Guide rapide des actionneurs robotiques
Le choix du moteur est crucial pour la réussite d’un projet. Il ne s’agit pas uniquement de puissance ; il faut également prendre en compte le coût, la taille, la fiabilité et l’évolutivité. Le composant idéal n’est pas forcément le plus rapide ni celui qui offre le couple le plus élevé.
C’est celle qui répond le plus simplement à la question de savoir ce dont votre conception a besoin.
Ce guide offre un aperçu rapide des types de moteurs, en soulignant leurs avantages, leurs inconvénients et leurs meilleurs cas d’utilisation afin de simplifier les systèmes et la prise de décision.
Moteurs à courant continu à balais (BDC) :
Les moteurs CC à balais sont des moteurs électriques à commutation interne qui convertissent l’énergie électrique en courant continu (CC) en rotation mécanique.
Reconnus pour leur simplicité et leur rentabilité, ils comportent un ensemble d’aimants fixes (stator) et de bobines électromagnétiques rotatives (rotor/armature).
Comment ça marche :
- Alimentation électrique : Un courant continu est fourni aux bornes du moteur.
- Balais et collecteur : des « balais » en carbone ou en graphite maintiennent un contact physique avec un anneau segmenté rotatif appelé collecteur, qui sert d’interrupteur électrique.
- Interaction magnétique : Le courant traverse les bobines du rotor, les magnétisant temporairement. Le champ magnétique ainsi généré exerce une force sur les aimants fixes situés à l’extérieur du moteur.
- Commutation : Lorsque le rotor effectue une rotation de 180 degrés, le commutateur inverse la polarité du courant. Cette inversion magnétique empêche le rotor de se bloquer et le force à continuer de tourner dans le même sens.
Avantages :
- Très simple et économique.
- Excellent couple de démarrage (idéal pour tirer des charges lourdes à partir d’un arrêt complet).
- La vitesse est facile à contrôler en ajustant simplement la tension.
Inconvénients :
- Usure : Les balais frottant constamment contre le collecteur en rotation, ils constituent une pièce d’usure et finiront par s’user avec le temps.
- Bruit électrique (EMI) : La séparation physique (arc électrique/rebond des balais) des balais par rapport aux segments du collecteur crée des étincelles électriques et du bruit qui peuvent interférer avec les microcontrôleurs ou les appareils électroniques sensibles situés à proximité.
- Limites de vitesse : Le frottement limite la vitesse maximale que ces moteurs peuvent atteindre par rapport aux alternatives sans balais.
Cas d’utilisation courants
Les moteurs à balais sont encore largement utilisés malgré leur ancienneté, principalement parce qu’ils sont peu coûteux à fabriquer et faciles à piloter.
Les BDC sont idéaux pour les mouvements simples et non critiques.
- Petit électroménager : sèche-cheveux, aspirateurs et robots de cuisine.
- Automobile : Vitres électriques, essuie-glaces et réglages de siège.
- Loisirs et robotique : voitures télécommandées, drones et robotique de base pour débutants (souvent alimentés par de petites batteries standardisées).
- Outils électriques : perceuses et scies sans fil portables.
Petit coup de pouce
Si vous ajoutez des capteurs et effectuez des réglages poussés pour exiger une grande précision d’un moteur BDC, vous avez probablement choisi le mauvais moteur. Prenez du recul et repensez votre choix.
Moteurs CC sans balais (BLDC) :
Les moteurs CC sans balais (BLDC) fonctionnent également à partir d’une source d’alimentation directe, mais commutent électroniquement, en utilisant un contrôleur numérique pour inverser les directions du courant et générer du couple.
Les moteurs BLDC éliminent les balais mécaniques et utilisent des capteurs à effet Hall pour détecter la position exacte du rotor.
Comment ça marche
- Détection de position : des capteurs à effet Hall ou des signaux de force contre-électromotrice suivent les aimants du rotor.
- Transmission du signal : Les données de position sont envoyées directement au contrôleur électronique.
- Activation par phase : le contrôleur alimente les bobines du stator de manière séquentielle.
- Attraction magnétique : Les bobines du stator créent un champ magnétique rotatif.
- Mouvement du rotor : Les aimants permanents du rotor suivent le champ magnétique variable du stator.
- Mouvement continu : La commutation électronique met à jour dynamiquement le champ pour maintenir la rotation.
Avantages
- Longue durée de vie opérationnelle
- très haute efficacité
- Aucun risque d’étincelles
- faible bruit électrique
Cons
- Coût initial élevé
- Électronique de contrôle complexe
- Nécessite un onduleur triphasé + souvent un système de détection de position (encodeur ou observateur)
- Nécessite un câblage spécialisé
- Poids du système plus élevé
Cas d’utilisation courants
Les moteurs CC sans balais sont les meilleurs pour la traction / le déplacement de masses à haute densité de couple.
- Ventilateurs de refroidissement pour ordinateur
- Drones et avions radiocommandés
- Véhicules électriques (VE)
- Outils haut de gamme sans fil
Conseils rapides :
- Tenir compte des pertes de l’onduleur BLDC et de la masse du câblage
- Vérifier les chemins thermiques dans les volumes clos
- Prévoir une surface sur le circuit imprimé pour les lignes de fuite/d’isolement à la tension cible.
Moteurs pas à pas :
Les moteurs pas à pas sont également à commutation électronique, mais ils tournent par incréments angulaires précis et discrets plutôt que de manière continue.
Ils convertissent les impulsions électriques numériques en incréments fixes (généralement 1,8° par incrément, fournissant 200 étapes sur une rotation complète de 360°) de rotation mécanique pour fournir un contrôle de position très précis.
Comment ça marche
- Commande par impulsion : Un contrôleur externe envoie une impulsion électrique numérique au pilote du moteur.
- Énergie de phase : Le moteur alimente un ensemble spécifique de bobines de stator (une phase).
- Alignement magnétique : les bobines du stator créent un champ magnétique qui attire les dents du rotor les plus proches.
- Mouvement par pas : Les dents du rotor s’alignent parfaitement avec celles du stator, effectuant un déplacement précis par pas.
- Position de maintien : Le circuit de commande maintient le courant circulant dans ces bobines afin de bloquer le rotor en place.
- Mouvement continu : le moteur active la phase suivante d’une séquence, créant une rotation étape par étape.
Avantages
- Positionnement précis sans capteurs
- Excellent couple de maintien à basse vitesse
- Mouvements hautement répétables
- Commande simple en boucle ouverte
- Commande simple via pas à pas/direction + circuit intégré pilote
Cons
- faible couple à haute vitesse
- Consomme constamment un courant élevé.
- Nécessite un courant de maintien pour résister au retour de courant.
- Peut perdre des pas en cas de surcharge
- Sujet aux vibrations et au bruit
Cas d’utilisation courants
Les moteurs pas à pas sont idéaux pour un positionnement précis et des mouvements de petite taille répétables.
- Imprimantes 3D et machines CNC
- Scanners à plat et imprimantes de bureau
- Équipements de laboratoire médical automatisés
- Plateformes de panoramique et d’inclinaison de caméra
Conseil rapide
- Puissance budgétaire pour le courant de maintien du moteur pas à pas
Considérations
Adaptez les exigences de mouvement à la classe de moteur, puis tenez compte de l’électronique de puissance, du câblage, de la détection et de la complexité du contrôle.
Considérez ceci :
- Vitesse et accélération minimales et maximales du moteur
- Couple maximal délivré
- Courbe de couple en fonction de la vitesse
- précision et répétabilité des opérations
- Taille
- Poids
- Coût
Ensuite, simplifiez.
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