les Actionneurs

MECA 2732MECA 2732--

Introduction à la robotiqueIntroduction à la robotique

JeanJean--ClaudeClaude SSAAMINMIN,, PaulPaul FFISETTEISETTE,, Bruno DBruno DEHEZEHEZ

2

Généralités sur les actionneursGénéralités sur les actionneurs

Les actionneurs en robotiqueLes actionneurs en robotique

Les moteurs pasLes moteurs pas--àà--paspas

Les moteurs à courant continuLes moteurs à courant continu

Les moteurs à courant continu sans balaisLes moteurs à courant continu sans balais

MECA 2732MECA 2732 :: Introduction à la robotiqueIntroduction à la robotique

Les actionneursLes actionneurs

3

Généralités sur les actionneursGénéralités sur les actionneursRôleRôle

ClassificationClassification

MouvementMouvement

Source d’énergieSource d’énergie

Critères de comparaisonCritères de comparaison

Puissance massiquePuissance massique

Pouvoir d’accélérationPouvoir d’accélération






4

UnUn actionneuractionneur est un dispositif capable de générer une est un dispositif capable de générer une forceforce ou un ou un couplecouple et donc d’agir sur un processus au travers d’un mécanismeet donc d’agir sur un processus au travers d’un mécanisme

MECA 2732MECA 2732 :: Introduction à la robotique Introduction à la robotique –– Généralités sur les actionneursGénéralités sur les actionneurs

RôleRôle

Grandeur

électrique

Grandeur

Physique

AcquisitionTraitement du

signalProcessus

Actionneur

Energie

Capteur

Commande

et régulation

5

Type de mouvementType de mouvementLinéaireLinéaire

ForceForce

Mouvement linéaireMouvement linéaire

RotatifRotatif

CoupleCouple

Mouvement de rotationMouvement de rotation

Nombre de degré de libertéNombre de degré de liberté1 ddl1 ddl

2 ddl2 ddl

3 ddl3 ddl

……



Haydon SwitchHaydon Switch &&Instrument,Instrument, IncInc

http://http://wwwwww.me..me.gatechgatech..eduedu//aimrlaimrl//motormotor..htmlhtml

6

Source d’énergieSource d’énergiePneumatiquePneumatique

CompresseurCompresseur10 à 15 10 à 15 barbar

HydrauliqueHydraulique

Pompe hydrauliquePompe hydrauliquejusqu’à 400 jusqu’à 400 barbar

ElectriqueElectrique

Monophasé Monophasé –– Triphasé 220 Triphasé 220 –– 380380 VVeffeff

Convertisseurs électroniquesConvertisseurs électroniques(AC(AC--DC/DCDC/DC--DC/DCDC/DC--AC)AC)



66 l/minl/min @ 250 @ 250 barbar

210 210 l/minl/min @@ 1010 barbar

Seybert & Rahier

GmbH + Co. Betriebs-

KG

500500 barbar

Kaeser Compresseurs

S.A.

360360 m³/hm³/h @@ 88 barbar

7

Couple massiqueCouple massique

Rapport de la puissance développée par un actionneur à la Rapport de la puissance développée par un actionneur à la masse de celuimasse de celui--cici

Actionneurs hydrauliquesActionneurs hydrauliques

2.5 à 5.0 2.5 à 5.0 kW/kgkW/kg

4040 MJ/mMJ/m33

Temps de réaction 2 msTemps de réaction 2 ms

Actionneurs pneumatiqueActionneurs pneumatique

Temps de réaction 20 msTemps de réaction 20 ms

Actionneurs électriquesActionneurs électriques

0.5 à 0.6 kW/kg0.5 à 0.6 kW/kg

0.40.4 MJ/mMJ/m33

Temps de réaction 0.1 msTemps de réaction 0.1 ms



8

Pouvoir d’accélerationPouvoir d’accéleration

Accélération maximale que peut communiquer l’actionneur à Accélération maximale que peut communiquer l’actionneur à sa chargesa charge

Rapport de réduction optimalRapport de réduction optimal



- Cm , m , Jm : Couple, vitesse et inertie du moteur

-- Cr, r , Jc : Couple, vitesse et inertie de la charge

- r, : rapport de réduction et rendement du réducteur

Moteur

Charge

Cm, m

Cr, r

r,

Jm

Jc

c

mr

mm

cc

C

Cavec

9

Pouvoir d’accélerationPouvoir d’accélerationRapport de réduction optimalRapport de réduction optimal

Equilibre dynamiqueEquilibre dynamique

Rapport de réduction permettant de Rapport de réduction permettant de minimiser le couple minimiser le couple moteurmoteur pour un couple et une accéleration de charge pour un couple et une accéleration de charge donnésdonnés



dt

d

r

JJ

r

CC mc

mc

m 2 Coté moteur

dt

dJrJCCr c

mccm

2Coté charge

dt

d

r

JJr

r

CC cc

mc

m 022 dt

d

r

JJ

r

C ccm

c

dt

dJ

dt

dJC

rm

m

mcc

opt

10


Rapport de réduction permettant de Rapport de réduction permettant de minimiser le couple minimiser le couple moteurmoteur pour un couple et une accéleration de charge pour un couple et une accéleration de charge donnésdonnés



dt

dJ

dt

dJC

rm

m

mcc

opt

1

0cC m

copt

J

Jr

Adaptation d’impédance mécanique entre la

charge et l’actionneur

2

opt

cm

r

JJ

11


Rapport de réduction permettant de Rapport de réduction permettant de maximiser maximiser l’accélération de la chargel’accélération de la charge pour un couple moteur et pour un couple moteur et un couple de charge donnésun couple de charge donnés



r

JJr

r

CC

dt

d

cm

cm

c

02

2

cmm

cmm

CCrJr

JJrC

m

c

m

c

m

copt

J

J

C

C

C

Cr

2

2

10cC

Adaptation d’impédance mécanique entre la

charge et l’actionneur2

opt

cm

r

JJ

m

copt

J

Jr

12

Pouvoir d’accélerationPouvoir d’accélerationAccélération maximaleAccélération maximale



r

JJr

r

CC

dt

d

cm

cm

c

1

0cCm

copt

J

Jr

cm

mc

JJr

Cr

dt

d2

c

moptc

J

Cr

dt

d

2max

Pouvoir d’accélération

mopt

mc

Jr

C

dt

d

2max

13

Pouvoir d’accélerationPouvoir d’accélerationActionneurs hydrauliquesActionneurs hydrauliques

CCmm élevéélevé

mm faiblefaible

Actionneurs pneumatiquesActionneurs pneumatiques

Similaire aux actionneurs hydrauliquesSimilaire aux actionneurs hydrauliques


CCmm faiblefaible

mm élevéeélevée



Rapport de Rapport de réductionréduction

proche de 1proche de 1

2

opt

cm

r

JJ

Pouvoir Pouvoir d’accélérationd’accélération élevéélevé

Inertie optimale du Inertie optimale du moteur proche de moteur proche de

l’inertie de la chargel’inertie de la charge

Rapport de Rapport de réductionréduction

proche élevéproche élevé

Pouvoir Pouvoir d’accélérationd’accélération faiblefaible

Inertie optimale du moteur Inertie optimale du moteur largement inférieure à largement inférieure à l’inertie de la chargel’inertie de la charge

14


Les actionneurs en robotiqueLes actionneurs en robotiqueCaracétristiques idéalesCaracétristiques idéales

Actionneurs les plus courantsActionneurs les plus courants






15

L’actionneur idéal pour la robotique doit avoir :L’actionneur idéal pour la robotique doit avoir :Une faible inertieUne faible inertie

Une grande rigiditéUne grande rigidité

Une vitesse nominale faibleUne vitesse nominale faible(qlqs (qlqs rd/srd/s ou qlqs dizaines de ou qlqs dizaines de cm/scm/s))

Une plage de vitesse continuellement variableUne plage de vitesse continuellement variable

Un effort de sortie important (même à vitesse nulle)Un effort de sortie important (même à vitesse nulle)

Des nonDes non--linéarités réduites (frottements sec, jeux, …)linéarités réduites (frottements sec, jeux, …)

Une possibilité de commande en vitesse et/ou en effortUne possibilité de commande en vitesse et/ou en effort

MECA 2732MECA 2732 :: Introduction à la robotique Introduction à la robotique –– Les actionneurs en robotiqueLes actionneurs en robotique

Caracétristiques idéalesCaracétristiques idéales

16

Les actionneurs les mieux adaptés à la robotique Les actionneurs les mieux adaptés à la robotique sont :sont :

Actionneurs hydrauliquesActionneurs hydrauliques

Les vérins linéaires et rotatifsLes vérins linéaires et rotatifs

Les moteurs à pistons axiauxLes moteurs à pistons axiaux

Actionneurs pneumatiquesActionneurs pneumatiques

Les vérins linéaires et rotatifsLes vérins linéaires et rotatifs





MECA 2732MECA 2732 :: Introduction à la robotique Introduction à la robotique –– Les actionneurs en robotiqueLes actionneurs en robotique

Actionneurs les plus courantsActionneurs les plus courants

17



Les moteurs pasLes moteurs pas--àà--paspasPrincipe de fonctionnement et structuresPrincipe de fonctionnement et structures

Moteurs à réluctance variableMoteurs à réluctance variable

Moteurs à aimants permanentsMoteurs à aimants permanents

Moteurs hybridesMoteurs hybrides





18

PrincipePrincipeAlimenté par un signal d’horloge, leAlimenté par un signal d’horloge, letranslateurtranslateur alimente en courantalimente en courantcontinu les phases du continu les phases du moteurmoteur dedemanière à indexer, à chaque impulsionmanière à indexer, à chaque impulsionde l’horloge, la position angluairede l’horloge, la position angluairede son rotor d’un pas, appeléde son rotor d’un pas, appelépas angulairepas angulaire

Avantages vs inconvénientsAvantages vs inconvénientsCe moteur est Ce moteur est commandé en vitessecommandé en vitesse puisque la vitesse puisque la vitesse moyenne moyenne moy moy du moteur est donnée par la relation :du moteur est donnée par la relation :

MECA 2732MECA 2732 :: Introduction à la robotique Introduction à la robotique –– Les moteurs pasLes moteurs pas--àà--paspas

Principe de fonctionnement et Principe de fonctionnement et structuresstructures

Moteur

Translateur

Rotor

Stator

fpangmoy

foù

angp Pas angulaire

Fréquence d’horloge pas

moyN

f2où pasN Nombre de

pas par tourou

19

Avantages vs inconvénientsAvantages vs inconvénientsNe nécessite Ne nécessite pas d’asservissementpas d’asservissement puisque la position est puisque la position est directement liée au nombre d’impulsions d’horlogedirectement liée au nombre d’impulsions d’horloge

Risque de Risque de décrochagedécrochage, et donc, de perte de la position, et donc, de perte de la position

StructuresStructuresMoteurs à réluctance variableMoteurs à réluctance variable


Moteurs à hybridesMoteurs à hybrides



20

Le rotor à tendance à se placer dans la position qui Le rotor à tendance à se placer dans la position qui maximise le flux magnétiquemaximise le flux magnétique

Le pas angulaire dépend du nombre de saillances Le pas angulaire dépend du nombre de saillances statoriques et rotoriquesstatoriques et rotoriques

Le couple est indépendant du sens des courantsLe couple est indépendant du sens des courants

Pas de couple de maintient en l’absence Pas de couple de maintient en l’absence d’alimentationd’alimentation

Possibilité de fonctionnement en demiPossibilité de fonctionnement en demi--paspas

StructureStructureStatorStator

Circuit magnétique avec saillancesCircuit magnétique avec saillances

EnroulementsEnroulements

RotorRotor

Circuit magnétiques avec saillancesCircuit magnétiques avec saillances

PrincipePrincipe


Moteurs à réluctance variableMoteurs à réluctance variable

21

Le rotor à tendance à se placer de manière à aligner Le rotor à tendance à se placer de manière à aligner les champs magnétiques rotoriques et statoriquesles champs magnétiques rotoriques et statoriques

Le pas angulaire dépend du nombre de saillances Le pas angulaire dépend du nombre de saillances statoriques et de pôles rotoriquesstatoriques et de pôles rotoriques

Le couple dépend du sens des courantsLe couple dépend du sens des courants

Couple de maintient en l’absence d’alimentation Couple de maintient en l’absence d’alimentation (couple de détente)(couple de détente)

Possibilité de fonctionnement en demiPossibilité de fonctionnement en demi--paspas




RotorRotor

Aimants permanentsAimants permanents

PrincipePrincipe



N

S

NN

SS

N

S

N

S

N

N

S

S

N

S

N

S

N

N

S

SN S

N

S

N

N

S

S

N

S

22




RotorRotor


Aimants permanentsAimants permanents

Avantages vs inconvénientsAvantages vs inconvénientsCouple relativement faibleCouple relativement faible

Couple de maintient en l’absence d’alimentationCouple de maintient en l’absence d’alimentation

Masse importanteMasse importante


Moteurs hybridesMoteurs hybrides

23




Les moteurs à courant continuLes moteurs à courant continuPrincipe de fonctionnement et structuresPrincipe de fonctionnement et structures

Equations électriquesEquations électriques

Modes d’excitationModes d’excitation

Caractéristique coupleCaractéristique couple--vitessevitesse

Modèles de commandeModèles de commande

Limites de fonctionnementLimites de fonctionnement




24

PrincipePrincipe

MECA 2732MECA 2732 :: Introduction à la robotique Introduction à la robotique –– Les moteurs à courant continuLes moteurs à courant continu


BI

ILBF

ILBF

C

2 23

2 23

Inducteur

Induit

25

Avantages vs inconvénientsAvantages vs inconvénientsVitesse nominale très élevéeVitesse nominale très élevée(2000 à 3000 (2000 à 3000 tr/mintr/min))

Inertie réduite pour certaines structureInertie réduite pour certaines structure

Modèles nécessaires à la commande en …Modèles nécessaires à la commande en …

PositionPosition

VitesseVitesse

CoupleCouple

… bien connus… bien connus



Puissance massiquePuissance massiqueencore plus faibleencore plus faible

Réducteurs à haut rapport Réducteurs à haut rapport de réductionde réduction

Faible pouvoir d’accélérationFaible pouvoir d’accélération Jeux importantsJeux importants

26

StructuresStructuresMoteur standardMoteur standard



Roulement

Rotor

Réducteur

Balais

Capteur

ConnecteurStator

27

StructuresStructuresMoteur clocheMoteur cloche



Roulement

Roulement

Rotor

Collecteur

Balais

Flasque

Stator

Bague de

fixation

28

StructuresStructuresMoteur clocheMoteur cloche



1. Aimant 2. Flasque porte-aimant3. Corps en fer doux4. Axe5. Roulement6. Collecteur7. Induit8. Connexions de l’induit9. Lame de collecteur10.Cosse de sortie11. Balai12. Capot13. Porte- collecteur14. Palier15. Butée de sécurité16. Trous de fixation17. Circlips

29

StructuresStructuresMoteur disqueMoteur disque



Rotor

(induit)

Collecteur

Balais

Stator

(inducteur)

30

StructuresStructuresMotoréducteurMotoréducteur



Réducteur à vis sans fin Réducteur

planétaire

Réducteur à train d’engrenages

RéversiblesIrréversibles

31

tt

iLiRu ra

aa

Loi de FaradayLoi de Faraday



tiRu aa raiL

Flux généré par l’induit

Flux généré par l’inducteur

où

Constante

mr K

t

Vitesse angulaire

m

mma

aa Kt

iLiRu

32

ammaa

aaa iKit

iLiRiu 2

Bilan de puissanceBilan de puissance

Couple électromagnétiqueCouple électromagnétique



Pertes Joule

mma

aa Kt

iLiRu

Puissance fournie par la source

Variation de l’énegie

magnétique stockée

2

2

1aa

a iLt

it

iL

Puissance mécanique

mécaamm PiKemmméca CP

amem iKC

33MECA 2732MECA 2732 :: Introduction à la robotique Introduction à la robotique –– Les moteurs à courant continuLes moteurs à courant continu


fUfi

aU

ai

Excitation indépendanteExcitation indépendante

Inducteur

Induit

rm kKoù

mma

aa Kt

iLiRu

amem iKC

t

iLiRu

f

ffff

r

fi

et fr if

mma

aa Kt

iLiRu

amem iKC

Excitation par aimants permanentsExcitation par aimants permanents

aU

ai

Inducteur

Induit

N S

rm kKoù

est fixé définitivement par les aimantsetr



Excitation sérieExcitation série

aU

fa ii

Excitation parallèle Excitation parallèle –– shuntshunt

aU

ai

fi

Excitation compoundExcitation compound

aU

ai


Caractéristique couple vitesseCaractéristique couple vitesse

rmaaa kiRu ...

arem ikC ..

a

rmaa

R

kUi

..

a

rmarem

R

kUkC

....

m

C

memC

mpmr CC

Point de

fonctionnement

0

-- Vitesse à vide théoriqueVitesse à vide théorique

r

a

k

U

.0

-- Equation dynamiqueEquation dynamique

prm

em CCdt

dJC

-- PentePente

a

r

R

k2

.

Couple de pertes mvp KC



Transformée de Laplace

mma

aa Kt

iLiRu

mvrm

amem kCdt

dJiKC

mmaaa KiLsiRu

mvrmam KCJsiK

sLR

1mK

emCaiau

rC

sJKv

1

mK

m s

1

Constante de temps électrique R

Le

Constante de temps

mécanique v

mK

J

Deuxième ordre



sLR

1mK

emCaiau

rC

sJKv

1

mK

m s

1

me

GénéralementGénéralement

0.1 à 1 0.1 à 1 msmsqlqs dizaines de qlqs dizaines de msms

ààqlqsqlqs ss

R

1mK

emCaiau

rC

sJKv

1

mK

m s

1Premier ordre


Limites de fonctionnementLimites de fonctionnement

Liées àLiées àRisque de désaimantationRisque de désaimantation

Difficulté de commutationDifficulté de commutation

Tenue mécanique des enroulements et autres pièces en Tenue mécanique des enroulements et autres pièces en rotationrotation

Tenue mécanique des pièces au couple maximalTenue mécanique des pièces au couple maximal

Fonctionnement sur une large gamme de vitesseFonctionnement sur une large gamme de vitesse

EchauffementEchauffement

Pertes par effet JoulePertes par effet Joule

Pertes magnétiquesPertes magnétiques

Pertes mécaniquesPertes mécaniques

39





Les moteurs à courant continu sans balaisLes moteurs à courant continu sans balaisPrincipe de fonctionnementPrincipe de fonctionnement



40MECA 2732MECA 2732 :: Introduction à la robotiqueIntroduction à la robotiqueLes moteurs à courant continu sans balaisLes moteurs à courant continu sans balais

Principe de fonctionnement et Principe de fonctionnement et structurestructure

U

i

N

S

-- Nécessité d’un capteur Nécessité d’un capteur de positionde position

-- Commutations gérées Commutations gérées automatiquementautomatiquement

N

S

N

S

Caractéristiques Caractéristiques similaires à celle similaires à celle d’un moteur DCd’un moteur DC

Documents

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