Profils de contrôle de mouvement : le bon, le mieux et le meilleur

Le contrôle de mouvement désigne la compétence et l'art de contrôler les paramètres de performances d'un moteur et de sa charge pour atteindre de manière optimale un objectif donné. Derrière cette simple phrase se cachent de nombreuses variables. Quel(s) paramètre(s) cherchez-vous à contrôler : la position, la vitesse, l'accélération ou la saccade (la variation de l'accélération) ? L'objectif principal est-il la précision de la position ou la vitesse ? La solution optimale consiste-t-elle à atteindre un objectif le plus rapidement possible, avec la précision requise ? Qu'en est-il du dépassement ? Qu'en est-il des variations de charge ? Qu'en est-il du rendement énergétique et de la gestion des défauts inévitables comme les calages ?

Atteindre tous ces objectifs (qui sont souvent en conflit, dans une certaine mesure) n'est pas simple. Cela dépend en grande partie du contrôleur de mouvement du moteur. Ce contrôleur agit comme le « cerveau » du système de contrôle et implémente des algorithmes qui ont été conçus et réglés en fonction des objectifs de l'application. Ces algorithmes doivent prendre en compte le type de moteur : pas-à-pas, à balais, CC sans balais (BLDC), CA, etc. Les algorithmes doivent également tenir compte de la nature de la charge (solide, liquide, poudre, engrenages, rails) ainsi que des connexions et des réactions.

Le contrôleur fonctionne en association avec un variateur moteur contenant les dispositifs de puissance tels que les MOSFET, qui modulent le courant vers le moteur selon les instructions du contrôleur. Sachez qu'il existe un certain chevauchement fonctionnel entre les deux rôles, car certains variateurs ont des capacités de contrôleur de base et certains contrôleurs peuvent intégrer des MOSFET basse consommation.

Commencer par un bon profil

La façon la plus évidente d'amener le moteur au niveau souhaité consiste simplement à fournir un maximum de puissance, à faire accélérer le moteur à la plus grande vitesse possible, à maintenir cette vitesse, puis à s'arrêter lorsque le moteur atteint la position ou la vitesse du point d'extrémité souhaité (Figure 1).

Figure 1 : La tactique la plus simple pour la gestion du mouvement d'un moteur consiste à faire accélérer le moteur à la plus grande vitesse possible jusqu'à atteindre le point d'extrémité souhaité, puis d'arrêter subitement l'accélération. (Source de l'image : Trinamic Motion Control GmbH)

Si cette approche, désignée sous le nom de profil trapézoïdal, fonctionne et est fréquemment utilisée, elle est néanmoins inadaptée à de nombreuses applications. Par exemple, l'importante saccade qui se produit lorsque l'accélération passe de zéro à son maximum lors des transitions de démarrage et d'arrêt peut perturber et renverser les liquides. En outre, il se produit souvent un dépassement inacceptable, car les moteurs en conditions réelles et leurs charges ne s'arrêtent pas instantanément.

Obtenir un meilleur profil

Pour améliorer le profil, il est courant d'ajouter des transitions douces entre les phases de démarrage et de fonctionnement, et entre les phases de fonctionnement et d'arrêt. Ce profil est connu sous le nom de courbe en S (Figure 2).

Figure 2 : Le profil à courbe en S ajoute un arrondi aux points de transition de la vitesse entre les phases d'arrêt et de fonctionnement, et inversement. (Source de l'image : Trinamic Motion Control GmbH)

Le degré de rectitude ou d'arrondi de cette partie en « S » et sa durée dans le profil total dépendent de l'application, de la charge et des priorités du système dans l'équilibre des compromis entre les nombreux objectifs de performances et les nombreuses contraintes.

De plus, il existe une bonne raison de minimiser la saccade : les valeurs élevées de saccade ont tendance à induire une oscillation de la charge, car elles introduisent davantage de fréquences dans le spectre du profil de mouvement, et il est possible qu'une ou plusieurs de ces fréquences correspondent aux résonances naturelles du système. L'impact réel de cette oscillation peut aller d'un bruit gênant à des vibrations nuisibles et potentiellement destructrices.

Par conséquent, toute oscillation de ce type (à distinguer d'un dépassement plus simple, mais également indésirable) est généralement inacceptable.

Rechercher le « meilleur » profil

La courbe en S de base est efficace, mais peut ne pas fournir un profil de mouvement optimal pour l'application. En cause : la dynamique du moteur, la connexion à la charge, ainsi que la charge elle-même compliquent considérablement le modèle de mouvement simple initial.

Le type de moteur contrôlé ajoute encore de la complexité à la situation. En outre, l'ajout d'un capteur de rétroaction pour le contrôle en boucle fermée offre la possibilité d'une plus grande précision et d'une réponse plus rapide, mais cela nécessite l'utilisation de stratégies de contrôle plus avancées, comme l'algorithme PID (proportionnel, intégral, dérivé).

Pour obtenir une courbe en S et un contrôle plus avancé, il est possible d'utiliser un microprocesseur doté de capacités de traitement numérique améliorées afin d'implémenter les équations requises en temps réel, avec l'aide d'autres fonctions et fonctionnalités matérielles intégrées axées sur le contrôle de mouvement. Ces processeurs optimisés pour les applications peuvent exécuter un logiciel de contrôle de mouvement, qui est souvent proposé par le fournisseur du processeur.

Par exemple, la gamme C2000 de Texas Instruments est destinée à cette application et inclut le F28M35H52C1RFPS, un microcontrôleur de la série C28x/ARM Cortex-M3 avec un processeur double cœur 32 bits fonctionnant à 100 mégahertz (MHz), soutenu par une mémoire Flash de 512 kilo-octets (Ko), une RAM de 2 Ko et un ensemble de ports de communications.

Le processeur ne représente qu'une partie de la solution pour adapter l'algorithme à l'application, dans la mesure où Texas Instruments propose deux voies différentes pour le contrôle de moteur basé sur la gamme C2000. Sa bibliothèque DMC (Digital Motor Control) est un vaste ensemble de blocs fonctionnels logiciels de contrôle de moteur créés au fil des années et qui suppose que les utilisateurs développent eux-mêmes le réglage optimal de la boucle de contrôle. La bibliothèque inclut des exemples de systèmes de référence disponibles sur des modules d'évaluation du matériel, qui peuvent servir de points de départ aux ingénieurs expérimentés dans le domaine du contrôle des moteurs.

En revanche, pour les concepteurs disposant d'une expérience limitée dans le contrôle de mouvement, la solution de contrôle de moteur InstaSPIN de TI donne accès à des algorithmes hautes performances, tout en simplifiant de nombreux défis réels liés au développement de solutions avancées. Elle inclut un réglage autonome et automatisé qui n'est peut-être pas aussi bon qu'un réglage optimisé par l'utilisateur, mais qui peut largement convenir à l'application.

D'autres fournisseurs proposent des circuits intégrés autonomes et des modules de circuit imprimé complets, souvent accompagnés de variateurs moteurs associés, qui sont entièrement pré-programmés avec des algorithmes de contrôle de mouvement sophistiqués, tout en permettant à l'utilisateur de définir des paramètres clés et d'avoir des profils personnalisés. La carte d'évaluation TMC5041-EVAL de Trinamic Motion Control GmbH pour son contrôleur/variateur double TMC5041-LA-T pour la gestion de l'alimentation des moteurs pas-à-pas (Figure 3) constitue un bon exemple.

Figure 3 : Le contrôleur/variateur double TMC5041 pour la gestion de l'alimentation des moteurs pas-à-pas, vu ici sur la carte d'évaluation TMC5041-EVAL, inclut des algorithmes et des fonctions de contrôle de mouvement sophistiqués et embarqués, et permet une programmabilité des principaux paramètres de fonctionnement par l'utilisateur. (Source de l'image : Trinamic Motion Control GmbH)

Le TMC5041 inclut des fonctions telles que des générateurs de rampes flexibles pour le positionnement automatique de cibles pour les variateurs de moteurs pas-à-pas avancés, et il assure un fonctionnement silencieux combiné à un rendement maximum et au meilleur couple moteur. Ses autres fonctionnalités pré-programmées incluent l'adaptation aux variations de la force contre-électromotrice (FCEM) du moteur causées par l'accélération et la décélération, pouvant nécessiter une régulation plus rapide. L'utilisateur peut ainsi ajuster et optimiser le paramètre associé (désigné PWM_GRAD) pour obtenir la rampe d'accélération et de décélération la plus rapide possible (Figure 4).

Figure 4 : Le niveau de sophistication du TMC5041 est illustré par la possibilité pour l'utilisateur de définir des valeurs d'attaque de courant pour assurer l'accélération et la décélération les plus rapides, en fonction de performances précises avec un dépassement minimal. (Source de l'image : Trinamic Motion Control GmbH)

Conclusion

Un contrôle de mouvement et une gestion des profils efficaces exigent un équilibre minutieux des compromis entre la position, la vitesse et l'accélération, tout en assurant des performances précises. En utilisant un contrôleur de mouvement sophistiqué pour définir les principaux paramètres du courant et de la tension qui commandent le moteur, il est possible d'atteindre un niveau de précision exceptionnel, accompagné d'une réponse rapide.

Les contrôleurs de mouvement peuvent être implémentés par le biais d'algorithmes exécutés dans des microprocesseurs hautes performances ou par des dispositifs dédiés qui sont pré-programmés avec un micrologiciel embarqué, ce qui permet aux utilisateurs d'ajuster et de régler les points de fonctionnement pour des performances avancées.

Lectures recommandées

1. Article relatif à la méthodologie de contrôle de moteur numérique pour les microcontrôleurs de contrôle en temps réel C2000™

https://www.digikey.fr/fr/articles/digital-motor-control-methodology-for-c2000-real-time-control-microcontrollers

2. Utiliser le contrôle vectoriel sans capteur avec les moteurs BLDC et PMSM pour un contrôle de mouvement précis

https://www.digikey.fr/fr/articles/use-sensorless-vector-control-with-bldc-and-pms-motors

3. Article relatif à l'utilisation de microcontrôleurs spécialisés pour simplifier la conception du contrôle de mouvement

https://www.digikey.fr/fr/articles/use-specialized-mcus-to-simplify-motion-control-design

4. Article relatif au contrôle de mouvement avancé

https://www.digikey.fr/fr/articles/control-for-advanced-motion