L’intégration des composants périphériques peut être comprise à deux niveaux :
• l’intégration des composants eux-mêmes dans le sens d’une réduction de leurs dimensions ou de leur remplacement par un composant équivalent mieux intégrable ;
• l’intégration des composants dans le moteur.
Ces deux objectifs sont concourants, dans la mesure où la réduction de la taille des composants permet leur intégration dans ou contre le moteur.
Les circuits intégrés de commutation de puissance sont intégrables sous formes de ponts monophasés bipolaires ou triphasés à 6 transistors. Des puis-sances jusqu’à 500 W par phase deviennent cou-rantes et la tendance est à la hausse. Les techniques IGBT (Transistors bipolaires à grille intégrée) sont prometteuses pour les prochaines années, dans le sens de l’accroissement de la tension et du courant.
Les capteurs, par le recours à des techniques d’inté-gration spécifiques, à des matériaux et à des com-posants nouveaux, ont des encombrements qui ten-dent à diminuer.
Les composants de commande et de réglage, déjà fortement intégrés, évoluent vers deux tendances liées aux quantités de produits :
• l’intégration de composants spécifiques sous for-me de « puces », de circuits hybrides ou de tech-nologies SMD ;
• le recours à des microprocesseurs de type micro-contrôleurs, programmables en fonction de l’objec-tif à réaliser ;
La transmission doit pouvoir se montrer en porte à faux contre le flasque du moteur. Si cette technolo-gie est tout à fait courante pour de petites puissan-ces, elle l’est moins pour la gamme de moteurs au-delà de 1 kW.
Le montage des moteurs à proximité de l’organe entraîné correspondant, tout en conservant les élé-ments d’alimentation et de commande dans une armoire spécifique, implique de longs câbles de liai-son, difficiles à intégrer dans la machine. En temps normal, les liaisons suivantes sont nécessaires
• l’alimentation de puissance du moteur (2 à 4 con-ducteurs) ;
• le capteur (3 à 8 conducteurs) ;
• la protection thermique (2 conducteurs).
Tous ces éléments de liaison occupent un volume très important et introduisent un accroissement important de la résistance et de l’inductance du moteur, au détriment de ses performances.
6. Entraînement électrique intégré
L’amélioration de la situation passe par la suppres-sion du plus grand nombre possible d’éléments de liaison. Deux voies permettent d’atteindre un tel objectif :
• le rapprochement du moteur et de ses périphé-riques ;
• le recours à des capteurs indirects de position et de vitesse.
6.3 Intégration
de l’entraînement
Pour bien mettre en évidence le concept d’entraîne-ment intégré, ou peut comparer une conception tra-ditionnelle à celle qui se dessine pour un futur proche.
De façon classique, l’ensemble des périphériques électriques : l’alimentation, la commande et le réglage sont concentrés dans une « armoire élec-tronique » qui assure la gestion du système (cf.
figure 18). C’est cette concentration qui accroît le nombre de liaisons et qui entraîne les inconvénients déjà signalés.
Figure 18 : Alimentation et commande centralisée de moteurs, impliquant des liaisons nombreuses.
Figure 19 : Entraînements électriques intégrés à alimen-tation et réglage décentralisé. Seule la coordination des mouvements est centralisée.
Parmi les liaisons, seules subsistent l’alimentation de puissance (alternative ou continue) et la circula-tion de l’informacircula-tion en vue de la coordinacircula-tion des mouvements :
• ordres, consignes de mouvements, de vitesse et de position ;
• informations sur l’état du moteur.
La transmission de l’information est réalisable par le biais de fibres optiques associées au multi-plexage de l’ensemble des grandeurs à transmettre ou par un bus plus classique.
Le moteur intégré prend alors la structure décrite à la figure 20.
Figure 20 : Schéma bloc d'un entraînement intégré (smart motor).
La solution intégrée conserve une centralisation de l’information liée à la finalité de l’organe entraîné : la coordination des fonctions. Toutes les autres actions sont décentralisées et associées au moteur (figure 19).
Le contrôle du système s’effectue à deux niveaux :
• le contrôle spécifique du moteur, ou système de contrôle de bas niveau, est strictement lié à l’en-semble moteur-alimentation. Il réalise le contrôle
ALIMENTATION
MOTEUR
CODEUR AMPLI
INTERFACE COMMUNICATION UPROCESSEUR CONTRÔLEUR MOTEUR
du courant et, sur la base d’une consigne externe, assure le réglage de vitesse;
• le microprocesseur, ou système de contrôle de haut niveau, est lié à la fonction de l’entraîne-ment, donc à l’organe entraîné. Il est micro-pro-grammé en fonction de l’application : contrôle de position, prise en compte de la coordination des mouvements.
Le système interface assure le codage et les échanges d’information avec le système de contrôle centralisé.
Sous sa forme intégrée (smart motor), l’entraîne-ment électrique comprend les élél’entraîne-ments suivants décrits par la figure 21 :
Figure 21 : Composants d'un entraînement intégré.
• le moteur jouant plusieurs fonctions telles que conversion d’énergie, conversion d’information, support ou enveloppe d’autres composants (ali-mentation, commande, capteur, transmission) etc.
• l’alimentation, utilisant la carcasse du moteur comme radiateur, avec un montage interne ou externe ;
• la transmission, montée sur l’un des flasques d’extrémité ;
• le capteur, intégré à l’intérieur du moteur (resol-ver, capteur optique) ou de type indirect sous forme d’un composant électronique ;
• l’électronique de commande ou de réglage, mon-tée à l’intérieur du moteur ou, pour de plus gran-des puissances, contre la carcasse à l’extérieur.
Figure 22 : Photographie d'un moteur intégré. La partie de gauche comprend tous les composants électroniques.
La figure 22 montre une photographie d’un tel moteur pour lequel tous les périphériques électro-niques sont montés à l’intérieur d’un flasque d’extrémité.
Il est important d’insister sur les possibilités d’usage multiple du moteur :
• le moteur permet la conversion d’énergie élec-trique en énergie mécanique ;
• il permet, sous forme synchrone (moteur pas à pas, moteur à courant continu sans collecteur), la conversion d’impulsions de tension en une posi-tion. C’est donc également un convertisseur d’information ;
• il peut être un capteur de position et / ou de vitesse par l’analyse de ses « défauts » : tension induite de mouvement, harmonique 3, satura-tion ;
• il est un capteur de couple et, indirectement, d’inertie par l’analyse de la tension, du courant et, cas échéant, de l’angle de commutation. Il per-met ainsi une connaissance précise de l’état de l’organe entraîné.
La réunion de toutes ces possibilités apparaîtra probablement dans une deuxième étape de l’évo-lution de l’intégration des entraînements, vers une tendance effective à « l’intelligence ».
6.4 Conclusions
Cette tendance vers l’intégration des composants périphériques dans le moteur lui-même est une évolution qui ira en se systématisant dans un futur proche. Les premières applications existent déjà, associées à des appareils à très grande diffusion (électroménager, climatisation).
Il est important que les principaux utilisateurs des entraînements électriques à hautes performances – commandes d’axes, robotique, périphériques d’ordinateurs – s’associent à ce développement.
Car en ce domaine, le futur a déjà commencé.
[1] M. Jufer : « Transducteurs électroméca-niques ». Traité d’Electricité, Vol. IX, Presses Polytechniques Romandes, Lausanne, 1985.
[2] J. Chatelain : « Machines électriques ». Traité d’Electricité, Vol. X, Editions Georgi, 1983.
[3] M. Jufer : « Entraînements électriques ».
Cours polycopié, EPFL 1981.
[4] T. Kenjo : « Permanent Magnet and Brushless DC Motors ». Sogo Electronic Publishing Co, Tokyo, 1984.
[5] M. Jufer : « Des premiers moteurs à l’électro-mécanique moderne ». Marché Suisse des Machines 19, 1989, pp 16-21.
[6] M. Jufer : « Entraînements synchrones et autosynchrones ». Marché Suisse des Machines 21, 1989, pp 20-25.
[7] P. Poffet, M. Jufer : « Entraînements hautes performances pour commande d’axes ».
Marché Suisse des Machines 23, 1989, pp 16-21.
[8] R. Osseni : « Modélisation et autocommuta-tion de moteurs synchrones ». Thèse EPFL N° 767, 1989.
[9] M. Jufer : « Moteurs à courant continu sans collecteurs et entraînements électriques ».
ASE / UCS, t. 78, 19, 1986, pp 1194-1200.