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Qu'est-ce que l'ondulation du couple et comment affecte-t-elle les applications de mouvement linéaire ?

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Le couple d'inertie contribue à l'ondulation du couple.

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Les moteurs produisent un couple et une rotation grâce à l'interaction des champs magnétiques dans le rotor et le stator. Dans un moteur idéal - avec des composants mécaniques parfaitement usinés et assemblés et des champs électriques qui s'accumulent et se désagrègent instantanément - le couple produit serait parfaitement régulier, sans variations. Mais dans le monde réel, il existe une variété de facteurs qui font que le couple de sortie est irrégulier, même si ce n'est que dans une faible mesure. Cette fluctuation périodique du couple de sortie d'un moteur sous tension est appelée "ondulation du couple".

Mathématiquement, l'ondulation du couple est définie comme la différence entre le couple maximum et minimum produit sur une révolution mécanique du moteur, divisée par le couple moyen produit sur une révolution, exprimée en pourcentage.

Dans les applications de mouvement linéaire, l'ondulation du couple a pour principal effet de rendre le mouvement incohérent. Et comme le couple moteur est nécessaire pour accélérer un axe à une vitesse donnée, l'ondulation du couple peut provoquer une ondulation de la vitesse, ou un mouvement "saccadé". Dans des applications telles que l'usinage et la distribution, ce mouvement incohérent peut avoir un effet significatif sur le processus ou le produit final, comme des variations visibles dans les modèles d'usinage ou dans l'épaisseur des adhésifs distribués. Dans d'autres applications, telles que la prise et le placement, l'ondulation du couple et la régularité du mouvement peuvent ne pas être un problème de performance critique. Et ce, à moins que la rugosité ne soit suffisamment importante pour provoquer des vibrations ou un bruit audible, surtout si les vibrations excitent des résonances dans d'autres parties du système.

La quantité d'ondulation du couple produite par un moteur dépend de deux facteurs principaux : la construction du moteur et sa méthode de commande.

Construction du moteur et couple d'entraînement

Les moteurs qui utilisent des aimants permanents dans leurs rotors - tels que les moteurs à courant continu sans balais, les moteurs pas à pas et les moteurs à courant alternatif synchrones - subissent un phénomène connu sous le nom de couple de cogging. Le couple de cogging (souvent appelé couple de détente dans le contexte des moteurs pas à pas) est causé par l'attraction du rotor et des dents du stator à certaines positions du rotor.

Bien qu'il soit généralement associé aux "encoches" que l'on peut ressentir lorsqu'un moteur non alimenté est tourné à la main, le couple de cogging est également présent lorsque le moteur est alimenté, auquel cas il contribue à l'ondulation du couple du moteur, en particulier pendant le fonctionnement à faible vitesse.

Il existe des moyens d'atténuer le couple de cognement et la production inégale de couple qui en résulte - en optimisant le nombre de pôles et de fentes magnétiques, et en inclinant ou en façonnant les aimants et les fentes pour créer un chevauchement d'une position de détente à la suivante. Un type plus récent de moteur à courant continu sans balais - le modèle sans encoches ou sans noyau - élimine le couple d'accrochage (mais pas l'ondulation du couple) en utilisant un noyau de stator enroulé, de sorte qu'il n'y a pas de dents dans le stator pour créer des forces périodiques d'attraction et de répulsion avec les aimants du rotor.

Commutation du moteur et ondulation du couple

Les moteurs à courant continu sans balais à aimants permanents (BLDC) et les moteurs à courant alternatif synchrones sont souvent différenciés par la façon dont leurs stators sont enroulés et la méthode de commutation qu'ils utilisent. Les moteurs AC synchrones à aimants permanents ont des stators bobinés de manière sinusoïdale et utilisent une commutation sinusoïdale. Cela signifie que le courant du moteur est contrôlé en permanence, de sorte que le couple de sortie reste très constant avec une faible ondulation du couple.

Pour les applications de contrôle du mouvement, les moteurs à courant alternatif à aimants permanents (PMAC) peuvent utiliser une méthode de contrôle plus avancée connue sous le nom de contrôle orienté vers le champ (FOC). Avec la commande orientée champ, le courant dans chaque enroulement est mesuré et contrôlé indépendamment, de sorte que l'ondulation du couple est encore plus réduite. Avec cette méthode, la largeur de bande de la boucle de contrôle du courant et la résolution du dispositif de rétroaction ont également une incidence sur la qualité de la production du couple et sur la quantité d'ondulation du couple. De plus, des algorithmes de servocommande avancés peuvent encore réduire, voire éliminer, l'ondulation du couple pour les applications extrêmement sensibles.

Contrairement aux moteurs PMAC, les moteurs CC sans balais ont des stators à enroulement trapézoïdal et utilisent généralement une commutation trapézoïdale. Avec la commutation trapézoïdale, trois capteurs Hall fournissent des informations sur la position du rotor tous les 60 degrés électriques. Cela signifie que le courant est appliqué aux enroulements selon une forme d'onde carrée, avec six "étapes" par cycle électrique du moteur. Mais le courant dans les enroulements ne peut pas augmenter (ou diminuer) instantanément en raison de l'inductance des enroulements, de sorte que des variations de couple se produisent à chaque étape, ou tous les 60 degrés électriques.

Comme la fréquence de l'ondulation du couple est proportionnelle à la vitesse de rotation du moteur, à des vitesses plus élevées, l'inertie du moteur et de la charge peut servir à lisser les effets de ce couple irrégulier. Les méthodes mécaniques pour réduire l'ondulation du couple dans les moteurs BLDC comprennent l'augmentation du nombre d'enroulements dans le stator ou du nombre de pôles dans le rotor. Et les moteurs BLDC - comme les moteurs PMAC - peuvent utiliser une commande sinusoïdale ou même une commande orientée champ pour améliorer la régularité de la production du couple, bien que ces méthodes augmentent le coût et la complexité du système.