Les servovariateurs au cœur du contrôle des mouvements

Des solutions toujours plus rapides, plus précises, moins chères et plus compactes

Un servovariateur contrôle le mouvement d'un servomoteur (y compris les moteurs linéaires et les moteurs à entraînement direct) en contrôlant très précisément la vitesse, la position et le couple. Il constitue donc le cœur de toute application d'entraînement avancée, contribuant à une production rapide et sans erreur, ainsi qu'à la durabilité du processus de fabrication. Les tendances en matière de capteurs, de puissance de calcul et d'IA permettent des applications toujours plus précises et plus rapides et contribuent à réduire l'empreinte écologique et à assurer une maintenance prédictive.

Ing. Marjolein de Wit-Blok - 20 août 2025

Des mouvements précis, dynamiques et coordonnés

Le fonctionnement d'un servocontrôleur repose sur la comparaison d'un certain signal de consigne, tel qu'une position, une vitesse ou un couple souhaités, avec la valeur réelle actuelle du moteur. Cette valeur réelle est détectée par des capteurs tels que des encodeurs ou des résolveurs.

Le contrôleur calcule ensuite la différence entre ces valeurs, appelée erreur de commande, et la traite à l'aide d'un algorithme de commande. Sur cette base, il génère un signal de commande qui pilote le moteur afin de minimiser l'écart. Ce processus de contrôle est continu, ce qui permet au moteur de réagir de manière dynamique et précise aux changements.

Grâce à ces caractéristiques, les servomoteurs sont utilisés dans toutes les applications nécessitant des mouvements précis, dynamiques et coordonnés. Pensez aux machines d'emballage, de textile et d'impression, aux systèmes robotiques ou aux systèmes de transport, mais aussi aux machines à commande numérique ou aux systèmes de stabilisation de caméras.

Contrôle de mouvement multi-axes

Précision à un ou plusieurs axes? La demande de mouvements dynamiques et synchrones - contrôle de mouvement multi-axes - est en augmentation. Grâce aux CAM électroniques et aux engrenages, les synchronisations qui étaient auparavant effectuées mécaniquement peuvent désormais être réalisées avec précision et souplesse grâce à des systèmes servo électriques.

Cela présente des avantages. En effet, les mouvements synchrones permettent d'accélérer les processus de production et de réduire les temps d'usinage. L'intégration de plusieurs axes dans un système permet également d'améliorer l'efficacité de l'alimentation en énergie, ce qui réduit notamment l'empreinte écologique. Les servocommandes MIMO (Multiple Input Multiple Output) sont également de plus en plus utilisées dans les systèmes mécatroniques complexes, ce qui offre une plus grande liberté dans la conception des machines.

Grâce aux CAM électroniques et aux engrenages, les synchronisations qui étaient auparavant effectuées mécaniquement peuvent désormais être réalisées avec précision et souplesse grâce à des systèmes de servocommande électriques

Toutefois, cette tendance exige beaucoup du servocontrôleur, notamment une vitesse de traitement élevée, un traitement précis du retour d'information, une communication en temps réel, des bibliothèques de mouvements flexibles pour les profils CAM, des engrenages électroniques, des événements et des mouvements séquentiels, ainsi qu'un réglage stable.

Architectures de systèmes étendues

Les servomoteurs s'intègrent ainsi parfaitement dans les architectures de systèmes plus larges. Dans ces dernières, les composants ont depuis longtemps cessé d'être une 'boîte noire' et constituent de plus en plus un élément stratégique de l'architecture globale du système. Ils constituent en quelque sorte l'interface entre la commande de la machine et la mécanique, traduisent les commandes numériques en tension et en courant et, dans une architecture de commande décentralisée, possèdent également une forme d'intelligence.

Par exemple, un système de contrôle de mouvement, la génération de profils de mouvement, une capacité de programmation flexible (fonctions PLC), des fonctions de sécurité, des options IO et éventuellement un système de bus pour la communication externe tel que CANOpen, ProfiNet, Ethernet et VARAN.

Dans la commande décentralisée, les fonctions de mouvement sont exécutées localement dans le contrôleur, tandis que l'automate central se concentre sur la logique du processus. Cela permet d'obtenir des machines plus rapides et plus modulaires. Dans une architecture de commande centralisée, le servomoteur est souvent moins intelligent, mais il offre les fonctions de sécurité nécessaires et un certain nombre de canaux d'E/S.

Fonctions de sécurité
La génération actuelle de servocontrôleurs dispose d'un grand nombre de fonctions de sécurité. Une vue d'ensemble est donnée ci-dessous. Les exigences de l'utilisateur final découlent souvent d'une analyse des risques dans le cadre de la directive sur les machines.

Les servocontrôleurs modernes intègrent des fonctions de base telles que:
- l'arrêt sécurisé du couple (STO)
- Arrêt sécurisé (SS1/SS2)
- Contrôle de freinage sécurisé (SBC); ces fonctions ne sont pas toutes disponibles en standard; elles sont parfois proposées en option.

Fonctions avancées de sécurité de la machine qui nécessitent également une fonction de sécurité dans les servomoteurs, telles que:
- Arrêt de sécurité (SOS)
- Vitesse limitée en toute sécurité (SLS)
- Surveillance de la vitesse en toute sécurité (SSM)
- Direction sûre (SDI)
- Incrément limité en toute sécurité (SLI)
- Accélération limitée sûre (SLA)
- Accélération limitée sûre (SLA)

Les utilisateurs finaux exigent des temps de redémarrage courts, des temps d'arrêt minimaux lors des arrêts de sécurité et une intégration dans leur concept de sécurité existant.

Dans ce cas, la génération du profil de mouvement est hébergée dans la commande centrale, tandis que la commande elle-même est assurée par un système de mouvement souple qui communique avec la commande centrale. Cela se fait via des bus de terrain basés sur Ethernet et des normes de communication ouvertes. Cette forme favorise l'évolutivité et la modularité, mais aussi la conception, la mise en service et la maintenance des machines.

Dans les deux cas, un aspect de plus en plus important est la cybersécurité. La bonne stratégie devrait empêcher les manipulations et les accès non désirés, ce qui, à l'heure actuelle, est un facteur crucial pour éviter les temps d'arrêt et garantir la disponibilité des installations.

Industrie intelligente

L'accent est mis en particulier sur l'industrie intelligente ou l'industrie 4.0, où l'intégration de l'internet industriel des objets (IIoT) est centrale. Les développements dans ce domaine sont soutenus par divers capteurs et l'intelligence actuelle. Grâce à cela, la qualité de contrôle des servovariateurs peut être améliorée et même de nouvelles fonctions peuvent être remplies, y compris le contrôle adaptatif de la charge.

Le servovariateur moderne est donc parfaitement adapté pour être appliqué dans le cadre du concept Industrie 4.0. Grâce à des systèmes de bus modernes, l'onduleur est connecté numériquement au contrôleur central. Ces connexions permettent de lire en temps réel des données telles que la charge, la température et la performance.

Ces informations sont précieuses pour les opérateurs et les équipes de maintenance afin de mieux planifier la maintenance et d'améliorer la disponibilité des machines (analyses OEE). Elles peuvent également être utilisées pour la maintenance conditionnelle et les mises à jour et configurations à distance. En outre, les données peuvent être utilisées pour l'analyse au niveau du système, par exemple via l'informatique de pointe ou les plateformes en nuage.

Un autre point fort est l'utilisation de servocontrôleurs pour améliorer l'efficacité de l'ingénierie: grâce à des fonctions telles que l'autoréglage de la cascade de contrôle et des modules logiciels spécifiques, les machines peuvent être développées et mises en service plus rapidement. Cela permet de réduire considérablement le délai de mise sur le marché.

Tendances et développements

Comme l'a souligné l'une des personnes interrogées, "je travaille dans ce secteur depuis 30 ans et les évolutions se poursuivent: les systèmes deviennent plus rapides, plus précis, moins chers et plus compacts. En outre, ils sont plus intelligents, ce qui facilite leur mise en service (auto-apprentissage) et leur intégration dans des systèmes complexes."

En effet, cette constatation se reflète dans un large éventail de tendances et d'évolutions. Les dernières innovations techniques se concentrent sur l'amélioration des performances (comportement dynamique, précision, etc.), une plus grande flexibilité et des fonctionnalités intelligentes.

Parmi les exemples, citons: des protocoles de communication plus rapides entre le contrôleur de mouvement et le servovariateur, des fonctions de sécurité intégrées (voir également l'encadré) et des fréquences de commutation PWM plus élevées de l'étage de sortie permettant, entre autres, un meilleur contrôle du courant. Les fonctions de maintenance prédictive sont également considérées comme intelligentes; elles comprennent la modélisation thermique et l'analyse des vibrations dans l'entraînement.

De nombreuses 'améliorations des performances' reposent sur l'augmentation de la puissance de calcul et de l'intelligence propre (contrôle de mouvement intégré). Cela permet à l'onduleur de prendre ses propres décisions plus rapidement et de réduire la dépendance à l'égard du contrôleur central. Pour les applications plus petites, les variantes programmables peuvent parfois même être utilisées de manière autonome sans commande centrale, ce qui présente des avantages pour les applications critiques en termes de temps, entre autres.

En outre, la tendance est de rendre les contrôleurs de plus en plus compacts, ce qui se traduit par une densité de puissance plus élevée. Il est également possible d'utiliser des codeurs à rétroaction absolue à haute résolution; une solution à câble unique où l'alimentation du moteur et la rétroaction passent par un seul câble. La communication en temps réel est également mentionnée pour une bonne intégration avec les PLC et les HMI.

L'avenir

L'intégration des variateurs et des moteurs devrait se poursuivre à l'avenir. D'ores et déjà, les moteurs sont 'intelligents' grâce à un encodeur numérique qui contient toutes les informations relatives au moteur en question. Dans le contexte de l'intelligence, presque tout le monde mentionne également l'utilisation accrue de l'IA pour l'optimisation des machines et des processus.

Mais aussi pour le développement de logiciels permettant la mise en service des entraînements; la programmation difficile n'est pratiquement plus nécessaire. L'intelligence est également utilisée pour réduire les coûts en matière de maintenance, de consommation d'énergie et de durabilité. À cette fin, les données du contrôleur sont analysées et converties en informations nécessaires selon divers algorithmes. Cela permet par exemple de déterminer que la charge d'un entraînement augmente au fil du temps alors que l'application reste la même. Cela peut être le signe d'une lubrification insuffisante ou d'une usure.

Enfin, le déploiement d'un 'jumeau numérique' est également mentionné comme une perspective d'avenir importante. Cette copie numérique de la réalité permet de simuler et d'optimiser le fonctionnement d'une machine avant même qu'un seul composant n'ait été acheté ou transformé. Les servocommandes s'intègrent également dans ces modèles numériques et peuvent ainsi être adaptées à l'application visée.

Une conclusion finale importante est que non seulement les performances des servocontrôleurs se sont améliorées ces dernières années grâce à une plus grande puissance de calcul et à l'IA, entre autres. En outre, les données collectées par le contrôleur peuvent être utilisées à des fins plus importantes, notamment l'optimisation des processus, la durabilité (réduction de la consommation d'énergie et de ressources) et la maintenance prédictive.

En collaboration avec ATB Automation, Festo, Lenze, Nidec, Parker, Schneider, SEW, Siemens, SigmaControl et VarioDrive