Sélection de codeur – troisième partie: Contrôle de la vitesse

Une analyse générale approfondie révèle que les résolutions de codeur les plus élevées sont nécessaires pour un contrôle de vitesse très précis. La résolution du codeur augmente en fonction du carré de la précision de la vitesse demandée. De plus, une boucle de commande à vitesse élevée est nécessaire et une inertie de masse importante a un effet bénéfique sur la stabilité de la vitesse.

• Gardez ceci à l'esprit: La résolution du codeur n'est pas le seul facteur qui influence le contrôle de vitesse dynamique et précis. C'est la réaction du système dans son ensemble. Le temps de réponse peut être limité par les contraintes de courant et de tension de l'alimentation en puissance et du contrôleur, par le taux d'échantillonnage de la boucle de régulation, par les inerties de masse, les fluctuations de friction et le jeu mécanique.

Comment fonctionne l'évaluation de la vitesse avec des codeurs incrémentaux?

La vitesse est évaluée dans le contrôleur en comptant le nombre de changements d'état survenus dans un intervalle de temps donné. Un EPOS2, par exemple, présente un taux d'échantillonnage de contrôleur de vitesse d'1 kHz. Par conséquent, la vitesse interne est mesurée en entiers de quadcounts par ms (qc/ms) correspondant à une résolution de vitesse de 30 tr/min sur un codeur 500 cpt (2000 qc par tour). Plus la résolution du codeur est faible, plus la quantification de cette vitesse est élevée.

Soulignons ici qu'il s'agit d'un problème métrologique inhérent à l'acquisition numérique. Les valeurs mesurées ne représentent pas le comportement du système. La vitesse réelle du moteur prendra en compte la valeur définie et la conservera à cause de l'inertie mécanique (effet volant d'inertie). Seules les valeurs mesurées fluctuent autour de la vitesse moyenne.

Signaux de vitesse enregistrés sur un moteur avec codeur maxon MR (capture d'écran de l'EPOS2 Studio Data Recorder). La courbe noire représente la lecture de vitesse du capteur. Elle varie par pas de 30 tr/min qui correspondent à la résolution 1qc/ms. Le signal montre aussi une période de 30 ms issue de la durée correspondant à 1 tour du moteur. La vitesse moyennée verte représente cette périodicité plus clairement. Ce signal de vitesse moyenne est proche de la vitesse réelle du moteur. Mais, dans ce cas, il représente plutôt les défauts du codeur. Au fait, la précision de vitesse du signal moyen est d'environ 3 tr/min de déviation à une vitesse de 2000 tr/min, une valeur relativement bonne!

Contrôle de grande vitesse

Les composants électroniques du codeur limitent la fréquence maximum d'impulsion qu'il est possible de traiter et donc la vitesse maximum du codeur. Dans certains cas, cette restriction est la conséquence de considérations mécaniques, comme un déséquilibre ou des tolérances d'assemblage.

Il est également nécessaire de prendre en compte les contraintes de fréquence existant sur l'entrée du codeur, côté contrôleur. Si une vitesse très élevée est requise, choisir une résolution de codeur suffisamment faible.

Une fluctuation de vitesse relative de quelques pourcents à des vitesses élevées de plusieurs milliers de tr/min correspond à plusieurs dizaines de tr/min de précision absolue, ce qui est facile à obtenir. 

Règle nº 4: Codeur pour contrôle de vitesse élevée (> 500 tr/min)

Sélectionnez un codeur à nombre d'états modéré ou faible et à indice de vitesse maximum suffisamment élevé. Le codeur maxon EASY est souvent la solution parfaite. Normalement, il n'est pas nécessaire d'utiliser un codeur optique de haute précision. Règle empirique: (vitesse en tr/min) x (résolution du codeur en cpt) > 100 000 tr/min cpt, suffit largement dans la plupart des applications.

Contrôle des vitesses réduites

Alors que le type de décompte d'états de l'évaluation de la vitesse génère un bon contrôle de la vitesse élevée, cela devient difficile à vitesse très faible. Imaginons une vitesse de 60 tr/min, donc 1 tour par seconde, devant être maintenue avec une précision de 5 %, donc 3 tr/min. Avec le même codeur 500 cpt et une durée de cycle de contrôle de 1 ms, comme plus haut, il sera impossible d'obtenir une vitesse stable et contrôlée sans heurt.

Une résolution supérieure de codeur et un contrôleur plus rapide sont nécessaires pour réduire la variation de la vitesse absolue. Imaginez un codeur à 5000 cpt dans la situation décrite plus haut; vous obtiendrez alors un retour 10 fois supérieur. Mais, même à vitesse réduite, la boucle de contrôle doit être en mesure de réagir plus rapidement pour maintenir l'écart de vitesse absolue à une valeur réduite. Ces deux caractéristiques augmentent le niveau d'exigence auquel le codeur est soumis. La résolution du codeur augmente en fonction du carré de la stabilité de la vitesse absolue: La moitié de la variation de vitesse admise demande une résolution de codeur 4 fois supérieure. 

À une vitesse très faible, certains contrôleurs peuvent utiliser une autre méthode d'évaluation de la vitesse. Ils mesurent le temps écoulé entre 2 états. Les valeurs de retour de vitesse seront plus homogènes, permettant ainsi un contrôle plus strict et plus dynamique.

Le contrôleur EPOS4 permet d'utiliser une autre méthode à vitesse réduite, désignée par observateur de vitesse. L'observateur de vitesse est l'un des éléments de la boucle de régulation. Il calcule les vitesses observées en deux étapes. La vitesse, la position et le couple extérieur sont prédits à partir des paramètres qui définissent la fonction de transfert mécanique du système. Les valeurs prédites sont ensuite corrigées en fonction des positions de rotor nouvellement mesurées.

Malgré tout, un codeur à haute résolution et un contrôleur rapide demeurent avantageux.

Règle nº 5: Codeur pour contrôle de vitesse réduite (< 100 tr/min)

Sélectionnez un codeur à nombre d'états élevé ou très élevé, combiné avec un contrôleur rapide.