Analyse complète des modules de dissipation de freinage pour les actionneurs articulés harmoniques robotiques

Lors des discussions sur les modules d'actionneurs pour articulations robotiques , le moteur, le réducteur, l'encodeur, le frein et le contrôleur retiennent généralement l'attention, tandis que le module de dissipation du freinage est souvent sous-estimé. Dans les projets d'ingénierie réels, de nombreux systèmes d'articulations 48 V fonctionnent normalement lors de la mise en service à vide. Cependant, dès qu'ils sont soumis à des conditions impliquant une forte inertie, des accélérations et décélérations rapides, un abaissement de l'axe de gravité ou des manœuvres en marche arrière fréquentes, des problèmes tels que des surtensions sur le bus CC, des alarmes du contrôleur, des arrêts inattendus, voire des défaillances thermiques des composants d'alimentation, commencent à apparaître.

Dans de nombreux cas, la cause première n'est pas l'algorithme de commande du servomoteur lui-même, mais le fait que la chaîne de gestion de l'énergie régénérative n'a pas été correctement fermée.

D'un point de vue technique, un module de dissipation de freinage utilisé dans les actionneurs articulaires robotiques est essentiellement une unité d'absorption d'énergie régénérative du bus CC. Son rôle n'est pas de « libérer le mouvement de l'articulation » ni de « remplacer un frein », mais de rediriger en toute sécurité l'énergie régénérative excédentaire vers une résistance de freinage lorsque le moteur passe en mode générateur, dissipant cette énergie sous forme de chaleur et empêchant ainsi la tension du bus CC d'atteindre un niveau dangereux pour le circuit de commande ou l'alimentation.

Quel est le principe de la dissipation au freinage ?

Le terme « dissipation » fait ici référence à l’énergie électrique, et non aux gaz, aux fluides hydrauliques ou aux contraintes mécaniques.

Lorsqu'une articulation robotique subit une décélération, un arrêt d'urgence, une inversion de sens de rotation ou un retour en arrière par gravité, le moteur peut passer du mode moteur au mode générateur. Dans un système alimenté en 48 V CC, l'énergie régénérée augmente d'abord la tension du bus CC. Si l'alimentation ne peut absorber un courant de régénération suffisant, ou si plusieurs axes partageant le même bus CC génèrent simultanément une énergie transitoire excessive, un module de dissipation de freinage est nécessaire pour rediriger cette énergie vers une résistance externe.

Par conséquent, un module de dissipation de freinage se compose généralement de trois parties principales :

• Détection de la tension du bus CC et contrôle du seuil

• Dispositifs de commutation pour l'activation de résistances

• résistance de freinage externe

Dans de nombreux systèmes, de gros condensateurs électrolytiques sont également ajoutés pour amortir l'énergie transitoire et supprimer les pics de tension.

Pourquoi les actionneurs articulaires robotiques en ont-ils particulièrement besoin ?

Contrairement aux axes de convoyeurs classiques à vitesse constante, les modules articulaires robotisés fonctionnent dans des conditions très dynamiques. Les articulations harmoniques et les moteurs de couple accélèrent et décélèrent fréquemment, tandis que les bras robotisés échangent continuellement de l'énergie potentielle gravitationnelle par des changements de posture.

L'énergie régénérative revêt une importance particulière dans les scénarios suivants :

Décélération rapide à forte inertie

Lorsque la charge terminale est importante et que le temps de décélération est court, l'énergie cinétique de rotation est rapidement réinjectée dans le bus CC.

Abaissement ou rétropropulsion de l'axe de gravité

Lors du mouvement d'abaissement des articulations verticales, des coudes ou des axes des épaules, l'énergie potentielle gravitationnelle est directement convertie en énergie électrique, ce qui provoque une augmentation rapide de la tension du bus CC.

Régénération simultanée multi-axes

Lors de trajectoires complexes de bras robotisés, plusieurs axes peuvent simultanément entrer en phase de décélération ou de propulsion par gravité. Dans les architectures à bus CC partagé, cela conduit souvent à une énergie régénérative cumulative.

Les alimentations à découpage ne peuvent pas absorber l'énergie régénérative

De nombreuses alimentations à découpage industrielles de 48 V sont conçues pour fournir de l'énergie efficacement, mais pas pour absorber les courants de retour. Lorsque l'énergie récupérée ne peut être dissipée, la surtension devient le principal mode de défaillance du système.

Certains documents relatifs aux actionneurs conjoints, accessibles au public, indiquent clairement que des modules de dissipation de freinage sont nécessaires dans des conditions de fonctionnement à haute vitesse et à charge élevée pour gérer l'énergie de freinage régénératif et éviter les arrêts dus aux surtensions du bus CC.

Une stratégie de contrôle typique est :

l Débranchez la résistance de freinage lorsque la tension du bus est inférieure à environ 50 V.

l Connectez la résistance de freinage lorsque la tension du bus dépasse environ 51 V.

Des marges de sécurité supplémentaires sont généralement mises en œuvre pour la tension maximale admissible du bus.

Comprendre les modules de dissipation de freinage d'un point de vue d'ingénierie

Lorsque le moteur-joint fonctionne en mode générateur, le courant retourne dans le bus CC. Le système de contrôle surveille en permanence la tension du bus :

• Lorsque Vdc ≤ 50 V, l'interrupteur de dissipation reste ouvert et le système fonctionne normalement.

• Lorsque Vdc ≥ 51 V, l'interrupteur de dissipation se ferme et le courant circule à travers la résistance de freinage.

L'énergie régénératrice est convertie en chaleur par l'intermédiaire de la résistance, ramenant ainsi la tension du bus dans une plage sûre.

Plusieurs équations courantes permettent d'illustrer l'échelle en jeu :

Énergie cinétique de rotation :

E = 1/2 × J × ω²

Courant de la résistance :

I = V / R

Puissance de la résistance :

P = V² / R

Par exemple, en utilisant 51 V et une résistance de 5 Ω :

I ≈ 51 ÷ 5 = 10,2 A

P ≈ 51² ÷ 5 = 520 W

Ces valeurs sont extrêmement importantes d'un point de vue technique. Elles démontrent que les configurations courantes telles que « 50 W, 5 Ω » ou « 300 W, 10 Ω » ne sont pas conçues pour un fonctionnement continu en courant continu. Elles sont plutôt destinées à des impulsions de courte durée, des cycles de service limités et un fonctionnement basé sur la capacité thermique.

C’est pourquoi la conception thermique, l’emplacement d’installation et la ventilation sont souvent tout aussi importants que les spécifications électriques elles-mêmes.

Éléments clés à prendre en compte lors du choix des modules de dissipation de freinage

De nombreux ingénieurs se contentent de demander : « Quelle valeur de résistance et quelle puissance dois-je utiliser ? » En réalité, un choix fiable nécessite la prise en compte d'au moins six paramètres.

Tension du bus et seuil de déclenchement

Il ne faut pas supposer qu'un système joint de 48 V fonctionne à une tension constante de 48 V. Les tolérances de l'alimentation, les pics de tension régénératifs et la charge/décharge des condensateurs créent des fluctuations de tension dynamiques.

• Si le seuil est trop bas, la résistance s'active trop tôt et génère une chaleur excessive.

• Si le seuil est trop élevé, la protection contre les surtensions risque de réagir trop tard.

Pic et durée de l'énergie régénératrice

Il convient de faire la distinction entre les pics transitoires de courte durée et les charges thermiques élevées répétées.

Un arrêt d'urgence isolé peut ne pas générer beaucoup d'énergie, mais un fonctionnement répétitif à cycle élevé peut rapidement augmenter la charge thermique moyenne.

Valeur et puissance nominale de la résistance de freinage

La résistance détermine la capacité de dissipation du courant, tandis que la puissance nominale détermine la capacité de gestion thermique.

Une résistance plus faible permet une dissipation plus importante, mais augmente également la contrainte sur les dispositifs de commutation, les résistances et le câblage.

Capacité du condensateur du bus CC

Les condensateurs ne remplacent pas les modules de dissipation de freinage. Ils servent principalement à lisser les pics de tension et à amortir l'énergie transitoire.

Les petits condensateurs peuvent ralentir la montée en tension, mais ne peuvent pas fondamentalement éliminer l'énergie régénérative.

Pour les articulations de grande taille ou les systèmes à bus partagés multi-axes, la capacité du condensateur devient souvent un facteur de stabilité critique.

Type de charge et orientation de l'axe

Le même modèle d'articulation se comporte très différemment sur les axes horizontal et vertical.

Les systèmes présentant une compensation de gravité insuffisante, une vitesse de descente rapide ou des marches arrière fréquentes devraient adopter un dimensionnement plus conservateur du module de freinage.

Conception du chemin thermique

Un câblage électrique correct ne suffit pas à lui seul.

Si le module est installé dans un boîtier étanche, sur des surfaces en plastique ou dans des environnements mal ventilés, la dissipation de la chaleur devient insuffisante.

Dans de tels cas, le mode de défaillance final n'est souvent pas une surtension, mais la dégradation des résistances, la fatigue des soudures ou les dommages thermiques des dispositifs de puissance.

Comment les modules de dissipation de freinage sont-ils configurés dans les systèmes réels ?

La documentation accessible au public montre que de nombreux systèmes de joints 48V fixent les seuils de freinage autour de 50V à 51V et les associent à des résistances de freinage et à des condensateurs de bus de tailles variables.

Voici quelques exemples typiques :

• Petits joints : résistance de 50 W et 5 Ω avec une capacité de bus d’environ 12 000 μF

• Joints plus importants : résistances de classe 300 W avec une capacité de bus allant jusqu’à 96 000 µF

La différence ne tient pas simplement au fait que « les modèles plus grands sont plus avancés », mais au fait que l'énergie cinétique récupérable et les charges thermiques sont nettement plus élevées.

Pour les actionneurs intégrés, il est important de noter que certains manuels de produits exigent explicitement des modules externes d'absorption d'énergie régénérative. Cela signifie que le circuit de commande et l'alimentation ne sont pas censés gérer la totalité de l'énergie régénérative en interne.

Par conséquent, le circuit de dissipation du freinage doit être inclus dès la phase de conception du système, notamment :

• planification de la nomenclature

• Schéma de câblage

• conception de gestion thermique

• plutôt que d'être ajoutés ultérieurement lors du débogage.

Considérations importantes relatives à l'installation et à la mise en service

Placement incorrect du module

Le module de dissipation du freinage doit être situé à proximité du bus CC afin de minimiser la longueur de la boucle à courant élevé.

Les longs câbles augmentent l'inductance parasite et l'échauffement des câbles.

Se concentrer uniquement sur la puissance nominale

De nombreuses résistances semblent suffisantes sur le papier, mais dépassent les limites de température en fonctionnement continu.

Cela se produit car les valeurs indiquées dans les fiches techniques ne correspondent pas nécessairement aux cycles de service réels.

Négliger le dispositif de commutation et le chauffage des bornes

Les défaillances peuvent survenir non seulement au niveau de la résistance elle-même, mais aussi au niveau de :

• MOSFETs

•   Barres omnibus

•   Connecteurs

• borniers

• Relais

Confondre dissipation de freinage et sécurité fonctionnelle

Les modules de dissipation de freinage régulent la tension, et non les mouvements dangereux.

La protection antichute sur l'axe vertical, l'arrêt sécurisé du robot collaboratif et les fonctions de verrouillage pour maintenance ne peuvent pas reposer uniquement sur le module de dissipation.

Estimation des conditions à un seul axe uniquement

Un seul axe peut sembler sûr, tandis qu'une régénération simultanée sur plusieurs axes déclenche de fréquentes alarmes de surtension.

Cela est généralement dû à une énergie régénérative cumulative non prise en compte dans les systèmes de bus CC partagés.

Quand faut-il privilégier les modules de dissipation de freinage externes ?

Les modules de dissipation de freinage externes doivent généralement être considérés comme obligatoires plutôt qu'optionnels dans les cas suivants :

• Systèmes 48 V CC dont l'alimentation électrique ne dispose pas de capacité d'absorption régénérative

• Charges d'inertie importantes ou conditions de décélération rapide

• Axes verticaux, coudes ou articulations des épaules avec un important retour de force dû à la gravité

• Systèmes de bus CC partagés multi-axes

• Alarmes de surtension existantes, freinage instable ou déclenchements de protection de l'alimentation électrique pendant la mise en service

• Équipements à cycle intensif avec fonctionnement par démarrages et arrêts fréquents et températures élevées

Questions fréquemment posées par les clients

Quel axe génère le plus d'énergie régénératrice ?

Tous les axes ne présentent pas le même niveau de risque. Les axes de gravité et les axes à forte inertie sont généralement les plus critiques.

Quel est le seuil de protection réel du bus CC ?

Ne vous fiez pas uniquement à la valeur nominale de « 48 V » . Il est impératif de vérifier les limites de tension réelles du circuit de commande, des condensateurs et de l’alimentation.

La résistance est-elle dimensionnée en fonction de la puissance de crête ou de la charge thermique moyenne ?

Les deux aspects doivent être pris en compte. Autrement, le système risque de réussir des tests à court terme, mais de tomber en panne lors d'une utilisation à long terme.

Le chemin thermique est-il adéquat ?

Les surfaces de montage, la circulation de l'air, les sources de chaleur à proximité et l'élévation de température de l'armoire doivent tous être évalués.

La sécurité fonctionnelle et la gestion de l'énergie sont-elles correctement structurées ?

Les rôles des freins, du STO, des modules de dissipation du freinage et de la logique d'arrêt d'urgence doivent être clairement définis au sein de l'architecture du système.

Un module de dissipation de freinage pour actionneurs articulaires robotiques est fondamentalement un dispositif d'interface qui convertit l'excès d'énergie mécanique en dissipation thermique contrôlée.

Bien qu'il puisse sembler être un accessoire mineur, il a un impact majeur sur la stabilité, la capacité de réglage et la fiabilité des systèmes d'articulations robotiques 48V dans des conditions de fonctionnement exigeantes.

D'après l'expérience pratique en ingénierie, tout système d'actionneur robotique axé sur les performances dynamiques devra tôt ou tard prendre en compte la récupération et la dissipation de l'énergie régénérative.

La capacité du conducteur à contrôler le couple constitue un premier niveau de compétence. La capacité du bus CC à supporter l'énergie de récupération d'énergie en est un autre.

Ce n'est que lorsque ces deux capacités seront correctement prises en compte qu'un actionneur articulaire robotisé pourra véritablement atteindre la maturité technique requise pour la production de masse et les applications complexes du monde réel.