Conception de contrôles moteurs précis pour systèmes robotiques avancés

Un manipulateur robotique est programmable sur trois axes ou plus qui spécifient les mouvements d'un robot, soit les bras robotiques ou le corps. Ces manipulateurs sont automatiquement contrôlés et reprogrammables sans modification physique, et s'adaptent à différentes applications du système de contrôle. Originellement conçus pour gérer des applications dans des environnements hostiles 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 de manière plus précise et 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 clé est que les exigences de basse vitesse et couple élevé pour le contrôle de mouvement des articulations n'autorisent pas les caractéristiques mécaniques des servomoteurs à être exploitées efficacement, ce qui, au contraire, produit haute vitesse et faible couple sous conditions optimales de fonctionnement.

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

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

Figure 1 : Diagramme d'un moteur DC sans balais (Image : Portescap)

Les BLDC n'ont pas de commutation mécanique comparé aux moteurs à balais qui utilisent une commutation mécanique où des armatures rotatives avec balais font les connexions électriques.

La réduction des pièces mobiles donne aux moteurs sans balais une longue durée de vie, limitée seulement par l'usure des roulements à billes. De plus, les bobinages améliorent la dissipation thermique et la capacité de surcharge, offrant un rendement élevé comparé aux autres solutions DC.

Faute de balais, un BLDC présente aussi une excellente durabilité et de faibles caractéristiques de bruit. Il existe deux principaux types de structures : aimant permanent de surface (SPM) et aimant permanent interne (IPM). Les moteurs SPM ont les aimants fixés à l'extérieur de la surface du rotor. Les moteurs IPM, eux, ont l'aimant permanent intégré dans le rotor lui-même.

Moteurs DC et drivers

Les BLDC offrent un haut rendement, mais surtout, d'excellentes valeurs de couple et vitesse utilisées dans de nombreuses applications. Ils utilisent un aimant stationnaire avec une armature rotative qui combine divers composants pour fournir la commutation électronique.

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

Un exemple est la plateforme Ultra EC de Portescap, composée de trois familles — ECS, ECT et ECP. Ces familles de mini-moteurs sans balais, selon les exigences de couple et vitesse, peuvent être utilisées dans une gamme d'applications. La bobine U brevetée offre des pertes fer minimales, ce qui délivre un bon rendement et un fonctionnement plus frais (Figure 2).

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

Les moteurs EC-i sans balais de Maxon Motor AG sont disponibles en petits diamètres adaptés aux applications robotiques. Ils offrent un diamètre de 30 mm et se caractérisent par des fonctionnalités haute dynamique et haut couple.

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

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

STMicroelectronics, 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 intelligent triphasé STSPIN32F0A de ST et un étage onduleur complet, construit avec des transistors de puissance ST prêts pour la connexion au moteur. Le STSPIN32F0A contient les circuits critiques de contrôle moteur, incluant un microcontrôleur STM32F031C6 et un driver onduleur triphasé dans un boîtier VFQFPN compact 7 × 7 mm (Figure 4).

Le firmware de contrôle moteur permet aux concepteurs de démarrer le moteur et d'envoyer des commandes pour optimiser facilement leur projet. Le kit inclut un moteur BLDC Maxon 100 W (EC-i 40) avec encodeur incrémental 1024 impulsions intégré. Sont aussi inclus des capteurs Hall pour la détection de position du rotor.

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

Un moteur BLDC est assez efficace, mais la pression pour répondre à des exigences de plus en plus strictes exige des entreprises d'améliorer non seulement la construction du moteur mais aussi le driver. En particulier, elles travaillent à réduire la consommation énergétique globale et optimiser la gestion thermique.

Dans de nombreux cas, ces conceptions incorporent des drivers intégrés qui minimisent le nombre de composants externes requis et des solutions système-sur-puce permettant un haut niveau d'intégration. Les avantages incluent gain d'espace et d'énergie, fiabilité globale améliorée du système, et coûts réduits.

Puisque le BLDC n'a pas de structure pour commuter 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 coûts, il y a des cas où la position du rotor (aimant) est estimée depuis le courant triphasé ou la tension induite sans utiliser de capteurs.

Les drivers doivent assurer un contrôle moteur correct pour qu'ils puissent contrôler vitesse et direction en conséquence dans l'application. Les microcontrôleurs (MCU) modernes sont parfaits pour fournir le niveau de performance et fonctionnalité computationnelle nécessaire pour développer des boucles de contrôle haute efficacité pour moteurs électriques DC (et AC).

De nombreux MCU supportent des fonctions de traitement de signal permettant de traiter des algorithmes complexes en temps réel en utilisant des données de positionnement. C'est important car de plus en plus d'applications essaient d'éliminer les capteurs fournissant des données de positionnement. Il y a beaucoup de MCU qui ont des périphériques spécifiquement conçus pour applications de contrôle moteur.

Par exemple, les microcontrôleurs RL78/G14 de Renesas Electronics équilibrent le niveau de consommation de courant avec de faibles niveaux de fuite (66 µA/MHz quand le CPU fonctionne et 240 nA en veille, ou mode STOP), offrant une haute performance de calcul de 51,2 DMIPS (32 MHz). Les fonctions de sécurité intégrées supportent la norme de sécurité IEC/UL 60730 pour appareils ménagers.

Dans les moteurs BLDC, le driver devient aussi 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 exciter les bobinages. Cette condition est encore compliquée par l'utilisation de moteurs monophasés, biphasés et triphasés. Aujourd'hui, de nombreux dispositifs intégrés sont utilisés comme étage de drive. Typiquement, ils incluent des drivers de grille pour driver des MOSFET de puissance externes utilisés pour exciter jusqu'à trois phases d'un moteur.

Le moteur nécessite une grande quantité de courant alors que le circuit de contrôle fonctionne sur des signaux faible courant. Donc la fonction des drivers moteur est de prendre un signal de contrôle faible courant et le transformer en signal plus fort capable de driver un moteur.

Infineon Technologies AG offre une variété de produits intégrés pour contrôler des entraînements à vitesse variable. Les CI iMOTION intègrent toutes les fonctions de contrôle et d'interface analogique requises pour le contrôle orienté champ sans capteur (FOC). En plus, ils intègrent l'algorithme de moteur de contrôle moteur (MCE) éprouvé de la compagnie qui élimine le codage logiciel du processus de développement du protocole de contrôle.

Un autre gain d'espace sont les smart gate drivers de Texas Instruments Inc. (TI). Ces drivers intègrent des composants passifs pour réduire la taille de carte, le nombre de composants, la complexité et les coûts de conception. Ils permettent aussi aux concepteurs d'optimiser la commutation et la performance aux interférences électromagnétiques (EMI).

Dans son vaste portefeuille de drivers, TI offre le DRV8313 avec trois drivers demi-H-bridge individuellement contrôlables. Le dispositif est conçu pour driver un moteur DC sans balais triphasé, bien qu'il puisse aussi driver des solénoïdes ou autres charges. Un comparateur intégré permet la construction de circuits de limitation de courant ou autres fonctions.

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

Isolation électrique

En général, les concepteurs de moteurs électriques savent qu'ils doivent se conformer aux normes d'isolation internationales pour prévenir les interférences d'une source externe et assurer la sécurité électrique des utilisateurs. L'utilisation d'isolation numérique offre plusieurs avantages, incluant une réponse plus rapide, permettant l'intégration de protection surintensité et réduisant les temps d'arrêt. Cela fournit une variation plus progressive des tensions de sortie, améliorant ainsi le contrôle de couple.

Puisque les photocoupleurs sont basés sur la technologie optoélectronique, ils sont une méthode extrêmement robuste d'assurer l'isolation électrique sans contact physique. Cela offre de nombreux avantages sur l'approche traditionnelle basée sur l'utilisation de composants électromécaniques tels que les relais. Les avantages clés incluent fonctionnement sans usure, coût relativement faible des composants complémentaires, encombrement carte minimal, immunité EMI, haute fiabilité, et longue durée de vie.

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

Voici quelques exemples de photocoupleurs utilisables dans les applications robotiques :

Les photocoupleurs RV1S92xxA et RV1S22xxA, avec une longueur de boîtier de 2,5 mm, de Renesas Electronics Corp. permettent de réduire la surface PCB de 35 % comparé 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 dispositifs sont conformes aux strictes normes de contrôle moteur UL61800-5-1 et UL61010-2-201, qui s'applique aux systèmes de contrôle tels que les automates ( Figure 5 ).

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

Le TLP5214 de Toshiba est un photocoupleur driver de grille IGBT 4 A hautement intégré en boîtier SO16L. Le TLP5214 a des fonctions avancées intégrées telles que détection de désaturation IGBT, retour d'état de défaut isolé, arrêt doux IGBT, blocage actif Miller, et blocage de sous-tension (UVLO). Il est adapté pour driver des IGBT et MOSFET de puissance utilisés dans applications onduleur.

Conclusion

Que le moteur soit utilisé en environnement industriel ou non-industriel, la conception de contrôles de mouvement haut de gamme avec capacités de positionnement précis est complexe et requiert des solutions de drive extrêmement fiables et une construction mécanique optimale.

Ces dernières années, les moteurs électriques ont aussi été liés à des applications robotiques émergentes telles que les drones et l'Agriculture 4.0, qui ont vu des avancées accélérées grâce à de nouveaux systèmes de fabrication comme le prototypage rapide, systèmes d'exploitation dédiés, et systèmes de contrôle intégrés.