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MOTEURS ÉLECTRIQUES
POUR LA ROBOTIQUE
Pierre Mayé
MOTEURS ÉLECTRIQUES
POUR LA ROBOTIQUE
3 eédition
Illustrations intérieures : Alain et Ursula Bouteveille© Dunod, Paris, 2000, 2006, 2016
5 rue Laromiguière 75005 Paris
www.dunod.com ISBN 978-2-10-074257-8Illustration de couverture :Moteur hybride - © CPN - Fotolia.com
TABLE DES MATIÈRES
Introduction .............................................. 1 CHAPITRE1- GÉNÉRALITÉS...............................31.1 Actionneurs de la robotique. . ........................... 3
1.1.1 Particularités des moteurs utilisés en robotique...... 3
1.1.2 Avantagesdesactionneursélectriques ............ 4
1.1.3 Types de moteurs utilisés....................... 4
1.2 Loisdebasedel"électromagnétisme...................... 4
1.2.1 Champmagnétique........................... 4
1.2.2 Forcesmagnétiques........................... 6
1.2.3 Inductionélectromagnétique.................... 9
1.3 Circuitsmagnétiquesetaimants......................... 10
1.3.1 Milieux ferromagnétiques....................... 10
1.3.2 Circuitsmagnétiques.......................... 16
1.3.3 Aimants permanents.......................... 19
1.4 Conversionélectromécanique........................... 26
1.4.1 Étudegénérale............................... 26
1.4.2 Casparticulierdescircuitsmagnétiqueslinéaires.... 30
CHAPITRE2- PRINCIPE ET TECHNOLOGIE DES MOTEURS
À COURANT CONTINU
.......................362.1 Description.......................................... 36
2.1.1 Constitution ................................. 36
2.1.2 Topographieduchampmagnétique.............. 37
2.1.3 Rôleducollecteur............................. 39
2.1.4 Conceptiondel"enroulement.................... 42
2.1.5 Machinesmultipolaires ........................ 44
2.1.6 Réactiond"induit.............................. 45
c?Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. 6TABLE DES MATIÈRES
2.2 Étudemécanique..................................... 50
2.2.1 Coupleélectromagnétique...................... 50
2.2.2 Principefondamentaldeladynamique............ 51
2.2.3 Momentd"inertie............................. 51
2.2.4 Coupledepertes............................. 52
2.3 Étudeélectrique...................................... 54
2.3.1 Forcecontre-électromotrice..................... 54
2.3.2 Loi des mailles............................... 55
2.3.3 Résistance................................... 56
2.3.4 Inductance.................................. 57
2.4 Étudeénergétique .................................... 58
2.4.1 Puissanceélectromagnétique.................... 58
2.4.2 Bilan des puissances en régime permanent......... 58
2.4.3 Bilandesénergiesenrégimevariable............. 59
2.5 Technologie ......................................... 60
2.5.1 Moteursdestructureclassique................... 60
2.5.2 Moteursàrotorplat........................... 62
2.5.3 Moteursàrotorencloche...................... 63
CHAPITRE3- RÉGIMES DE FONCTIONNEMENT D"UN MOTEURÀ COURANT CONTINU
.......................653.1 Régime permanent.................................... 65
3.1.1 Équationsdebase............................ 65
3.1.2 Bilandespuissances .......................... 65
3.1.3 Caractéristiques.............................. 66
3.1.4 Influencedelatempérature..................... 70
3.2 Régimes transitoires pour un moteur pouvant être considéré
commeunsystèmedupremierordre..................... 713.2.1 Démarragesoustensionconstante............... 71
3.2.2 Démarrageàcourantconstant.................. 76
3.2.3 Ralentissement............................... 78
3.2.4 Changementdecharge........................ 79
3.2.5 Transmittances............................... 81
3.3 Régimes transitoires pour un moteur pouvant être considéré
commeunsystèmedudeuxièmeordre.................... 833.3.1 Misesoustensionàrotorbloqué................. 83
3.3.2 Démarragesoustensionconstante............... 84
3.3.3 Transmittances............................... 89
3.3.4 Justificationdel"étudeapprochée................ 90
TABLE DES MATIÈRES
7 CHAPITRE4- ALIMENTATION ÉLECTRONIQUE DES MOTEURSÀ COURANT CONTINU
.......................924.1 Alimentation utilisant des composants actifs en régime linéaire . 92
4.1.1 Principe..................................... 92
4.1.2 Améliorations................................ 95
4.1.3 Insuffisancedescircuitslinéaires................. 101
4.2 Alimentation utilisant des composants actifs en commutation . . 102
4.2.1 Principeduhacheur........................... 102
4.2.2 Choixdelafréquencededécoupage............. 106
4.2.3 Réalisationducommutateur .................... 108
4.2.4 Commande en modulation de largeur d"impulsion . . 110
4.2.5 Inversiondusensderotation.................... 112
4.2.6 Asservissement du courant...................... 114
4.3 Exemplesderéalisation................................ 115
4.3.1 Alimentation en courant utilisant un seul circuit
intégré ..................................... 1154.3.2 Alimentation en courant utilisant deux circuits
intégrés..................................... 123 CHAPITRE5- MOTEURS À COURANT CONTINU SANS BALAIS..1255.1 Généralités.......................................... 125
5.1.1 Description.................................. 125
5.1.2 Principe..................................... 126
5.1.3 Avantages................................... 128
5.2 Différentesconfigurationsd"enroulements ................. 129
5.2.1 Moteur à trois phases en étoile à alimentation
bidirectionnelle............................... 1295.2.2 Moteur à trois phases en étoile à alimentation
unidirectionnelle.............................. 1305.2.3 Moteuràtroisphasesentriangle ................ 133
5.2.4 Moteur à quatre phases en étoile à alimentation
bidirectionnelle............................... 1355.2.5 Moteur à quatre phases en étoile à alimentation
unidirectionnelle.............................. 1375.2.6 Moteuràquatrephasesencarré................. 138
c?Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. 8TABLE DES MATIÈRES
5.3 Modélisation......................................... 139
5.3.1 Schémaélectriqued"unephase.................. 139
5.3.2 Modélisationdelamachine..................... 139
5.4 Technologie ......................................... 140
5.4.1 Stator...................................... 140
5.4.2 Rotor....................................... 142
5.4.3 Moteursàstructureinversée .................... 143
5.4.4 Moteursàélectroniqueintégrée.................. 144
CHAPITRE6- ALIMENTATION ÉLECTRONIQUE DES MOTEURSÀ COURANT CONTINU SANS BALAIS
............1456.1 Généralités.......................................... 145
6.1.1 Structureglobale ............................. 145
6.1.2 Alimentationentensionouencourant............ 146
6.1.3 Alimentationunidirectionnelleoubidirectionnelle.... 146
6.2 Élémentsdel"alimentation.............................. 146
6.2.1 Commutateurdepuissance..................... 146
6.2.2 Capteurs.................................... 148
6.2.3 Logiquedecommande ........................ 150
6.2.4 Commandedelatensionouducourant........... 151
6.3 Exemplesderéalisations............................... 152
6.3.1 Alimentation en courant utilisant un seul circuit
intégré ..................................... 1526.3.2 Alimentation en courant utilisant plusieurs circuits
intégrés..................................... 153 CHAPITRE7- MOTEURS PAS-À-PAS.........................1577.1 Généralités.......................................... 157
7.1.1 Définition................................... 157
7.1.2 Historique................................... 158
7.1.3 Avantages................................... 158
7.1.4 Inconvénients................................ 158
7.1.5 Applications................................. 158
7.2 Différentstypes....................................... 159
7.2.1 Moteuràaimant.............................. 159
7.2.2 Moteursàréluctancevariable................... 172
7.2.3 Moteurhybride............................... 176
TABLE DES MATIÈRES
97.3 Modélisation......................................... 178
7.3.1 Moteuràréluctancevariable.................... 178
7.3.2 Moteuràaimant.............................. 181
7.3.3 Moteurhybride............................... 184
7.4 Comportementmécanique ............................. 184
7.4.1 Positions d"équilibre ........................... 184
7.4.2 Déplacementd"unpas......................... 185
7.4.3 Enchaînementdescommutations ................ 189
7.5 Exemple............................................ 192
CHAPITRE8- ALIMENTATION ÉLECTRONIQUE
DES MOTEURS PAS
-À-PAS.....................1948.1 Généralités.......................................... 194
8.1.1 Structureglobale ............................. 194
8.1.2 Alimentationentensionouencourant............ 195
8.1.3 Alimentationunidirectionnelleoubidirectionnelle.... 196
8.1.4 Accessibilité des enroulements................... 196
8.2 Alimentationentension................................ 198
8.2.1 Circuitdebase............................... 198
8.2.2 Améliorationdeladécroissanceducourant........ 201
8.2.3 Améliorationdelamontéeducourant............ 206
8.3 Alimentationencourant................................ 212
8.3.1 Structuredebase............................. 212
8.3.2 Fonctionnement avec mesure du maximum et du
minimumducourant.......................... 2148.3.3 Fonctionnement avec mesure du maximum du
courantettempsdecoupureconstant............. 2188.3.4 Fonctionnement en modulation de largeur
d"impulsions................................. 2208.4 Exemplesderéalisations............................... 221
8.4.1 Alimentation unidirectionnelle en tension pour
moteuràquatrephases........................ 2218.4.2 Alimentation bidirectionnelle en courant pour
moteuràdeuxphases......................... 2238.4.3 Alimentationpourfonctionnementàpasréduit ..... 223
8.4.4 Alimentationpourfonctionnementenmicro-pas .... 226
c?Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. 10TABLE DES MATIÈRES
CHAPITRE9- MÉCANISMES ASSOCIÉS AUX MOTEURS.........2309.1 Réducteurdevitesse................................... 230
9.1.1 Principe..................................... 230
9.1.2 Modèleduréducteuridéal...................... 232
9.1.3 Optimisationd"unréducteur.................... 233
9.1.4 Réalisationsindustrielles........................ 233
9.1.5 Autre système de conversion entre mouvements de
rotation..................................... 2339.2 Mécanismes assurant la conversion d"un mouvement
d"unerotationentranslation............................ 2349.2.1 Systèmepouliesetcourroiescrantées............. 234
9.2.2 Systèmevisetécrou........................... 236
CHAPITRE10-ÉCHAUFFEMENT DES MOTEURS................23810.1 Généralités.......................................... 238
10.1.1 Causes..................................... 238
10.1.2 Conséquences............................... 239
10.2 Étudegénéraledeséchangesthermiques.................. 239
10.2.1 Loisdebase................................. 239
10.2.2 Analogieélectrique ........................... 241
10.3 Modélisationthermiquedesmoteurs...................... 242
10.3.1 Machine pouvant être considérée comme un
systèmeàuncorps............................ 24210.3.2 Machine pouvant être considérée comme un
systèmeàdeuxcorps.......................... 24210.4 Régimesdefonctionnementthermique.................... 243
10.4.1 Régimecontinu............................... 243
10.4.2 Régimetemporaire............................ 247
10.4.3 Régimeintermittent ........................... 248
10.5 Couplethermiquementéquivalent........................ 251
CHAPITRE11-MESURE DES PARAMÈTRES D"UN MOTEUR.......25211.1 Matérieldemesure ................................... 252
11.1.1 Bancdetest................................. 252
11.1.2 Mesuresélectriques........................... 253
11.1.3 Mesuresmécaniques.......................... 254
TABLE DES MATIÈRES
1111.2 Mesuredelaconstantedumoteur ....................... 254
11.2.1 Casdumoteuràcourantcontinu ................ 254
11.2.2 Casdumoteuràcourantcontinusansbalais....... 256
11.3 Mesuredesparamètresélectriques....................... 257
11.3.1 Résistance................................... 257
11.3.2 Inductance.................................. 258
11.4 Mesuredesparamètresmécaniques...................... 260
11.4.1 Coupledepertes............................. 260
11.4.2 Momentd"inertie............................. 261
CHAPITRE12-ASSERVISSEMENT DE LA VITESSE
ET DE LA POSITION
..........................26712.1 Asservissement de vitesse............................... 267
12.1.1 Nécessité ................................... 267
12.1.2 Descriptiondusystème......................... 268
12.1.3 Principedefonctionnement..................... 269
12.1.4 Exemplesderéalisations....................... 270
12.2 Asservissement de position.............................. 270
12.2.1 Nécessité ................................... 270
12.2.2 Descriptiondusystème......................... 272
12.2.3 Principedefonctionnement..................... 273
12.3 Servomoteur......................................... 273
12.3.1 Description.................................. 273
12.3.2 Commande ................................. 274
Annexe.................................................. 275 Lexique.................................................. 283 Bibliographie............................................. 285 Index.................................................... 286 c?Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. INTRODUCTION
La robotique est une technique qui s"est beaucoup développée dans les dernières décennies. Le moteur électrique a pris une place prépondérante parmi les action- neurs utilisés dans ce domaine. L"étude de ces dispositifs suppose des connaissances variées : électrotechnique, électronique, mécanique et automatique. Cet ouvrage se propose d"aborder de façon simple les différents problèmes liés à l"utilisation des moteurs électriques en robotique : les propriétés de la machine elle-même, mais aussi son alimentation électronique et les mécanismes associés. Nous étudierons les trois principaux types d"actionneurs électriques employés : le moteur à courant continu, le moteur à courant continu sans balais et le moteur pas- à-pas. Certains points sont spécifiques à un type de machine tandis que d"autres peuvent être traités en commun. Le lecteur trouvera en annexe les notices techniques d"un moteur de chaque caté- gorie et un petit lexique des termes techniques rencontrés qui facilitera la lecture des documents des constructeurs souvent rédigés en langue anglaise. L"auteur tient à remercier les fabricants qui lui ont fourni des renseignements sur leurs matériels et en particulier ceux qui ont autorisé la reproduction de leurs notices ou de leurs photographies. c?Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit.CHAPITRE1
GÉNÉRALITÉS
Ce chapitre a pour but de préciser le cadre de notre étude et de rappeler quelques notions d"électromagnétisme utiles pour la suite.1.1 Actionneurs de la robotique
1.1.1 Particularités des moteurs utilisés en robotique
Un robot réalise des fonctions mécaniques telles qu"un déplacement ou un posi- tionnement. Pour cela, il a besoin d"un actionneur qui va réaliser à la fois une transmission d"information et une conversion d"énergie. Plusieurs technologies existent : on rencontre des actionneurs électriques, pneumatiques et hydrauliques. Les premiers sont le plus souvent des moteurs en rotation, un mécanisme permet- tant éventuellement de modifier la nature du mouvement. Ce sont ces machines qui nous intéressent ici. Les moteurs employés font appel aux mêmes principes que ceux qu"on utilise en électrotechnique classique, mais leurs caractéristiques et leurs technologies sont différentes. Tout d"abord, la puissance en général modeste des machines fait qu"on fait souvent appel à des aimants permanents plutôt qu"à des inducteurs bobinés, ce qui simplifie la réalisation et élimine les pertes par effet Joule correspondantes. Ensuite, on ne cherche pas à optimiser les mêmes paramètres. Les grandeurs liées à la conversion d"énergie (puissance, rendement) sont certes importantes, mais les grandeurs liées à l"information (précision, rapidité de réponse) sont primor- diales. Ainsi, on minimise l"inertie des parties tournantes en adoptant des struc-tures particulières ou une géométrie adaptée pour réaliser des moteurs à réponse
rapide. Les performances d"un actionneur électrique sont intimement liées à celles de son environnement : le convertisseur d"énergie et sa commande électronique, l"éven- tuel asservissement avec ses capteurs et les mécanismes associés à la charge. Il est important d"en tenir compte lors d"une comparaison de coût entre plusieurs solu- tions. c?Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. 4MOTEURS ÉLECTRIQUES POUR LA ROBOTIQUE
1.1.2 Avantages des actionneurs électriques
Par rapport à leurs concurrents hydrauliques et pneumatiques, les actionneurs élec- triques présentent un certain nombre d"avantages parmi lesquels :quotesdbs_dbs7.pdfusesText_13[PDF] machines électriques cours et exercices corrigés pdf
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