimentation. Pour une tension donnée, un moteur tournera plus vite si les bobines de stator du moteur ont moins de tours de fil de cuivre. Et avec moins de tours, vous pouvez utiliser un fil de plus gros calibre, qui aura une résistance plus faible et fournira plus de courant par volt.

A l'inverse, pourquoi ne pas utiliser une très haute tension ? Pour les moteurs de plus de 1 à 2 chevaux, il ne serait pas pratique de ne pas utiliser de haute tension, mais pour les moteurs à puissance fractionnaire, l'utilisation de la haute tension entraîne un certain nombre de problèmes de sécurité et de réglementation qui augmentent la complexité du projet et augmentent les coûts. Lors de l'utilisation d'une alimentation dans la plage de 75 VDC, le courant requis pour atteindre une puissance moteur allant jusqu'à 1-2 chevaux n'est pas assez élevé pour se soucier des pertes résistives et des problèmes de remplissage de cuivre décrits ci-dessus. Et à 75 VDC, il est assez facile et peu coûteux de respecter les réglementations de sécurité électrique. Vous pourrez peut-être utiliser une tension inférieure à la tension optimale tout en obtenant la puissance mécanique dont vous avez besoin, mais vous devrez probablement utiliser un moteur plus gros et plus cher.

Régulation de charge/rigidité de la tension de sortie : La tension de sortie des alimentations chutera dans une certaine mesure à mesure que la charge de l'alimentation augmente. La quantité d'affaissement dépend du type d'alimentation, de la qualité de la conception et de la quantité de charge. Lorsque la tension de sortie d'alimentation diminue, la puissance maximale disponible sur l'arbre moteur diminue. Les entraînements de moteur agissent comme des convertisseurs de puissance, de sorte qu'une certaine quantité de statisme peut être momentanément compensée par l'entraînement car il consommera simplement plus de courant pour fournir la puissance requise à l'entraînement de moteur. Mais, comme le statisme réduit la tension fournie au moteur, la puissance maximale du moteur sera également réduite.

Les alimentations qui subissent trop de chutes de tension peuvent entraîner des erreurs de position et de vitesse du moteur. Avec un statisme suffisamment élevé, un moteur pas à pas perdra des pas et un servo peut émettre un arrêt en raison d'une erreur instantanée excessive.

Régulation de ligne : Il existe une large gamme de tensions alternatives nominales à travers le monde ; ils varient selon le lieu, l'heure de la journée et la charge du réseau électrique. Les alimentations régulées gèrent généralement bien tout changement raisonnable de la tension de la ligne CA - elles ont généralement très peu de changement de tension de sortie. Mais la sortie d'une alimentation non régulée, comme une alimentation linéaire en vrac, changera proportionnellement à la modification de la tension de ligne d'entrée. Si votre machine a besoin d'une tension de sortie complète pour atteindre sa vitesse de moteur cible et a été testée à pleine tension de ligne, vous pourriez avoir une mauvaise surprise lorsque la machine est utilisée dans des conditions de ligne basse.

Une condition AC de ligne élevée peut également être un problème pour les applications sans régulation de ligne. La plupart des variateurs de vitesse se protègent contre les conditions de surtension, mais si la tension du bus CC sur une alimentation non régulée augmente en raison d'une ligne CA élevée, votre variateur fonctionnera désormais plus près de sa limite de surtension. Cela diminue la marge de conception par rapport à l'énergie régénérative, car la régénération agira également pour augmenter la tension vue par la commande du moteur.

Prise en charge du contrôle de régénération : Tous les moteurs électriques génèrent une tension inverse (contre-EMF) lorsqu'ils produisent un couple contre la direction du mouvement (par exemple, pendant la décélération). Cette régénération pompe le courant dans l'alimentation et augmente la tension totale du bus. Il existe différentes manières de gérer ce flux de courant inverse.

Vous pouvez ajouter une capacité en parallèle avec la sortie d'alimentation pour agir comme un réservoir qui absorbe cette énergie de régénération et la stocke pour la réutiliser ultérieurement lorsque l'alimentation doit être tirée de l'alimentation. Un grand condensateur de sortie prend de la place, est relativement coûteux et a une durée de vie relativement courte par rapport aux autres composants électroniques. Le problème de durée de vie peut être atténué en choisissant un condensateur avec une tension nominale nettement supérieure à la tension d'alimentation nominale. Si votre axe ou votre machine produit une régénération importante, vous devrez peut-être envisager un circuit de régénération dédié pour dériver le courant à travers une résistance de charge afin de brûler l'énergie excédentaire. Vous pouvez également incorporer un condensateur de sortie séparé avec une "diode de blocage" associée et/ou un circuit de commande de régénération avec sa résistance de "freinage" de charge associée. Le condensateur fonctionnera passivement pour absorber une certaine quantité d'énergie régénérée (et la restituer si nécessaire).

Ces composants supplémentaires (Figure 1), ainsi que le câblage requis, augmentent les dépenses, la complexité du câblage et occupent plus d'espace dans l'armoire. De plus, la résistance de freinage peut devenir suffisamment chaude pour constituer un danger pour la sécurité et peut nécessiter des mesures pour éviter de blesser l'utilisateur. Le condensateur de sortie peut nécessiter des circuits supplémentaires afin d'empêcher le courant d'appel de déclencher votre disjoncteur lors de la mise sous tension, ainsi que des circuits pour vider l'énergie stockée lors de la mise hors tension.

Taille/Empreinte : La taille et/ou le facteur de forme sont importants pour la plupart des constructeurs de machines et l'alimentation électrique de la commande de mouvement est souvent l'un des composants les plus volumineux d'une armoire électrique. Les armoires ou boîtiers électroniques (en particulier s'ils sont conçus pour un environnement difficile) sont coûteux, de sorte que des fournitures plus petites et moins de composants réduisent les besoins en espace et les coûts.

Protection contre les courants d'appel : Le courant d'appel est le courant instantané initial qu'un composant consomme lorsqu'il est mis sous tension pour la première fois. Les condensateurs non chargés consomment beaucoup de courant lorsqu'ils commencent à se charger. Le courant d'appel d'une alimentation CC peut être plusieurs fois supérieur au courant d'entrée en régime permanent. Sans circuit de limitation de courant d'appel, les blocs d'alimentation peuvent déclencher des disjoncteurs correctement dimensionnés ou faire sauter des fusibles lorsqu'ils sont sous tension.

Coût: Les constructeurs de machines OEM peuvent être particulièrement sensibles aux coûts, car ils deviennent importants à mesure que le volume des machines augmente. Il est important de prendre en compte le coût et la main-d'œuvre associés à l'intégration de composants électriques auxiliaires (tels qu'un circuit de commande de régénération externe, une diode de blocage, une résistance de freinage ou des condensateurs supplémentaires).

Alimentations linéaires non régulées– L'une des alimentations les plus simples qui existent, l'alimentation linéaire non régulée en masse comporte trois composants principaux :

Transformateur : le transformateur primaire convertit la tension de ligne CA d'entrée en une tension CA alternative (généralement le niveau de tension CC final souhaité). Ils prennent beaucoup de place et leurs tôles d'acier et leurs enroulements de cuivre sont lourds.

Pont redresseur pleine onde : Le pont redresseur est un réseau de diodes (généralement dans un seul boîtier) qui convertit le demi-cycle négatif de la tension de sortie CA du transformateur en une tension positive. La sortie du redresseur a deux fois la fréquence de l'entrée AC mais seulement une polarité positive.

Condensateur : la capacité stocke l'énergie de sorte que même si vous tirez du courant de l'alimentation pendant la phase de l'entrée CA où la tension est faible, la tension de sortie ne chutera pas trop.

Les alimentations linéaires en vrac présentent un certain nombre d'avantages. Ils sont simples, électriquement silencieux et fournissent une source de courant facilement disponible. Les inconvénients incluent plus d'ondulation de tension que la plupart des conceptions car la tension d'entrée CA est bien inférieure à la tension de sortie CC pendant une période relativement longue. Si la tension chute trop, le moteur pas à pas ou le servomoteur n'aura pas assez de tension pour tourner à la vitesse requise.

Ces alimentations sont relativement grosses et lourdes, ce qui rend plus difficile leur intégration dans une machine compacte. Toutes les alimentations linéaires en vrac ne sont pas bien adaptées pour gérer la régénération. L'énergie renvoyée par un moteur chargera le condensateur de sortie, augmentant ainsi la tension de sortie CC.

Les alimentations non régulées linéaires en masse (Figure 2) sont généralement des dispositifs « nus » et n'ont pas une variété de fonctionnalités utiles trouvées dans d'autres alimentations telles que les LED de diagnostic ou la décharge de l'énergie stockée lors de la mise hors tension. De plus, la plupart des alimentations linéaires en vrac ne sont pas fermées, vous devrez donc fabriquer une sorte de boîtier si la protection contre les chocs de l'utilisateur ou la protection mécanique des circuits est importante dans votre application.

Alimentations régulées à découpage – Une alimentation à découpage régulée (Figure 3) comprend une électronique de commande conçue pour maintenir la tension de sortie au niveau spécifié quelle que soit la charge. Les commutateurs intègrent des circuits actifs et sont plus compliqués que leurs homologues linéaires non régulés. Les commutateurs régulent activement leur tension de sortie CC à l'aide d'une technique appelée "modulation de largeur d'impulsion" (PWM) et de rétroaction.

Les avantages des alimentations à découpage sont qu'elles produisent une tension presque constante quelle que soit la charge, car elles disposent d'un circuit actif pour réguler la tension de sortie. Tant que vous les utilisez dans leur plage de courant spécifiée, vous ne verrez pas beaucoup de chute de tension sous charge. Cela peut fournir un avantage de performance notable par rapport aux fournitures non réglementées.

Les commutateurs ont un volume plus petit et sont plus légers que les alimentations non régulées. Leurs transformateurs sont nettement plus petits et la capacité de sortie est beaucoup plus faible. La plupart des alimentations à découpage acceptent directement une large gamme de tensions d'entrée CA, généralement de 100 à 240 V CA, avec des fréquences de ligne de 50 à 60 Hz. Un commutateur correctement spécifié ne déclenchera généralement pas les disjoncteurs lors de la mise sous tension. La plupart des commutateurs ont également une forme de protection contre les surcharges ; ils s'éteignent automatiquement si la charge est trop exigeante et ne fourniront pas d'alimentation de sortie CC tant que vous n'aurez pas cyclé l'alimentation d'entrée CA pour la première fois.

Les alimentations à découpage présentent plusieurs inconvénients. Les commutateurs ont généralement une faible capacité de pointe. Les applications de mouvement nécessitent une puissance de crête pendant la durée de l'accélération de la charge ; cela prend généralement beaucoup plus de temps que le temps pendant lequel une alimentation à découpage peut fournir une puissance de crête. Par rapport à la régulation de sortie d'un commutateur, la chute de tension d'une alimentation linéaire en vrac non régulée est normalement considérée comme un inconvénient; cependant, cela vous permet de tirer beaucoup plus de puissance pendant de brèves périodes de temps (bien adapté aux portions d'accélération d'un profil de mouvement).

Tous les moteurs électriques génèrent de l'énergie régénérative lorsqu'ils délivrent un couple de signe opposé à la direction du mouvement. Le moteur renvoie cette énergie à la sortie de tension continue de l'alimentation, augmentant la tension. Les alimentations à découpage n'ont pas une capacité de sortie suffisante ou un circuit de régénération séparé pour absorber et/ou dissiper cette énergie.

Ainsi, bien que les alimentations à découpage PWM présentent un certain nombre d'inconvénients pour une utilisation dans les applications de mouvement, elles peuvent être efficaces, en particulier dans les applications qui ont une charge plus continue (par exemple, les pompes et les mélangeurs) par opposition aux applications avec plus de demandes de pointe (par exemple, multi- machines à axes avec accélérations et décélérations fréquentes du moteur).

Alimentations hybrides conçues pour le contrôle de moteurs pas à pas ou servomoteurs – Les commutateurs doivent être considérablement surdimensionnés pour gérer les charges de pointe typiques. Les commutateurs nécessitent également presque toujours des circuits supplémentaires fournis par l'utilisateur pour fonctionner de manière fiable.

Les alimentations linéaires en vrac peuvent fournir la puissance de crête élevée généralement requise pour les applications de mouvement (bien qu'avec une chute de tension de sortie) et elles ont une capacité de régénération modérée en raison de leur capacité de sortie généralement élevée.

Une alimentation RDFC pourrait être conçue pour gérer des charges de pointe importantes. Dans un RDFC, les transistors de commutation ne s'allument et ne s'éteignent que lorsqu'ils sont dans un état "sans courant" ou "sans tension". Dans le commutateur PWM le plus courant, les transistors commutent à pleine puissance et leur puce en silicium doit dissiper beaucoup de chaleur. Pour cette raison, toute consommation d'énergie supérieure à la puissance nominale continue chauffera rapidement les transistors à un niveau dommageable.

Dans le commutateur de mode résonnant, les transistors dissipent beaucoup moins de puissance, de sorte que la limite thermique dans ce type d'alimentation est la limite thermique du transformateur. Le transformateur a beaucoup plus de masse thermique que le silicium à l'intérieur des transistors, et peut donc absorber des charges de crête beaucoup plus élevées et des crêtes de plus longue durée.

Si vous combinez un commutateur de mode résonant avec une bonne capacité de sortie et un contrôleur de régénération, vous disposez d'une alimentation hybride idéale pour les applications de contrôle de mouvement. Cette conception hybride (Figure 4) combine tous les avantages de l'alimentation à découpage PWM avec les avantages de l'alimentation linéaire en vrac.

Cette conception permet également à votre application de consommer beaucoup plus que même le courant de crête nominal sans provoquer d'arrêt. Le dépassement du courant nominal de crête entraînera un certain statisme, mais le statisme de tension peut être acceptable s'il vous permet d'obtenir plus de courant pour les moments de forte demande de couple à basse vitesse.

J'espère que vous avez maintenant une bonne compréhension des différents types d'alimentations ainsi que de leurs avantages/inconvénients pour les applications de contrôle de mouvement. Les alimentations linéaires non régulées et à découpage régulées sont toutes deux courantes mais présentent certains inconvénients pour les applications de contrôle de mouvement.

L'architecture hybride en mode résonant combine les meilleures caractéristiques des autres alimentations et est parfaitement adaptée à la fourniture d'une alimentation CC pour les servomoteurs et les moteurs pas à pas.

Cet article a été écrit par Abe Amirana, directeur, Teknic (Victor, NY). Pour plus d'informations, rendez-vous ici.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de décembre 2020 de Motion Design Magazine.

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