Système servo à moteur DD : comment comprendre la résonance mécanique et résoudre les vibrations de la machine ?

Introduction

Dans les équipements de précision entraînés par unmoteur DD, un moteur couple à entraînement direct ou un moteur linéaire, les ingénieurs rencontrent souvent un problème de mise en service frustrant : la machine vibre pendant l'accélération ou le fonctionnement à vitesse constante, un bruit anormal apparaît, ou le système d'asservissement devient instable même après des réglages répétés des paramètres.

Dans de nombreux cas, la cause première n'est pas simplement un réglage incorrect du gain d'asservissement.

La structure mécanique elle-même peut avoir une fréquence de résonance qui interagit avec la bande passante de commande de l'asservissement.

Ce problème devient particulièrement important dans les systèmes de mouvement à entraînement direct, car un moteur DD élimine le réducteur conventionnel et les étages de transmission mécanique entre le moteur et la charge. Le moteur entraîne directement la structure mécanique, ce qui signifie que les performances du système d'asservissement complet dépendent fortement de la rigidité mécanique, de la masse mobile, de la conception structurelle, des roulements, des conditions de couplage et des caractéristiques de la charge.

C'est pourquoi un réglage réussi de l'asservissement d'un moteur DD exige que les ingénieurs prennent en compte à la fois le contrôleur d'asservissement et le système mécanique.

Un système d'asservissement ne peut pas compenser indéfiniment une structure mécaniquement faible ou mal conçue.

Qu'est-ce que la fréquence ZERO CROSS dans un système d'asservissement à moteur DD ?

Le point ZERO CROSS, généralement associé à la fréquence de croisement du système d'asservissement, est une référence importante pour analyser la relation entre la bande passante de commande de l'asservissement et la résonance mécanique.

Pour de nombreuses applications de moteurs DD, la fréquence de croisement de la boucle de vitesse est généralement inférieure à environ 100 Hz, bien que la valeur réelle dépende du moteur, de la charge, de la structure mécanique, du contrôleur et de la stratégie de réglage.

Les systèmes à moteur linéaire peuvent présenter des fréquences de croisement effectives encore plus faibles dans certaines applications.

La position relative entre la fréquence de croisement de l'asservissement et la fréquence de résonance mécanique a donc une influence significative sur la stabilité du système.

Si une résonance mécanique se produit bien dans la bande passante contrôlable du système d'asservissement, le contrôleur peut être capable de compenser efficacement la perturbation, selon la dynamique du système et la marge de phase disponible.

Toutefois, lorsqu'une résonance mécanique significative se produit autour ou au-delà de la bande passante de commande utilisable, une simple augmentation du gain d'asservissement peut ne pas résoudre le problème. Au contraire, ce gain supplémentaire peut exciter la résonance et provoquer des oscillations, des vibrations, du bruit audible, voire une instabilité de l'asservissement.

Par conséquent, les ingénieurs ne doivent pas évaluer un moteur DD uniquement sur la base du couple moteur, de la résolution de l'encodeur ou de la précision de positionnement. La relation entre la bande passante d'asservissement et la résonance mécanique est tout aussi importante.

Pourquoi la résonance mécanique provoque-t-elle des vibrations d'un moteur DD ?

La résonance mécanique se produit lorsque l'excitation générée par le moteur interagit avec une ou plusieurs fréquences propres de la structure mécanique.

Un modèle mécanique simplifié peut être représenté par un système masse-ressort.

La fréquence propre du système dépend principalement de la masse mobile effective et de la rigidité structurelle. Sous une forme simplifiée :

Fréquence propre ∝ √(Rigidité / Masse)

Cette relation apporte un éclairage important pour l'ingénierie.

L'augmentation de la rigidité structurelle élève généralement la fréquence propre, tandis que l'augmentation de la masse mobile effective l'abaisse généralement.

Le même principe peut être observé dans un diapason. Ses caractéristiques vibratoires sont déterminées par son matériau, sa géométrie, sa répartition de masse et sa rigidité structurelle.

Une machine de précision se comporte de manière similaire.

Une fois la structure mécanique, les composants mobiles, les roulements, les interfaces de montage et la configuration de charge établis, la machine développe naturellement une ou plusieurs fréquences de résonance dominantes.

Cela signifie que la résonance mécanique n'est pas simplement un problème logiciel.

Les paramètres d'asservissement peuvent influencer la force avec laquelle le système excite ces fréquences, mais la fréquence propre sous-jacente est fondamentalement liée à la structure mécanique.

La relation entre la résonance mécanique et la bande passante d'asservissement

La question clé dans le réglage d'un moteur DD n'est pas simplement de savoir si la machine possède une fréquence de résonance.

Presque tous les systèmes mécaniques réels possèdent des modes de résonance.

La question la plus importante est :

Où se situe la fréquence de résonance par rapport à la bande passante de commande de l'asservissement ?

Considérons deux cas simplifiés.

Si la résonance mécanique est suffisamment éloignée de la bande passante effective de l'asservissement, le contrôleur d'asservissement peut normalement fonctionner sans exciter fortement la résonance.

Toutefois, si la résonance est proche de la zone de croisement de l'asservissement, le contrôleur peut interagir fortement avec le mode mécanique. L'augmentation du gain peut alors produire davantage de vibrations au lieu d'améliorer la réponse.

C'est pourquoi une machine qui semble stable avec un faible gain d'asservissement peut commencer à vibrer immédiatement après qu'un ingénieur a augmenté le gain de vitesse ou le gain de position.

Le problème n'est pas nécessairement que la valeur du gain est « incorrecte ».

Le système mécanique peut simplement avoir atteint une plage de fréquences dans laquelle le contrôleur d'asservissement ne dispose plus d'une marge de phase suffisante pour supprimer la résonance.

Comment les ingénieurs doivent-ils traiter différentes fréquences de résonance mécanique ?

Tous les problèmes de résonance ne doivent pas être traités avec la même méthode de réglage d'asservissement.

La fréquence de résonance fournit un indice important sur la solution à envisager en premier.

Résonance au-dessus de 500 Hz : le filtrage numérique peut être efficace

La résonance à haute fréquence, en particulier une résonance bien au-dessus de la bande passante principale de l'asservissement, est souvent plus facile à traiter par filtrage numérique.

Par exemple, lorsqu'une résonance mécanique se produit au-dessus d'environ 500 Hz, le filtre coupe-bande numérique d'un variateur d'asservissement ou une fonction associée de suppression de résonance peut être efficace.

À ces fréquences plus élevées, la boucle de vitesse n'a généralement pas besoin de maintenir une autorité de commande forte comparable à celle de la région des basses fréquences. Un filtre numérique correctement configuré peut donc réduire l'influence de la résonance tout en préservant la réponse d'asservissement requise à basse fréquence.

Cependant, la fréquence, la bande passante, la profondeur et le nombre de filtres exacts doivent être déterminés par des mesures réelles de réponse en fréquence plutôt qu'en appliquant une valeur fixe à chaque machine.

Un filtre excessivement agressif peut introduire un retard de phase inutile ou réduire la réactivité du système.

Par conséquent, le filtrage haute fréquence doit tout de même être réalisé dans le cadre d'un processus structuré de réglage d'asservissement.

Résonance en dessous de 100 Hz : le véritable défi du réglage d'asservissement

La résonance à basse fréquence, inférieure à environ 100 Hz, est beaucoup plus difficile à traiter.

Cette plage de fréquences recouvre la bande passante de fonctionnement principale de nombreux systèmes d'asservissement. L'application d'un filtre puissant directement dans cette région peut interférer avec la boucle de vitesse et réduire la marge de phase.

Le résultat peut être un système qui semble supprimer un mode de vibration tout en devenant simultanément plus lent ou moins stable.

C'est pourquoi la résonance mécanique à basse fréquence doit généralement être étudiée d'abord du côté mécanique.

Au lieu de modifier continuellement les paramètres d'asservissement, les ingénieurs doivent déterminer pourquoi la structure mécanique possède une fréquence propre si basse.

Les causes potentielles comprennent une rigidité structurelle insuffisante, une masse mobile excessive, des interfaces de montage flexibles, la souplesse des roulements, des structures longues non soutenues ou des connexions mécaniques inadéquates.

Dans ces cas, modifier le gain d'asservissement peut seulement déplacer le problème plutôt que le résoudre.

Pourquoi la résonance basse fréquence doit-elle être résolue par la conception mécanique ?

C'est l'un des principes les plus importants lors de la mise en service d'un système d'asservissement à moteur DD.

Un contrôleur d'asservissement peut compenser certaines caractéristiques mécaniques, mais sa capacité de compensation est limitée.

Lorsque la structure mécanique présente une faible fréquence propre proche de la fréquence de croisement de l'asservissement, le contrôleur doit fonctionner dans un environnement dynamique difficile.

Si l'ingénieur réduit continuellement le gain pour empêcher les oscillations, le système peut devenir stable mais lent.

Si l'ingénieur augmente le gain pour améliorer la réponse, la résonance mécanique peut être excitée et les vibrations de la machine peuvent augmenter.

Cela crée un dilemme de réglage courant :

Un faible gain procure de la stabilité mais une réponse insuffisante ; un gain élevé procure une réponse plus rapide mais excite la résonance mécanique.

Lorsque cela se produit, la solution correcte n'est peut-être pas un nouveau cycle de réglage des paramètres.

La structure mécanique elle-même peut devoir être reconçue.

Comment la structure mécanique détermine-t-elle les performances d'asservissement d'un moteur DD ?

Un moteur DD transmet directement le couple à la charge ; l'interface mécanique devient donc une partie importante du système d'asservissement.

Plusieurs facteurs mécaniques peuvent influencer les caractéristiques de résonance d'un système à entraînement direct.

Rigidité structurelle

Une rigidité structurelle plus élevée augmente généralement la fréquence propre du système mécanique et peut créer une plus grande séparation entre la résonance mécanique et la bande passante de fonctionnement de l'asservissement.

Pour les équipements de précision, la rigidité doit donc être prise en compte lors de la conception mécanique plutôt que traitée comme un problème découvert pendant la mise en service finale.

Masse mobile

L'augmentation de la masse mobile abaisse généralement la fréquence propre.

Cela est particulièrement important dans les tables rotatives à entraînement direct, les axes linéaires, les équipements pour semi-conducteurs, les plateformes d'inspection et les systèmes d'automatisation de précision, où le moteur peut accélérer directement une charge mobile importante.

Les ingénieurs doivent donc évaluer non seulement le couple nominal du moteur, mais aussi l'inertie complète et la répartition de masse du système mobile.

Conditions des roulements et de montage

Le système de roulements et l'interface de montage peuvent également influencer la rigidité du système.

Même lorsque le bâti structurel principal est rigide, une rigidité insuffisante au niveau du support de roulement, de l'interface de montage du moteur ou de la connexion de charge peut créer un mode basse fréquence inattendu.

C'est pourquoi mesurer la machine complète est souvent plus utile que d'évaluer le moteur seul.

Répartition de charge et géométrie structurelle

Un bras long, une structure en porte-à-faux, une charge décentrée ou une répartition de masse inégale peuvent introduire des modes de vibration supplémentaires.

Dans les systèmes de positionnement robotisés, les équipements d'inspection optique, les équipements de manutention de wafers et les tables rotatives de précision, ces caractéristiques structurelles doivent être prises en compte dès la conception mécanique initiale.

Pourquoi l'augmentation du gain d'asservissement n'améliore-t-elle pas toujours les performances d'un moteur DD ?

Un gain d'asservissement plus élevé est souvent associé à une réponse plus rapide et à un meilleur rejet des perturbations.

Cependant, un gain plus élevé ne signifie pas automatiquement de meilleures performances de la machine.

Si le système mécanique présente une résonance proche de la bande passante de commande, l'augmentation du gain peut amplifier l'interaction entre le contrôleur d'asservissement et la structure mécanique.

Les symptômes typiques peuvent inclure :

• Vibrations de la machine pendant l'accélération et la décélération

• Bruit audible à haute fréquence

• Oscillation autour de la position cible

• Dépassement de positionnement

• Augmentation du temps de stabilisation

• Fluctuations de l'erreur de suivi d'asservissement

• Instabilité après l'augmentation du gain de vitesse ou de position

Ces symptômes ne doivent pas être automatiquement interprétés comme un problème de réglage du variateur.

L'ingénieur doit d'abord déterminer si une résonance mécanique est excitée.

Cela est particulièrement important pour les systèmes à moteur DD, car la connexion directe entre le moteur et la charge fait de la structure mécanique une partie intégrante du système de commande de mouvement.

Une stratégie pratique de réglage d'asservissement pour moteur DD

Un processus de réglage structuré peut aider les ingénieurs à éviter de modifier les paramètres à répétition sans comprendre la cause sous-jacente.

Étape 1 : Identifier la fréquence de résonance

Avant de modifier les gains d'asservissement, identifiez les fréquences de résonance dominantes de la machine.

L'analyse de la réponse en fréquence, les fonctions de diagnostic du variateur d'asservissement, les mesures de vibration ou d'autres méthodes de mesure appropriées peuvent aider à localiser la résonance.

L'objectif est de déterminer si le mode mécanique dominant se situe à basse, moyenne ou haute fréquence.

Étape 2 : Comparer la fréquence de résonance avec la fréquence de croisement de l'asservissement

Une fois la fréquence de résonance identifiée, comparez-la à la bande passante effective de l'asservissement.

Si la résonance se situe bien au-dessus de la bande passante de commande principale, le filtrage numérique peut être une solution appropriée.

Si la résonance est proche ou en dessous de la zone de croisement de l'asservissement, l'optimisation mécanique doit recevoir davantage d'attention.

Étape 3 : Appliquer le filtrage uniquement lorsqu'il est approprié

Pour les résonances haute fréquence, un filtre coupe-bande ou une fonction numérique de suppression de résonance peut souvent fournir une solution efficace.

Le filtre doit être configuré en fonction de la fréquence de résonance mesurée.

Les ingénieurs doivent éviter d'appliquer un filtrage excessif, car un filtrage inutile peut réduire la marge de phase et la réponse dynamique.

Étape 4 : Réévaluer la structure mécanique pour les résonances basse fréquence

Lorsque la fréquence de résonance est très basse, la structure mécanique doit être examinée.

Les améliorations possibles comprennent l'augmentation de la rigidité structurelle, la réduction de la masse mobile inutile, le raccourcissement des structures non soutenues, l'amélioration du support des roulements, le renforcement des interfaces de montage et l'optimisation du chemin de charge.

L'objectif n'est pas simplement d'éliminer les vibrations par logiciel.

L'objectif est de déplacer la résonance mécanique vers une plage de fréquences dans laquelle le système d'asservissement peut commander la machine plus efficacement.

Étape 5 : Régler à nouveau le système d'asservissement

Après l'optimisation de la structure mécanique, les paramètres d'asservissement doivent être ajustés à nouveau.

Un système mécaniquement amélioré offre généralement une meilleure base pour augmenter la bande passante de commande et obtenir un temps de stabilisation plus court sans vibrations excessives.

C'est pourquoi la conception mécanique et le réglage d'asservissement ne doivent pas être considérés comme des tâches d'ingénierie totalement distinctes.

Moteur DD ou moteur linéaire : pourquoi la résonance peut-elle constituer un défi commun ?

Les moteurs DD et les moteurs linéaires utilisent des agencements mécaniques différents, mais tous deux peuvent être très sensibles aux caractéristiques dynamiques de la structure de la machine.

Un moteur DD génère directement un mouvement rotatif au niveau de la charge, tandis qu'un moteur linéaire génère directement une force linéaire.

Comme les deux technologies minimisent les composants conventionnels de transmission mécanique, le moteur peut répondre directement à la charge mécanique.

Cela offre des avantages significatifs pour le positionnement de précision, notamment une faible erreur de transmission mécanique, une réactivité élevée et une réduction des effets liés au jeu mécanique.

Cependant, cela signifie également que la rigidité mécanique, l'inertie de charge, les conditions de montage et la résonance structurelle peuvent exercer une forte influence sur le système d'asservissement global.

Par conséquent, les systèmes à moteur DD comme les systèmes à moteur linéaire exigent une coordination étroite entre la conception mécanique et la commande d'asservissement.

Pourquoi les systèmes à entraînement direct nécessitent-ils une co-conception mécanique et d'asservissement ?

L'un des principaux avantages d'un système à entraînement direct est la réduction des composants de transmission mécanique.

Il n'y a pas de réducteur conventionnel entre le moteur et la charge, ce qui peut simplifier la chaîne de transmission et améliorer la réactivité du mouvement.

Toutefois, supprimer la transmission n'élimine pas la dynamique mécanique.

Au contraire, le moteur à entraînement direct devient plus directement couplé à la structure mécanique.

Cela rend l'ingénierie au niveau du système particulièrement importante.

Le moteur, l'encodeur, les roulements, la charge, le bâti de la machine, l'interface de montage, le contrôleur et les paramètres d'asservissement doivent être considérés comme un seul système de commande de mouvement.

Pour les équipements de haute précision, l'obtention des meilleures performances exige donc les deux éléments suivants :

Une structure mécaniquement rigide et bien conçue sur le plan dynamique

et

Un système d'asservissement disposant d'une bande passante suffisante et d'une suppression de résonance appropriée.

Aucune des deux parties ne peut compenser entièrement les insuffisances de l'autre.

Où la maîtrise de la résonance mécanique est-elle particulièrement importante ?

La gestion de la résonance mécanique est particulièrement importante dans les applications exigeant une haute précision de positionnement et un temps de stabilisation court.

Elles comprennent les axes rotatifs CNC de précision, les équipements de fabrication de semi-conducteurs, les systèmes de manutention de wafers, les équipements d'inspection optique, les systèmes AOI, les équipements de traitement laser, les tables rotatives de précision, les systèmes d'automatisation industrielle et les mécanismes robotiques avancés.

Dans ces applications, les vibrations de la machine n'affectent pas seulement le bruit acoustique.

Elles peuvent influencer directement la précision de positionnement, le temps de stabilisation, la répétabilité des inspections, la qualité de surface, la stabilité d'image, la qualité d'usinage et le rendement de production.

Par exemple, les vibrations d'une table d'inspection optique peuvent affecter l'acquisition d'images, tandis que les vibrations d'un axe rotatif CNC peuvent influencer la précision d'usinage et l'état de surface.

Plus la précision de positionnement et la réponse dynamique requises sont élevées, plus la résonance mécanique devient importante.

Comment les moteurs couple à entraînement direct HONPINE prennent-ils en charge les systèmes de mouvement de précision ?

En tant que fabricant de composants de mouvement de précision, HONPINE développe des moteurs couple à entraînement direct et des solutions à moteur DD pour les applications où une haute précision de positionnement, une transmission directe du couple, une intégration compacte et une réponse dynamique sont importantes.

Cependant, les performances d'un moteur DD ne peuvent pas être évaluées indépendamment de la structure de la machine.

Lors de la sélection d'un moteur couple à entraînement direct, les ingénieurs doivent considérer ensemble le couple moteur, le couple continu, le couple de pointe, l'inertie du rotor, la résolution de l'encodeur, l'inertie de charge, la rigidité structurelle, la configuration des roulements et la bande passante d'asservissement requise.

HONPINE peut évaluer les exigences du moteur et de l'application dans une perspective système, aidant les fabricants d'équipements à adapter le moteur à entraînement direct à la charge mécanique et aux exigences de mouvement.

Pour l'automatisation de précision, le CNC, les équipements pour semi-conducteurs, l'inspection optique, la robotique et d'autres applications de mouvement exigeantes, cette approche au niveau du système peut aider les ingénieurs à atteindre un meilleur équilibre entre le couple, la précision, la réponse dynamique et le contrôle des vibrations.

Conclusion : résolvez la résonance mécanique, pas seulement le paramètre d'asservissement

La résonance mécanique est l'une des raisons les plus courantes pour lesquelles un système d'asservissement à moteur DD haute performance ne fournit pas les performances machine attendues.

La clé consiste à comprendre la relation entre la fréquence de résonance mécanique et la fréquence de croisement de l'asservissement.

Pour les résonances haute fréquence, le filtrage numérique peut souvent fournir une solution efficace lorsqu'il est correctement configuré.

Pour les résonances basse fréquence, surtout lorsque la résonance s'approche de la bande passante de commande de l'asservissement ou la recouvre, l'optimisation mécanique doit généralement avoir la priorité.

Le principe le plus important est simple :

N'attendez pas des paramètres d'asservissement qu'ils compensent indéfiniment une structure mécanique insuffisamment rigide.

Un système à entraînement direct haute performance exige à la fois une structure mécanique bien conçue et un système d'asservissement correctement réglé.

En analysant conjointement la masse, la rigidité, la fréquence de résonance, la bande passante d'asservissement, le filtrage et les caractéristiques de charge, les ingénieurs peuvent dépasser le réglage par essais et erreurs et construire un système de mouvement plus stable, plus réactif et plus précis.

Pour les fabricants d'équipements développant des systèmes avancés d'automatisation de précision, de CNC, de semi-conducteurs, d'inspection, de robotique et d'autres systèmes de mouvement, choisir le bon moteur DD ou moteur couple à entraînement direct n'est que le début. Les performances ultimes résultent de l'adaptation du moteur, de la structure mécanique, de l'encodeur, du contrôleur et des paramètres d'asservissement en un système intégré.