CH3 Actionneurs [PDF]

Zitiervorschau

Chapitre

3

• Actionneurs

Pr. TAOUZARI

A la base, tout actionneur est un dispositif convertissant un type d’énergie quelconque en énergie mécanique et permet ainsi d’agir sur l’état du système que l’on souhaite commander/contrôler. Pour cela, il a besoin d’un actionneur qui va réaliser a la fois une transmission d’information

et

une

conversion

d’énergie.

existent: • des actionneurs électriques, • des actionneurs pneumatiques • des actionneurs hydrauliques.

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Plusieurs

technologies

I- Les machines électrique

Les machines électrique rencontrées dans le domaine de la mécatronique sont essentiellement de trois types : - le moteur a courant continu représente la solution traditionnelle lorsqu’on a besoin de commander une vitesse ou une position, mais nécessite un asservissement; - le moteur a courant continu sans balais est en fait une machine alternative associée a un commutateur électronique qui peut remplacer le moteur a courant continu classique avec des caractéristiques similaires ; - le moteur pas-a-pas est a la base un actionneur de positionnement ne nécessitant pas d’asservissement, mais peut être aussi utilise pour une commande de déplacement.

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1- Rappel électrotechnique La Machine à Courant Continu électromécanique réversible :

(MCC)

est

un

convertisseur

§ Génératrice CC : pratiquement elle n’est plus utilisée pour la production de l’énergie électrique. Cependant, on l’utilise encore comme excitatrice des alternateurs des centrales.

§ Moteur CC : utilisé à grande échelle dans les entraînement à vitesse variable en raison de sa 4souplesse de commande.

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1-2- Utilisation des Machines CC Motorisation à faible puissance

§ Moteurs CC à aimants permanents alimentés par des batteries :

Outillage portable

Accessoires automobile

§ Robotique, mécatronique :

Positionneurs Servomoteurs

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1-3- Applications industrielles Motorisation à forte puissance

§ Traction électrique

Moteurs pour traction

Moteurs pour bateaux

Ascenseurs (mines)

§ Entraînements industriels

Laminoir 13 MW - 80 tr/min

10Laminoirs

Métallurgie

1-4. Constitution

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2.5- Force électromotrice Nous savons qu’une bobine en mouvement dans un champs magnétique voit apparaître à ses bornes une force électromotrice (f.é.m.) donnée par la loi de Faraday: Sur ce principe, la machine à courant continu est le siège d’une f.é.m. E :

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2.6 Couple électromagnétique

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2.7- Puissance électromagnétique

2.8- Réversibilité

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Exemple 01 : machine à courant continu Un moteur de puissance utile 3 kW tourne à 1500 tr/min. Calculer le couple utile en Nm.

Exemple 02 : machine à courant continu à excitation indépendante La force électromotrice d’une machine à excitation indépendante est de 210 V à 1500 tr/min. Calculer la fem pour une fréquence de rotation de 1000 tr/min, le flux étant constant.

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II- Circuits de commande Les circuits de commande des moteurs à courant continu sont de deux types : analogique ou numérique selon le type d’électronique qui est employé. les types de commande est que l’on commande, soit la tension d’un moteur, soit son courant, mais jamais les deux !

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un moteur électrique peut être modélisé par des éléments électriques de base et dire qu’on commande les deux quantités C’est à dire que l’on va commander la tension et le courant d’une résistance, ce qui est bien évidemment impossible car les deux sont reliés par la loi d’Ohm On rappelle de plus que pour un moteur à courant continu avec balais, le couple fourni est fonction du courant qui circule dans le rotor et la vitesse approximativement proportionnelle à la tension à ses bornes.

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Deux montages simples de commande analogique de moteurs à courant continu sont illustrés à la figure 4.23, il s’agit respectivement d’un montage émetteur commun et collecteur commun.

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où 𝛽 et Vbe sont les constantes habituelles du transistor utilisé. On peut donc avec ce montage contrôler le courant qui traverse le moteur (donc son couple) à partir d’une tension analogique de faible puissance. La quasi-totalité de la puissance électrique qui va être fournie au moteur vient de l’alimentation constante Vcc.

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Pour le second montage, si l’on néglige le courant de base du transistor qui est généralement faible, on peut à nouveau très aisément calculer la tension aux bornes du moteur comme valant : V = Vc- Vbe et l’on peut donc avec ce montage contrôler la tension aux bornes du moteur (donc approximativement sa vitesse) à nouveau depuis une tension analogique de faible puissance, le courant traversant le moteur venant surtout de Vcc.

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Lorsque l’on veut contrôler le courant circulant dans un moteur de façon bidirectionnelle, une possibilité alternative au montage push-pull qu’il est possible d’utiliser est un pont en H tel qu’illustré à la figure 4.26. Si le mode de fonctionnement est analogique, les transistors de ce pont sont commandés en amplification de courant

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par paire : soit Q1 et Q3 uniquement par l’entremise du signal analogique S1, soit Q2 et Q4 par S2. La paire commandée est passante et l’autre doit être bloquée sous peine de court-circuiter l’alimentation de puissance Vcc. Notez la présence de diode de protection aux bornes des transistors, ces diodes sont des diodes de roue libre protégeant les transistors lorsque l’on coupe la tension aux bornes du moteur (qui est une charge inductive). Ces diodes doivent aussi être ajoutées en pratique aux circuits des figures précédentes. Pr. TAOUZARI

4.2.2 Moteurs sans balais (brushless en anglais). Les moteur sans balais nécessitent un étage d’amplification dédié qui effectue la commutation des bobines du stator. Or, il est évident que la (ou les) bobine(s) sous tension change(nt) en fonction de la position angulaire du moteur. Donc pour pouvoir effectuer cette commutation, on a besoin d’un capteur de position fixé sur le rotor. Souvent, avec les moteurs sans balais, on va trouver un ensemble de capteurs à effet Hall ou des optocoupleurs.

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De plus, un autre avantage des moteurs sans balais est que le courant électrique fourni au moteur est distribué entre plusieurs bobines. Dans l’exemple cidessus, chaque bobine ne voit le courant maximal i qu’à un instant de la rotation. Pour toutes les autres positions, ce courant est partagé entre elles. De cette façon, les conducteurs employés dans les moteurs sans balais sont généralement beaucoup plus fins. Cela fait aussi que la puissance massique des moteurs sans balais est largement supérieure aux moteurs avec balais. On trouve facilement des moteurs de plusieurs kilowatts avec un volume typique de ceux de quelques dizaines de watts de la technologie avec balais.

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4.2.3 Moteurs pas à pas Modélisation Les moteurs pas à pas sont un type de moteurs à courant continu dont l’angle de rotation en sortie ne progresse que de façon discrète. On dit que le rotor tourne d’un incrément (ou pas) à chaque commande du système de contrôle. Il s’agit d’un type de moteur très facile à contrôler en position grâce à cette propriété, même sans aucun retour d’information {i.e. sans capteur), c’est-à-dire en boucle ouverte.

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Un moteur pas à pas est caractérisé par sa résolution ou encore son nombre de pas par tour. Il peut avoir une valeur comprise entre 4 et 400. La vitesse de rotation est fonction de la fréquence des impulsions. On peut distinguer trois catégories technologiques : • Moteur à reluctance variable. • Moteur à aimants permanents • Moteur hybride

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V. Alimentation des phases des moteurs pas à pas Le principe de fonctionnement des moteurs pas à pas repose sur la commutation successive des enroulements stator (ou phase). Pour cela, une impulsion électrique est traduite par un séquenceur agissant sur une électronique de commutation (drivers ou transistors de puissance) qui distribue les polarités dans les enroulements. Une seule commutation provoque un seul pas quelle que soit la durée de l’impulsion (supérieur à une valeur minimale).

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