Conception de commandes de moteurs pour systèmes robotiques

Un manipulateur robotique est programmable sur trois axes ou plus qui spécifient les mouvements d'un robot, que ce soit les bras ou le corps du robot. Ces manipulateurs robotiques sont contrôlés automatiquement et reprogrammables sans modification physique, et ils sont adaptables à différentes applications du système de contrôle. Conçus à l'origine pour gérer des applications dans des environnements difficiles ou inaccessibles, les systèmes industriels d'aujourd'hui sont de plus en plus complexes et intègrent la robotique qui effectue de nombreuses opérations auparavant manuelles d'une manière plus précise et plus rapide qu'un humain ne pourrait le faire.

Un système robotique se compose principalement de quatre sous-systèmes :mécanique, actionneur, mesure et contrôle. Un défi majeur est que les exigences de faible vitesse et de couple élevé pour le contrôle du mouvement des articulations ne permettent pas d'exploiter efficacement les caractéristiques mécaniques des servomoteurs, ce qui, au contraire, produit une vitesse élevée et un faible couple dans des conditions de fonctionnement optimales.

Par conséquent, la fonction d'une unité d'entraînement est d'assurer que la vitesse et le couple des moteurs et les charges sont compatibles et permettent le transfert de couple mécanique de l'un à l'autre. Les composants de transmission permettent également d'améliorer les performances statiques et dynamiques en allégeant la structure mécanique grâce au positionnement des moteurs à la base du robot.

Le mouvement articulaire est confié à des moteurs qui permettent le mouvement souhaité de la structure mécanique. Parmi les trois types clés — moteurs électriques à aimant permanent, à courant continu (à balais) et à commutation électronique (sans balais) — celui qui optimise le mieux les exigences de faible inertie et de précision de positionnement élevée est le moteur à courant continu sans balai, ou BLDC.

Figure 1 : Schéma d'un moteur à courant continu sans balais (Image :Portescap)

Les BLDC n'ont pas de commutation mécanique par rapport aux moteurs à balais qui utilisent une commutation mécanique dans laquelle des armatures rotatives avec des balais sont utilisées pour établir des connexions électriques.

La réduction des pièces mobiles confère aux moteurs brushless une longue durée de vie, limitée uniquement par l'usure des roulements à billes. De plus, les enroulements améliorent la dissipation thermique et la capacité de surcharge, offrant un rendement élevé par rapport aux autres solutions CC.

En raison du manque de brosses, un BLDC présente également une excellente durabilité et des caractéristiques de faible bruit. Il existe deux principaux types de structures :les aimants permanents de surface (SPM) et les aimants permanents internes (IPM). Les moteurs SPM ont des aimants fixés à l'extérieur de la surface du rotor. Les moteurs IPM, à la place, ont un aimant permanent intégré dans le rotor lui-même.

Moteurs à courant continu et pilotes

Les BLDC offrent un rendement élevé, mais surtout d'excellentes valeurs de couple et de vitesse qui sont utilisées dans de nombreuses applications. Ils utilisent un aimant fixe avec une armature rotative qui combine diverses pièces pour fournir une commutation électronique.

La conception d'un BLDC vise à optimiser le couple, qui représente la quantité de force de rotation d'un moteur, et est lié à l'aimant et à l'enroulement de la bobine. Plus le nombre de paires de pôles dans l'aimant est grand, plus le couple moteur est important.

Un exemple est la plate-forme Ultra EC de Portescap, composée de trois familles - l'ECS, l'ECT ​​et l'ECP. Ces familles de mini moteurs sans balais, en fonction des exigences de couple et de vitesse, peuvent être utilisées dans une gamme d'applications. La bobine en U brevetée offre des pertes de fer minimales, ce qui offre une bonne efficacité et un fonctionnement plus frais (Figure 2 ).

Figure 2 : moteur Ultra EC de Portescap (Image :Portescap)

Les moteurs brushless EC-i de Maxon Motor AG sont disponibles dans des petits diamètres adaptés aux applications robotiques. Ils offrent un diamètre de 30 mm et se caractérisent par des caractéristiques hautement dynamiques et à couple élevé.

La famille EC-i est disponible en plusieurs tailles, chacune dans une version standard et une version à couple élevé, avec un couple nominal maximum allant jusqu'à 110 mNm à 75 W. Dans toutes les versions, les moteurs EC-i 30 peuvent être étendus avec encodeurs, réducteurs, servocontrôleurs ou contrôleurs de positionnement (Figure 3 ).

Figure 3 : moteur EC-i de Maxon Motor (Image :Maxon Motor)

STMicroelectronics, en collaboration avec Maxon, a développé un nouveau kit pour accélérer la conception d'applications robotiques et industrielles. Le kit EVALKIT-ROBOT-1 offre un positionnement précis dans les applications robotiques.

Le kit contient le contrôleur triphasé intelligent STSPIN32F0A de ST et un étage d'onduleur complet, construit avec des transistors de puissance ST prêts à être connectés au moteur. Le STSPIN32F0A contient des circuits de commande de moteur critiques, y compris un microcontrôleur STM32F031C6 et un pilote d'onduleur triphasé dans un boîtier VFQFPN compact de 7 × 7 mm (Figure 4 ).

Le micrologiciel de contrôle du moteur permet aux concepteurs de démarrer le moteur et de commencer à envoyer des commandes pour optimiser facilement leur projet. Le kit comprend un moteur Maxon BLDC de 100 W (EC-i 40) avec un codeur incrémental de 1024 impulsions intégré. Sont également inclus des capteurs à effet Hall pour la détection de la position du rotor.

Figure 4 : le kit de développement ST EVALKIT-ROBOT-1 (Image :STMicroelectronics)

Un moteur BLDC est assez efficace, mais la pression pour répondre à des demandes de plus en plus strictes oblige les entreprises à améliorer non seulement la construction du moteur, mais aussi le conducteur. Ils s'efforcent notamment de réduire la consommation globale d'énergie et d'optimiser la gestion thermique.

Dans de nombreux cas, ces conceptions intègrent des pilotes intégrés qui minimisent le nombre de composants externes requis et des solutions système sur puce qui permettent un haut niveau d'intégration. Les avantages incluent des économies d'espace et d'énergie, une fiabilité globale du système améliorée et des coûts réduits.

Parce que le BLDC n'a pas de structure pour changer la direction du courant mécaniquement, cela doit être fait électroniquement. Les formes d'onde peuvent être divisées en deux types principaux :trapézoïdale et sinusoïdale. En raison des limitations de température et des coûts, il existe des cas où la position du rotor (aimant) est estimée à partir du courant triphasé ou de la tension induite sans utiliser les capteurs.

Les conducteurs doivent assurer un contrôle correct du moteur afin qu'ils puissent contrôler la vitesse et la direction en conséquence dans l'application. Les microcontrôleurs (MCU) modernes sont parfaits pour fournir le niveau de performances et de fonctionnalités de calcul nécessaires au développement de boucles de contrôle à haut rendement pour les moteurs électriques à courant continu (et à courant alternatif).

De nombreux MCU prennent en charge des fonctions de traitement du signal qui permettent de traiter des algorithmes complexes en temps réel à l'aide de données de positionnement. Ceci est important car de plus en plus d'applications tentent d'éliminer les capteurs qui fournissent des données de positionnement. Il existe de nombreux microcontrôleurs dotés de périphériques spécialement conçus pour les applications de commande de moteur.

Par exemple, les microcontrôleurs RL78/G14 de Renesas Electronics équilibrent le niveau de consommation de courant avec de faibles niveaux de consommation de courant (66 μ/MHz lorsque le processeur est en fonctionnement et 240 nA en mode veille, ou STOP), offrant des performances de calcul élevées de 51,2 DMIPS (32 MHz). Les fonctions de sécurité intégrées prennent en charge la norme de sécurité IEC/UL 60730 pour les appareils électroménagers.

Dans les moteurs BLDC, l'entraînement devient également plus complexe. La vitesse et le couple sont contrôlés par le rapport de durée on/off des transitoires; normalement, cela prend la forme d'un signal PWM utilisé pour piloter les enroulements. Cette condition est encore compliquée par l'utilisation de moteurs monophasés, biphasés et triphasés. Aujourd'hui, de nombreux appareils intégrés sont utilisés comme étage d'entraînement. Généralement, ils incluent des pilotes de grille pour piloter des MOSFET de puissance externes qui sont utilisés pour exciter jusqu'à trois phases d'un moteur.

Le moteur nécessite une grande quantité de courant tandis que le circuit du contrôleur fonctionne sur des signaux à faible courant. Ainsi, la fonction des pilotes de moteur est de prendre un signal de commande à faible courant, puis de le transformer en un signal à courant plus élevé pouvant piloter un moteur.

Infineon Technologies AG propose une variété de produits intégrés pour le contrôle des variateurs de vitesse. Les circuits intégrés iMOTION intègrent toutes les fonctions de commande et d'interface analogique nécessaires à la commande sans capteur orientée sur le terrain (FOC). De plus, ils sont dotés de l'algorithme éprouvé du moteur de contrôle du moteur (MCE) de l'entreprise qui élimine le codage logiciel du processus de développement du protocole de contrôle.

Les pilotes de portail intelligent de Texas Instruments Inc. (TI) constituent un autre économiseur d'espace. Ces pilotes intègrent des composants passifs pour réduire la taille de la carte, le nombre de composants, la complexité et les coûts de conception. Ils permettent également aux concepteurs d'optimiser les performances de commutation et d'interférence électromagnétique (EMI).

Dans sa vaste gamme de pilotes, TI propose le DRV8313 avec trois pilotes en demi-pont en H contrôlables individuellement. L'appareil est conçu pour entraîner un moteur à courant continu sans balai triphasé, bien qu'il puisse également être utilisé pour entraîner des solénoïdes ou d'autres charges. Un comparateur intégré permet la construction de circuits de limitation de courant ou d'autres fonctions.

Un autre exemple est le circuit intégré de commande de moteur triphasé sans balais TC78B025FTG avec une fonction de contrôle de vitesse en boucle fermée de Toshiba Electronic Devices &Storage Corp. L'appareil fonctionne avec une alimentation dans la plage de tension de 4,5 V à 16 V et fournit un entraînement sinusoïdal avec commutation à 150°. La faible résistance ON de 0,2 Ω (typ.) réduit l'auto-échauffement du circuit intégré pendant le fonctionnement, étendant ainsi le support aux courants de conduite élevés.

Isolement électrique

En général, les concepteurs de moteurs électriques savent qu'ils doivent se conformer aux normes internationales d'isolation pour éviter les interférences provenant d'une source externe et pour assurer la sécurité électrique des utilisateurs. L'utilisation de l'isolation numérique offre plusieurs avantages, notamment une réponse plus rapide, qui permet l'intégration d'une protection contre les surintensités et une réduction des temps d'arrêt. Cela permet une variation plus progressive des tensions de sortie, améliorant ainsi le contrôle du couple.

Parce que les photocoupleurs sont basés sur la technologie optoélectronique, ils constituent une méthode extrêmement robuste pour assurer une isolation électrique sans aucun contact physique. Ceci offre de nombreux avantages par rapport à l'approche traditionnelle basée sur l'utilisation de composants électromécaniques tels que des relais. Les principaux avantages incluent un fonctionnement sans usure, un coût relativement faible des composants complémentaires, un espace carte minimal, une immunité aux EMI, une fiabilité élevée et une longue durée de vie.

Dans les applications d'entraînement de moteur, deux parties principales du circuit doivent être isolées :la commande de grille pour le transistor bipolaire à grille isolée, ou IGBT (dispositifs avec un collecteur et un émetteur d'un côté et pilotés par une grille de l'autre), dans les onduleurs en pont et la détection de phase de courant dans le moteur. La détection du courant de phase fournit une protection à l'IGBT et un retour au contrôleur pour maintenir le contrôle sur le courant en boucle fermée.

Voici quelques exemples de photocoupleurs pouvant être utilisés dans des applications robotiques :

Les photocoupleurs RV1S92xxA et RV1S22xxA, d'une longueur de boîtier de 2,5 mm, de Renesas Electronics Corp. permettent de réduire la surface du PCB de 35 % par rapport à des dispositifs similaires, aidant les concepteurs à réduire la taille de leurs systèmes robotiques. Grâce à leur isolation renforcée, les RV1S92xxA et RV1S22xxA permettent aux systèmes 200 V et 400 V de dépasser les normes de sécurité. Tous les appareils sont conformes aux normes strictes de contrôle de moteur UL61800-5-1 et UL61010-2-201, qui s'appliquent aux systèmes de contrôle tels que les automates programmables (Figure 5 ).

Figure 5 : vue en coupe des RV1S92xxA et RV1S22xxA de Renesas Electronics (Image :Renesas)

Le TLP5214 de Toshiba est un photocoupleur de commande de porte IGBT à courant de sortie 4 A hautement intégré logé dans un boîtier SO16L. Le TLP5214 possède des fonctionnalités intégrées avancées telles que la détection de la désaturation IGBT, le retour d'état de défaut isolé, l'arrêt progressif de l'IGBT, le blocage Miller actif et le blocage de sous-tension (UVLO). Il convient à la commande des IGBT et des MOSFET de puissance utilisés dans les applications d'onduleur.

Conclusion

Que le moteur soit utilisé dans des environnements d'exploitation industriels ou non industriels, la conception de commandes de mouvement haut de gamme avec des capacités de positionnement précises est complexe et nécessite des solutions d'entraînement extrêmement fiables et une construction mécanique optimale.

Ces dernières années, les moteurs électriques ont également été liés à des applications robotiques émergentes telles que les drones et Agriculture 4.0, qui ont connu des progrès accélérés grâce à de nouveaux systèmes de fabrication tels que le prototypage rapide, les systèmes d'exploitation dédiés et les systèmes de contrôle intégrés.