Etat de l`art sur la conception des systèmes d`actionnement

C6E2 – WP2 – INSA Toulouse 11/04/08 1/134
Etat de l’art sur la conception des systèmes
d’actionnement électromécaniques
Objet Faire un état de l’art sur les critères de choix d’architecture, les technologies
et sur les principales règles de dimensionnements et de modélisation pour la
conception préliminaire d’un système d’actionnement électromécanique.
Contenu • Généralités sur la conception d’un système d’actionnement
• Composants
• Règles et logiciels de dimensionnements
• Modèles pour la conception préliminaire
Destinataires
Nom Société
Yvan Lefèvre LAPLACE - ENSEEIHT
Franck Sellier LMS - IMAGINE
Denis Fargeton LMS - IMAGINE
Xavier Brunotte CEDRAT
Guillaume Lacombe CEDRAT
Rédaction
Nom du projet C6E2
Auteurs Marc Budinger
Jonathan Liscouet
Stéphane Orieux
Jean-Charles Maré
Relecteur Marc Budinger
Dernière mise à jour 05/09/2007
Indice de révision 3

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Table révisions
Indice révision Date Objet de la mise à jour
0 22/03/2007 Version initiale
1 13/07/2007 Ajout des lois d’échelles
2 25/07/2007 Ajouts partie machines électriques
3 05/09/2007 Ajouts sur transmission mécanique

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Table des matières
Etat de l’art sur la conception des systèmes d’actionnement électromécaniques 1
Table des matières 3
1 - Généralités sur la conception des systèmes d’actionnement asservis 5
1.1 - Organisation d’une étude technique 5
1.2 - Architecture générale d’un système d’actionnement électromécanique 7
1.3 - Architecture de puissance 9
1.3.1 - Génération de puissance électrique 9
1.3.2 - Modulateur de puissance électrique 9
1.3.3 - Transformateurs de puissance 10
1.4 - Architecture de commande 11
1.4.1 - Chaînes de mesure 11
1.4.2 - Commande 11
1.5 - Analyse et mise en forme du cahier des charges 11
1.5.1 - Spécification puissance 11
1.5.2 - Spécification des performances 11
2 - Composants d’un système d’actionnement 11
2.1 - Les moteurs électriques d’asservissement ou servomoteurs 11
2.1.1 - Le moteur à courant continu à balais et aimants permanents 11
2.1.2 - Le moteur synchrone à aimants permanents (brushless) 11
2.1.3 - Le moteur synchrone à aimants permanents dit moteur couple 11
2.1.4 - Le moteur asynchrone ou moteur à induction 11
2.1.5 - Comparaison qualitative des servomoteurs étudiés 11
2.1.6 - Méthodes de dimensionnement en puissance du moteur 11
2.1.7 - Le problème de résonance 11
2.2 - Composants de transmissions mécaniques 11
2.2.1 - Rotation/Translation 11
2.2.2 - Rotation/rotation 11
3 - Etat de l’art sur les outils logiciels 11
3.1 - Exemples d’étude 11
3.2 - Exemples d’outils existants 11
3.2.1 - SERVOSOFT 11
3.2.2 - MOTIONEERING 11
4 - Modèles pour la conception préliminaire 11
4.1 - Généralités sur les lois d’échelles 11
4.2 - Lois d’échelle et transmissions mécaniques 11
4.2.1 - Réducteurs épicycloïdaux 11
4.2.2 - Réducteur Cyclo Drive 11
1.1.1 - Vis à rouleaux 11
1.1 - Lois d’échelle et machines électriques 11
1.1.1 - Moteurs cylindriques à nombre de pôles constant avec le changement
d’échelle 11

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1.1.2 - Moteurs annulaires à nombre de pôles non constants avec
changement d’échelle 11
1.1.3 - Modification des lois d’échelle pour la conception préliminaire 11
1.1.4 - Validation des lois d’échelles sur des gammes constructeurs 11
1.2 - Conclusions et perspectives 11
REFERENCES 11

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1 - Généralités sur la conception des systèmes d’actionnement asservis
1.1 - Organisation d’une étude technique
Les actionneurs asservis réalisent des boucles locales qui se situent aux bas niveaux
hiérarchiques de la commande. Ces boucles s'appliquent donc à des éléments qui sont
directement affectés par des défauts et des limitations technologiques (frottement, jeu,
hystérésis, cavitation, surpression, ...).
Le bouclage introduisant la plupart du temps des effets linéarisants, ces boucles
locales peuvent, quant à elles, être perçues par les boucles de niveau supérieur comme des
fonctions beaucoup moins altérées par ces limitations technologiques pour lesquelles les
concepts de l'automatique linéaire s'appliquent idéalement.
En ce qui concerne les actionneurs électromécaniques et selon notre expérience, il
s'avère donc que dans la plupart des cas industriels :
Une commande classique, c'est à dire élaborée à partir des rudiments de l'automatique
linéaire, donne des résultats satisfaisants si elle est combinée à une bonne perception des
phénomènes physiques mis en jeu dans l'actionneur. A l'inverse, une commande basée sur
des concepts évolués de l'automatique mais appliquée en ignorant la réalité technologique
donne des résultats désastreux.
La présence de non linéarités dominantes (gains hydrauliques des distributeurs,
influence de la position des vérins, ...) est compatible avec une approche linéaire bien
maîtrisée qui se prête bien à des développements analytiques explicatifs et suggestifs.
L'approche non linéaire, pratiquement toujours numérique n'est alors utilisée qu'en phase
finale pour évaluer plus précisément l'effet des non linéarités. Au besoin, des compensations
de non linéarité peuvent être introduites a posteriori dans la stratégie de commande (gain
variable, non linéarité inverse, ...).
Le choix des constituants matériels de l'actionneur introduit de sévères limitations
d'origine technologique sur les performances finales. Il est évident que ce ne sont pas les
lignes de code de la commande qui peuvent compenser ces effets. Avant de se focaliser sur
l'étude de la commande, souvent perçue comme la partie noble du travail, il convient de
s'attarder sur le dimensionnement en puissance, le conditionnent modal et l'évaluation des
performances limites qui conditionnent largement le résultat final. Cette partie est rarement
bien traitée et elle est mal valorisée. A l'issue de cette phase qui doit être développée très tôt
dans la procédure de conception, la synthèse de la commande devient alors l'ultime point à
traiter, une fois qu'il est prouvé que le choix des composants est cohérent par rapport au
niveau des performances attendues.