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République Algérienne démocratique et populaire
Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche
scientifique
Centre universitaire de Relizane
Faculté des Sciences et Technologie
Département de Génie Electrique
Cours Actionneurs
L3 licence
AUTOMATIQUE
Enseignant :
Mr : Mostefa Tounsi
Mahmoud
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Plan de cours
I. Introduction générale et généralités sur les capteurs
II. Les Actionneurs
• Définitions et généralités • Actionneurs Électromécaniques
• Actionneurs Piézoélectrique
• Actionneurs Hydrauliques et pneumatiques
• Actionneurs tout ou Rien (Pré actionneurs).
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Références bibliographiques
1- Georges Asch et Collaborateurs, Les capteurs en instrumentation industrielle, Dunod 1998.
2- Ian R. Sintclair, Sensors and transducers, NEWNES 2001.
3- J. G. Webster, Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook, Taylor & Francis Ltd
http://www.4shared.com/file/67217379/8b969544/The_Measurement_Instrumentation_and_Sensors_Handbook CRC_Press_.html
4- G. Lacroux, Les actionneurs électriques pour la robotique et les asservissements, Lavoisier 1994.
5- Capteurs et instrumentation, http://www.icampus.ucl.ac.be/claroline/course/index.php?cid=ELEC2811
6- Tous les livres de machines électriques linéaires ou tournantes.
7- http://pagesperso-orange.fr/michel.hubin/
8-COURS DE CAPTEURS ET ACTIONNEURS. Dr Bessaid Samir . université de BOUIRA
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I- Introduction
L’actionneur est l’élément qui actionne le système à contrôler pour l’amener d’un état donné vers
l’état souhaité. Il travaille souvent à puissance élevée. Les signaux de commandes sont en général
faibles et servent à exciter des systèmes de puissances. Par exemple, le signal de commande qui agit
sur une électrovanne est faible mais qui permet de libérer beaucoup d’énergie qui permet d’augmenter
ou de diminuer le débit d’eau chaude. Il s’agit souvent de moteurs.
II. Généralités sur les capteurs
Pour obtenir une image d’une grandeur physique, on fait appel à une chaîne de mesure qui peut faire
intervenir plusieurs phénomènes différents. Par exemple, la mesure d’un débit peut se faire en plusieurs
étapes :
transformation du débit en une pression différentielle,
transformation de la pression différentielle en la déformation mécanique d’une membrane,
transformation de la déformation mécanique en une grandeur électrique (à l’aide d’un piézo-
électrique) via un circuit électronique associé.
L’ensemble de ces étapes constitue la chaîne de mesure.
Les capteurs et actionneurs sont des éléments qui peuvent se trouver à la fois
dans les systèmes à boucle ouverte et les systèmes à boucle fermée.
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De manière classique, la sortie d’une chaîne de mesure est du type électrique. Si la chaîne de mesure fait
intervenir plusieurs transducteurs, le corps d’épreuve est celui qui est en contact direct avec le mesurande.
Le dernier transducteur (capteur) est associé à un conditionneur qui fournit la grandeur électrique de
sortie de manière exploitable. Le choix de ce conditionneur est une étape importante dans le cadre de la
chaîne de mesure car, associé au capteur, il détermine la nature finale du signal électrique et va influencer
les performances de la mesure.
Classifications des capteurs
On peut classifier les capteurs sur la base de consommation ou pas de l’énergie. Dans ce cas on pourrait les
classifier en deux catégories : capteurs actifs ou passifs
a- Capteurs actifs
Fonctionnant en générateur, un capteur actif est généralement fondé dans son principe sur un effet
physique qui assure la conversion en énergie électrique de la forme d'énergie propre à la grandeur physique
à prélever, énergie thermique, mécanique ou de rayonnement.
Donc, un capteur actif produit lui-même le signal de sortie électrique par conversion de l’énergie fournie
par la grandeur d’entrée ou de ses variations.
On peut schématiser (figure ci-dessous) ce type de capteur par un bloc possédant un accès « physique » et
une accès « signal ».
-Effet thermoélectrique : c’est le principe de tout thermocouple
- Pyroélectricité
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)
-Effet d'induction électromagnétique (Loi de Faraday):
-Effet photoélectrique : sous l’influence d’un rayonnement lumineux, le matériau libère des
charges électriques et celles-ci en fonction du rayonnement.
- Effet Hall : un semi-conducteur de type parallélépipède rectangle, placé dans une induction B et
parcouru par un courant I, voit l’apparition, dans la direction perpendiculaire au courant et à
l’induction, d’une différence de potentiel qui a pour expression :
b- Capteurs passifs :
Il s'agit généralement d'impédance dont l'un des paramètres déterminants est sensible à la grandeur
mesurée. La variation d'impédance résulte :
a) b)
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L'impédance d'un capteur passif et ses variations ne sont mesurables qu'en intégrant le capteur dans un
circuit de conditionnement électronique qui permet son alimentation et l’adaptation du signal à la sortie
Remarque : On peut également classer les capteurs, en fonction du type de grandeurs physiques à
mesurer, en 6 familles :
- Capteurs Mécaniques : déplacement, force, masse, débit etc…
- Capteurs Thermiques : température, capacité thermique, flux thermique etc...
- Capteurs Electriques : courant, tension, charge, impédance, diélectrique etc…
- Capteurs Magnétiques : champ magnétique, perméabilité, moment magnétique etc…
- Capteurs Radiatifs : lumière visible, rayons X, micro-ondes etc...
- Capteurs Bio/Chimique : humidité, gaz, sucre, hormone etc…
La sensibilité
La sensibilité d’un capteur représente le rapport de la variation du signal de sortie à la variation du
signal d’entrée, pour une mesure donnée. C’est donc la pente de la courbe de réponse de ce capteur,
i.e. :
Si le capteur est linéaire
Si le capteur est non linéaire
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La finesse : C’est la qualité d’un capteur à ne pas venir modifier par sa présence la grandeur à mesurer.
La linéarité : La linéarité est une caractéristique qui définit la constance de la sensibilité sur toute la plage de mesure
Linéarisation de la caractéristique et domaine de linéarité
L’équation décrivant la relation entre le signal d’entrée x et le signal de sortie y doit être de premier ordre (y = ax+b) pour
que le capteur soit linéaire
La rapidité :
La rapidité indique l’aptitude d’un capteur à suivre dans le temps les variations de la grandeur
physique à mesurer. En effet, il faut toujours un certain temps pour qu’un changement du signal à
l’entrée soit perçu à la sortie. On l’exprime de l’une des trois façons suivantes :
Le temps de réponse (ou constante de temps);
La bande passante du capteur;
La fréquence de coupure (ou fréquence propre).
Le temps de réponse représente le temps qu’il faut au capteur pour que sa sortie soit à moins d’un certain
écart en pourcentage de la valeur finale, lorsque le mesurande (l’entrée) est soumis à une variation brusque
de type échelon. Comme le temps de réponse dépend du pourcentage d’écart.
L’hystérisis
Un système présente une hystérésis lorsque la grandeur de sortie ne dépend pas uniquement de la
valeur du mesurande, mais aussi de la façon dont elle a été atteinte.
L’hystérésis est définie par l’amplitude de l’écart maximum exprimé en pourcentage de l’étendue de
mesure
b) a)
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L’hystérésis peut être de nature mécanique ou électrique. En mécanique, l’hystérésis est associée aux
phénomènes de frottement sec et de jeu dans un mécanisme. En électrique, l’hystérésis est associée à
des phénomènes de polarisation mécanique ou électrique.
La précision :
La précision est un des paramètres les plus importants d’un système de mesure. Elle permet d’évaluer
la qualité de mesure en donnant l’idée de l’ampleur de l’erreur affectant la mesure. La précision fait
appel à la notion de fidélité et de justesse, puisqu’un capteur précis est juste et fidèle.
La fidélité :
La fidélité d’un capteur correspond à l’écart type d’un ensemble de mesures faites pour un
mesurande donné. Plus l’écart type est élevé, moins le capteur est fidèle. La fidélité représente
donc les incertitudes de mesures d’un capteur. Elle dépend des erreurs aléatoires (exemple:
bruit électromagnétique).
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La justesse :
La justesse d’un capteur correspond à la différence entre la valeur moyenne d’un ensemble de
mesures faites pour un mesurande donné et celui‐ci. La justesse représente
Capteurs de température
Transmission d’énergie thermique
Dans le contact thermique entre le capteur et l’objet, 3 phénomènes entrent en jeu: la conduction; la convection et
le rayonnement.
Conduction thermique: exprimé par l’équation de Fourier,
Q kA T T
cond x
1 2
chaud 1
vec, Q est la quantité d’énergie thermique, k = conduction thermique W/(m.k), A = Section (m²) et x
= épaisseur d’une couche (m).
Convection thermique :
Qconv hAT T1
Avec, h = constante de convection W/(m².k), A = Section (m²).
Rayonnement thermique :
Qrad A F T
4 T
4
Avec, σ = constante de Stefan-Boltzmann 5.55x10-8 W/(m².k4); = émissivitée; F = « view factor »
Capteurs avec contact :
II-3-3-1 Couples thermoélectriques (thermocouple)
a- Principe : Lorsque deux conducteurs de métaux différents sont connectés ensembles en 2 points, et que
ces jonctions sont à des températures différentes, une F.E.M. apparaît, c’est l’effet Seebeck.
FEM
Comme la F.E.M. dépend de la différence de température entre les 2 jonctions, il faut s'assurer de
connaître la température de l'une d'entre elle pour déduire la température de l'autre.
La jonction dont la température est connue est dite "jonction de référence".
Soudure froide
Soudure
chaude
Méthode de mesure de la FEM (exemple type J) :
j
• Les 3 jonctions génèrent une tension.
• Donc Vmesurée = V1 +V3 -V2
• Rien ne garanti que les jonctions 2 et 3 sont à la même température.
Solution :
j
• Le bloc isothermique maintient les jonctions 2 et 3 à la même température.
• Loi des métaux intermédiaires.
• Donc Vmesurée = V1-VREF avec VREF =V2 -V3
Jonction #3
Voltmètre
(CUIVRE) + V3 -
+ V2 -
Métal A: Fer Jonction #1
+
V 1
T Métal B: Constantan
-
Jonction #2
Jonction #3 Jonction #1
Cu Métal A: Fer
+ V3 - +
Bloc Isothermique V1
Cu + V - 2
Métal B: Constantan -
Jonction #2
T
Voltmètre
(CUIVRE)
Compensation software
La compensation hardware nécessite l’utiliser un pont de résistances avec source de tension et RTD sur
bloc isothermique.
Compensation hardware
Thermomètres à résistance métallique (RTD)
Le fonctionnement des thermomètres à résistance est basé sur un phénomène physique, à savoir la
variation de la résistance électrique d'un conducteur avec la température.
La résistance R d'un conducteur varie avec la température.
R ƍ l A
avec d’où R o 1 T l A
II- Capteurs II-3 Capteurs de température
Autrement : Lorsque la température varie on a : R = R0 (1 + T + b T2 + c T3 + …) Plus connue pour
nous comme : R = R0 (1 + T)
Métal Résistivité à 0 °C Point de fusion Domaine d'emploi
R100/R0 µ.cm °C °C
Cuivre 7 1083 -190 à +150 1,427
Nickel 6,38 1453 -60 à +180 1,672
Platine 9,81 1769 -250 à +1100 1,392
Indium 9 153 -269 à +27
Matériaux typiques
Montage et caractéristique
Thermistance
Une thermistance est un agglomérat d'oxydes métalliques frittés, c'est-à-dire rendus compacts par haute
pression exercée à température élevée, de l'ordre de 150 bars et 1000 °C.
II- Capteurs
CTP
Caractéristiques d’une thermistance en fonction du signe du coefficient de température (positif CTP ou négatif CTN)
La loi de variation est de la forme :
b
R aeT
CTN
Capteurs
Capteur de position, de proximité et de déplacement
Un capteur de position est un élément de mesure ayant un contact avec l’objet dont on doit vérifier s’il
occupe une position donnée. Une seule technologie est utilisée, ce sont les interrupteurs de fin de course.
Un capteur de proximité est un élément de mesure détectant si un objet est présent à proximité sans avoir
de contact avec l’objet. La détection s’opère par des effets physiques que l’objet peut produire sur le
détecteur, sans contact. Il existe 4 technologies :
capteur de proximité inductif : l’objet est détecté par ses effets sur un champ magnétique émis par
le détecteur.
capteur de proximité capacitif : l’objet est détecté par ses effets sur un champ électrique émis par
le détecteur.
caplteur de proximité photoélectrique : l’objet est détecté par ses effets sur un faisceau de
radiations optiques.
capteur de proximité ultrasonique : l’objet est détecté par ses effets sur une onde ultrasonique
émise par le détecteur.
Capteurs
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Capteur de position (Interrupteur de fin de course)
Un capteur de position est un détecteur connu sous le nom d’interrupteur de fin de course. Puisque c’est
un détecteur, par définition il fournit en sortie un signal logique évoluant entre deux états (tout ou rien).
L’interrupteur de fin de course exige un contact avec l’objet à détecter. Ce contact à lieu au niveau de
l’organe de commande. Divers organes de commande sont disponibles sur le marché, pour s’adapter aux
divers objets que le capteur doit pouvoir détecter. Ce choix est important, car un mauvais choix d’organe
de commande peut entraîner des dommages sur l’objet à détecter et/ou l’interrupteur de fin de course.
Capteur de fin de course capteur de fin de course avec organe de commande
Capteur de proximité a-
Capteur inductif
Le capteur de proximité inductif détecte tout objet qui a un effet sur un champ magnétique. Donc, le
détecteur de proximité inductif détectera uniquement des objets métalliques. Tout objet non‐métallique
ne sera pas détecté.
Capteur de proximité inductif
Capteurs
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Ce détecteur comporte un circuit oscillateur qui envoie une tension alternative dans une bobine localisée
au bout du capteur.
Schéma de principe d’un détecteur de proximité inductif (Turk inc)
Un champ magnétique alternatif est émis au bout du capteur. Si un objet métallique se présente dans ce
champ magnétique, il y aura apparition d’un courant induit, dit courant de Foucault (les anglophones le
désignent sous le nom de d’Eddy currents). Le courant de Foucault qui apparaît dans l’objet métallique
prélève de l’énergie au circuit oscillateur. L’amplitude et la fréquence de l’oscillateur change lorsqu’un
objet est présent. Plus l’objet est près, plus l’amplitude diminue.
À partir de la réponse de l’oscillateur, une tension de sortie est obtenue via l’électronique de détection.
Les niveaux de commutation (on‐off et off‐on) sont décalés pour éviter une oscillation de la sortie
lorsque le signal est près des seuils de commutation.
Fonctionnement d'un capteur de proximité inductif
Capteurs
44
.
Capteurs
45
.
Capteurs
46
capteurs de proximité capacitifs
Le capteur de proximité capacitif détecte tout objet qui a un effet sur un champ électrique. Donc, le
capteur de proximité capacitif détectera les objets, dont la constante diélectrique relative est suffisamment
différente de celle de l’air et des objets métalliques qui viennent modifier la géométrie du champ
électrique.
Capteur de proximité capacitif (source : directindustry.fr)
Tout comme les capteurs de proximité inductifs, les capteurs de proximité capacitifs ont aussi un circuit
oscillateur. Mais, cette fois‐ci, c’est un champ électrique qui est émis par la face sensible du capteur.
Lorsqu’une cible s’approche de la face sensible, sa présence affecte l’intensité du champ électrique et la
capacitance du condensateur formé par les plaques du détecteur.
Schéma de principe d'un capteur de proximité capactif
Une oscillation apparait en sortie de l’oscillateur lorsque la cible est présente, et cela est utilisé pour
générer un signal de sortie logique indiquant la détection ou la non‐détection d’un objet.
Dans le cas d’un objet non‐métallique, la principale voie de détection est via le changement de la
constante diélectrique du milieu présent dans le champ électrique du condensateur. Par exemple, pour un
condensateur constitué de deux plaques conductrices, la capacitance est :
C A
d
En variant la constante diélectrique ε, cela change la capacitance.
Capteurs
47
Champ de compensation
.
Résumé :Les caractéristiques des capteurs de proximité capactifs sont :
Ils détectent tous les matériaux.
Ces capteurs peuvent être très sensibles pour détecter une cible.
Toutefois, ils sont aussi sensibles aux variations de l’environnement, i.e., les variations de
température et d’humidité. Ces deux paramètres changent sensiblement la constante diélectrique.
La portée de ces capteurs est de l’ordre de quelques centimètres.
b- Capteur de proximité photoélectrique
Capteur de proximité photoélectrique en action
Les capteurs de proximité photoélectriques permettent la détection d’une cible qui affecte la trajectoire
d’un faisceau lumineux.
Capteurs
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Un détecteur de proximité photoélectrique exige un émetteur et un récepteur à rayonnement lumineux.
L’émetteur assure d’avoir un signal lumineux que le récepteur pourra distinguer de l’ensemble des
signaux lumineux (éclairage, soleil, …) qu’il reçoit.
L’émetteur comprend un oscillateur dont le but est d’envoyer un train d’onde carrée à la diode
électroluminescente (DEL). La DEL émet un signal lumineux oscillant dont la fréquence est de quelques
kilohertz. C’est grâce à cette fréquence particulière que le récepteur sera en mesure de distinguer ce signal
lumineux dans l’ensemble du rayonnement lumineux reçu par le récepteur.
Émetteur et récepteur d'un détecteur de proximité photoélectrique
Le phototransistor du récepteur capte la lumière et elle est amplifiée pour pouvoir détecter plus facilement
le signal lumineux en provenance de l’émetteur. Le démodulateur extrait le signal du l’émetteur, si
celui‐ci est détecté. Il peut ne pas être détecté, soit parce qu’un obstacle bloque le passage du signal
lumineux, soit parce que le signal lumineux est noyé dans l’ensemble des signaux lumineux reçu par le
récepteur.
Les DEL utilisés dans l’émetteur émettent dans la bande de 600 à 700 nanomètres pour les DEL rouges et
dans la bande de 850 à 950 nanomètres pour les DEL infrarouges.
Il existe plusieurs configurations possibles pour les détecteurs de proximité photoélectriques :
La méthode de la barrière;
La méthode rétro‐réflective;
La méthode diffuse;
La méthode convergente;
La méthode du champ fixe;
La méthode spéculaire.
Méthode de la barrière :
La méthode de la barrière consiste à mettre l’émetteur et le récepteur face à face. En l’absence d’objet, le
faisceau envoyé par l’émetteur est reçu par le récepteur. Lorsqu’un objet se présente, il coupe le faisceau
et le récepteur ne reçoit plus de lumière. La coupure du faisceau lumineux par l’objet provoque donc sa
détection.
Ce système permet des portées (distance émetteur/récepteur) jusqu’à 200 mètres (700 pieds).
Capteurs
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Méthode rétro-réflective :
La méthode de la barrière implique d’avoir un récepteur et un émetteur localisés à deux emplacements
différents, avec le câblage nécessaire allant à ces deux endroits. Une approche qui évite ces problèmes,
c’est la méthode rétro-réflective. L’émetteur et le récepteur sont montés dans le même boîtier et un
réflecteur est utilisé pour retourner le faisceau vers le récepteur. Comme la méthode de la barrière, si le
faisceau n’est pas obstrué par un objet alors le faisceau lumineux réfléchit est détecté par le récepteur.
Lorsque l’objet coupe le faisceau le récepteur ne le reçoit plus et l’objet est détecté.
La portée de détecteurs utilisant la méthode rétro-réflective peut aller jusqu’à environ 23 mètres.
Méthode diffuse :
Lorsque l’objet est très réfléchissant, cela provoque des problèmes avec la méthode rétro-réflective.
Toutefois, si l’objet est réfléchissant, on peut l’utiliser comme «miroir» pour réfléchir le faisceau
lumineux de l’émetteur vers le récepteur. Cela correspond à une méthode dite méthode diffuse. La portée
est beaucoup plus faible qu’avec les deux méthodes abordées précédemment, elle est d’environ 1.8 mètre
maximum. La portée dépend du niveau de réflectivité de la surface de l’objet. Idéalement, il faudrait que
la normale de la surface de l’objet pointe vers le capteur pour maximiser la portée et faciliter la détection.
La portée sera affectée par le niveau de réflectivité de l’objet. Plus la réflectivité de l’objet est faible,
moins il réfléchira de lumière vers le détecteur et plus l’objet sera difficile à détecter.
Méthode convergente :
La méthode convergente s’applique bien aux objets translucides. Le capteur détecte l’objet lorsqu’il est
aux environs du point focal, i.e., dans la zone de détection correspondant à la profondeur de champ du
capteur.
La portée de ce type de détecteur est de 150 millimètres (6 pouces) maximum.
Méthode de la barrière
Méthode rétro‐réflective
Capteurs
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Méthode du champfixe :
La méthode du champ fixe s’applique bien aux objets minces, ou encore lorsque l’arrière plan peut
perturber la détection de l’objet parce que proche. Le récepteur est équipé de deux détecteurs, l’un
détectant les objets près du capteur, l’autre détectant les objets loin du capteur. Il y a donc une distance
(cutoff distance) à partir de laquelle on considère l’objet trop loin. Il n’est donc pas détecté au delà de
cette distance. À une distance moindre, si l’objet est dans la zone de détection, il sera détecté puisque le
détecteur R1 est celui qui recevra la majorité de la lumière réfléchie.
La portée est de 400 millimètres.
Méthode spéculaire :
La méthode spéculaire permet de détecter un objet mat (comme du tissu) sur une surface réfléchissante.
La portée est de 400 millimètres maximum.
c- Capteurs de proximité ultrasoniques
Les capteurs de proximité ultrasoniques permettent la détection d’un objet, indépendamment de la matière
qui le compose, sa couleur, et sa transparence. Ce détecteur est relativement robuste et fiable dans un
environnement industriel.
Capteur de proximité ultrasonique
Capteurs
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Capteurs de déplacement
Il en existe deux grandes familles de capteurs de déplacement : les capteurs résistifs et les capteurs
inductifs.
a- Capteur de déplacement résistif
Il est représenté par les potentiomètres. Les capteurs de déplacement à potentiomètre permettent d’obtenir
une mesure analogique de la distance. La distance est proportionnelle à la valeur de la résistance du
potentiomètre. Les potentiomètres permettent des mesures de distances angulaires ou linéaires. Dans ce
dernier cas, la mesure est faire par un potentiomètre de précision monté sur un système de poulies et un
ressort de rappel, ce qui donne accès à une étendue de mesure pouvant aller jusqu’à 20 pieds (environ 6
mètres). Ce peut être aussi un potentiomètre linéaire, mais dans ce cas, les portées sont beaucoup plus
limitées.
Schéma de principe d’un capteur de déplacement à potentiomètre Capteurs de déplacement à potentiomètre linéaires
Pour mesurer l’impédance du potentiomètre, il faut appliquer une tension d’excitation, au capteur. Dans le
cas du montage le plus simple, constitué seulement d’un potentiomètre. La tension d’excitation VCC est
appliquée entre les entrées +In et Com. La distance mesurée x est déduite par la mesure de la tension de
sortie Vs entre les sorties +Out et Com.
Le potentiomètre agit comme un diviseur de tension et la tension de sortie Vs sera :
avec RPot la résistance totale du potentiomètre et la résistance correspondant à la distance x :
Rx = RPot (x/E.M.), (E.M. est l’étendue de mesure du capteur).
Circuit interne d'un capteur de déplacement à potentiomètre
Capteurs
52
Le module électronique de conditionnement (MEC), qui interprétera, mesurera cette tension Vs, doit être
de bonne qualité. Sinon, une non-linéarité peut être engendrée si le MEC n’a pas une impédance d’entrée
suffisamment grande. Pour montrer cet effet, supposons que l’impédance d’entrée du MEC est
représentée par la variable RL. La connexion du MEC au capteur modifie le circuit diviseur de tension et
on obtient alors :
Si RL >> Rx, alors, on retrouve la relation qui est linéaire avec Rx et aussi avec x. Sinon, la caractéristique
entre la tension Vs et la position x devient non-linéaire.
Relation position/tension de sortie pour diverses valeurs de RL vs RPot
Caractéristiques principales :
Capteur très économique et simple;
Course relativement étendue;
Le problème majeur est celui de l'usure;
Un potentiomètre n'est pas étanche;
Besoin d'un lien (fil) avec l'objet;
La vitesse de l'objet est limité.
b- Capteurs de déplacement inductifs
Le capteur à LVDT
Le capteur de déplacement à LVDT (LVDT = Linear Variable Displacement Transformer) utilise le
principe du transformateur pour faire la mesure. Dans un transformateur, il y a un couplage magnétique
entre deux bobines, la bobine primaire et la bobine secondaire. Une tension alternative V1 appliquée au
primaire du transformateur est transformée en une tension alternative V2 au secondaire. Le rapport entre
Capteurs
53
les amplitudes de ces deux tensions dépend du rapport entre le nombre de tours de fils au primaire N1 et
le nombre de tours de fils au secondaire N2. Pour un montage donné dans la figure ci-dessous, ce rapport
dépend aussi du couplage magnétique entre le primaire et le secondaire ainsi que de la distance entre les
deux bobines. Dans un transformateur, pour permettre un bon couplage magnétique (pour que le
transformateur ait un bon rendement), un entrefer métallique est utilisé.
Capteurs de déplacement à LVDT
Principe du couplage entre 2 bobines
Dans le cas ou la tige métallique peut être déplacée, le couplage entre les deux circuits magnétiques sera
modifié et cela modifiera la tension au secondaire. Cette tension sera maximale lorsque la tige métallique
est présente sur toute la longueur des enroulements du primaire et du secondaire. Elle diminuera au fur et
à mesure que la tige est retirée de la zone ou sont localisés les enroulements. Elle sera minimale en
l’absence de tige.
Le LVDT est basé sur ce principe. Toutefois, il est nécessaire de pouvoir déterminer dans quelle direction
la tige est déplacée. Pour ce faire, le LVDT est constitué d’un transformateur comportant un primaire et
deux secondaires. Et, les deux bobinages secondaires sont placés de chaque coté du bobinage primaire.
Une tige métallique se déplace au centre de ces bobinages pour permettre de modifier les couplages
magnétiques entre le primaire et les deux secondaires.
Principe de fonctionnement du LVDT
Capteurs
54
Lorsque la tige métallique est centrée, les couplages magnétiques sont identiques et les tensions de sortie
aux deux secondaires ont la même amplitude. Si la tige est déplacée vers la gauche, le couplage
magnétique avec le secondaire localisé à gauche augmente et le couplage magnétique avec le secondaire
de droite diminue. La tension à la sortie du secondaire de gauche augmente alors que celle du secondaire
de droite diminue. La relation est linéaire avec la position de la tige. On peut donc déduire en observant
les tensions des secondaires la position de la tige, la distance x.
Résumé :
Etendues de mesure allant de ±1 à ±1000 mm.
Leur linéarité est de l’ordre de ±0.05 % E.M.
La résolution est excellente, mieux que 0.1 micromètre.
Fiabilité et robustesse, certains fabricants ayant déclaré une MTBF de 228 ans!
Les LVDT sont sensibles aux champs magnétiques.
Un LVDT‐AC exige un module électronique de conditionnement pour alimenter son primaire
avec une tension alternative et pour convertir les tensions alternatives des secondaires en un
signal standard (par exemple 4 à 20 mA). Il est important de s’assurer que la fréquence de la
tension soit celle définie par le fabricant, car la mesure du déphasage sera rendue difficile si la
fréquence utilisée pour alimenter capteur n’est pas correcte.
Le LVDT‐DC intègre le module de conditionnement dans le capteur qui est par conséquent plus
volumineux.
Les synchromachines
Les capteurs de déplacement à synchromachines existent en trois versions : les résolvers, les
synchromachines, les Inductosyns. Ils fonctionnent sur des principes similaires au LVDT, i.e., des
principes d’induction magnétiques.
Un résolver est un appareil de mesure de distance angulaire constitué d’un rotor et d’un stator bobiné. Le
rotor comporte un seul bobinage recevant une tension d’excitation :
Schéma simplifié d'un résolver Bobinages dans un résolver
Capteurs
55
Le stator comporte deux bobinages installés de telle façon que leurs axes sont orientés à 90° l’un par
rapport à l’autre. Ainsi, la tension induite dans chacun des bobinages du stator est :
pour la bobine S1‐S3 et :
pour la bobine S2‐S4. Les tensions de sorties dépendent du rapport de transformation a, entre le rotor
(qui est le bobinage primaire) et les bobinages du stator (qui sont les secondaires). Elles dépendent aussi
de l’angle entre le rotor et le stator θ.
Les résolvers étaient utilisés pour calculer le sinus et le cosinus d’un angle de façon totalement
mécanique.
Le mot synchromachine désigne de façon générique les équipements présentés dans cette section. Il
désigne aussi un appareil de mesure de distance angulaire constitué d’un rotor et d’un stator bobiné
comme le résolver. Et comme le résolver, le rotor comporte un seul bobinage recevant une tension
d’excitation Vexc=V cos( t)
Bobinages d'un synchromachine
C’est au niveau du stator qu’une différence apparaît au niveau du bobinage. Trois bobines sont montées
en Y, comme pour un moteur à courant alternatif (CA) asynchrone. Les axes des bobines sont décalées de
120° l’une par rapport à l’autre. La tension induite entre S1 et S3 est :
celle entre S3 et S2 :
et enfin, celle entre S2 et S1 :
Les significations de a et θ sont les mêmes que pour le résolver.
L’Inductosyn est un autre système de mesure linéaire ou angulaire permettant la mesure de déplacement
(Inductosyn linéaire). Une tension d’excitation est appliquée sur une base fixe fait avec une bobine telle
que montrée en Figures ci-dessous. Le pas de la bobine dans la base fixe et des bobines dans la glissière
est xp. Dans le cas de l’Inductosyn linéaire, une glissière se déplace sur la base et la tension de sortie
générée par chaque bobinage de la glissière est (pour la sortie u sin) :
Capteurs
56
Et pour la sortie cosinus :
Le déphase du signal est obtenu en décalant la bobine du sinus du ¼ du pas xp par rapport à la bobine du
cosinus.
Schéma de principe de l’Inductosyn Positions relatives des bobines secondaires de l'Inductosyn
Résumé : Ces capteurs à synchromachine ont une course très étendue. Ils sont reconnus pour leur
fiabilité et leur robustesse. La mesure angulaire est excessivement précise, allant jusqu’à 1.5 seconde
d’arc (1° = 3600 secondes d’arc). Comme le LVDT, il faut faire attention aux champs magnétiques et en
raison de leur grande précision, ces capteurs sont coûteux.
57
Capteurs
Génératrices tachymétriques à courant alternatif (CA)
La génératrice à courant alternatif (CA) permet de mesurer la vitesse d’un mobile tournant.
Le stator est un aimant permanent qui est la source du champ magnétique. Le rotor est soumis à ce champ
magnétique d’intensité B (en Tesla).
Lorsque le rotor est en rotation, le cadre métallique coupera des lignes de champ magnétique et une force
électromotrice (FEM) induite apparaît. L’intensité de cette FEM est obtenue par cette équation :
S est la surface du cadre métallique (m2), N est le nombre de tours de fils du rotor, ω est la vitesse de
rotation angulaire (rad/s). B est l’intensité du champ magnétique en Tesla et 1 Tesla est égale à 1
Volt∙s/m2.
58
Capteurs
La FEM est donc une onde sinusoïdale de fréquence angulaire ω et dont l’intensité est proportionnelle à la
vitesse de rotation angulaire qui est aussi ω. Puisque la FEM est sinusoïdale, cela entraîne que ce capteur
ne donne pas le sens de rotation du mobile tournant.
Lorsque la vitesse ω est faible, elle est difficile à mesurer, d’autant plus que la fréquence angulaire est
aussi faible. Donc, les mesures à très basses vitesses sont très difficiles. Pour générer une tension
alternative, la génératrice tachymétrique à CA doit prélever de l’énergie de l’objet dont on mesure la
vitesse. Ce qui se traduit à un couple de résistance lorsque l’on essaye de faire tourner la génératrice. Cela
doit être pris en compte si les couples en jeu pour entraîner l’objet sont de faibles amplitudes.
Génératrices tachymétriques à courant continu (CC)
La génératrice à courant continu (CC) permet de mesurer la vitesse d’un mobile tournant de façon
similaire à la génératrice à CA. La différence entre les deux, c’est au niveau du dispositif pour aller
chercher la FEM générée par le cadre en rotation dans un champ magnétique.
Dans la génératrice à CA, il y a un collecteur distinct à chaque extrémité du cadre et la FEM est mesurée
via deux balais en graphite. La génératrice à CC possède un seul collecteur séparé en deux parties que
l’on nomme commutateur. Deux balais en graphite placés face à face mesurant la tension au
commutateur.
Le but du commutateur, c’est de faire en sorte que la FEM mesurée en sortie soit toujours avec la même
polarité. La Figure ci-dessous montre la rotation du cadre sur 360° avec la FEM obtenue en sortie du
commutateur. Le commutateur agit comme un redresseur de tension. Toutefois, il est important de noter
que si la direction du mobile tournant est inversée, la FEM est aussi inversée.
Le sens de rotation peut donc être obtenu avec la génératrice à CC. Pour limiter l’amplitude de
l’ondulation de la FEM, on peut avoir une génératrice à CC avec plusieurs pôles. Par exemple, la Figure
59
Capteurs
ci-dessous montre la FEM générée par une génératrice à CC ayant 2 paires de pôles. Le signal de sortie
est le maximum de chaque paire de pôles. Il est facile d’imaginer que le signal ondulera moins avec plus
de pôles.
Tout comme la génératrice à CA, la génératrice à CC tire de l’énergie du mobile.
Tachymètres linéaires à fil
Les génératrices présentées aux deux sections précédentes mesurent des vitesses angulaires. On peut, via
un système de poulies et de ressorts (comme le potentiomètre linéaire) les transformées en capteurs de
vitesse linéaire. En pratique, c’est une génératrice à CC qui est utilisée sur ce genre d’équipement.
Ce genre de tachymètre permet des déplacements de l’ordre de 12 mètres maximum. La limite est la
longueur du fil qui relie l’objet au tachymètre linéaire. Pour que tout aille pour le mieux au niveau du
mécanisme, on limite l’accélération à moins de 100 g. Il faut aussi respecter les limites de vitesse de ce
capteur. La précision de ces capteurs est de l’ordre de ±0.25 % E.M.
.
Capteurs
.
Génératrices tachymétriques à courant alternatif (CA)
La génératrice à courant alternatif (CA) permet de mesurer la vitesse d’un mobile tournant.
Le stator est un aimant permanent qui est la source du champ magnétique. Le rotor est soumis à ce champ
magnétique d’intensité B (en Tesla).
Lorsque le rotor est en rotation, le cadre métallique coupera des lignes de champ magnétique et une force
électromotrice (FEM) induite apparaît. L’intensité de cette FEM est obtenue par cette équation :
S est la surface du cadre métallique (m2), N est le nombre de tours de fils du rotor, ω est la vitesse de
rotation angulaire (rad/s). B est l’intensité du champ magnétique en Tesla et 1 Tesla est égale à 1
Volt∙s/m2.
Capteurs
La FEM est donc une onde sinusoïdale de fréquence angulaire ω et dont l’intensité est proportionnelle à la
vitesse de rotation angulaire qui est aussi ω. Puisque la FEM est sinusoïdale, cela entraîne que ce capteur
ne donne pas le sens de rotation du mobile tournant.
Lorsque la vitesse ω est faible, elle est difficile à mesurer, d’autant plus que la fréquence angulaire est
aussi faible. Donc, les mesures à très basses vitesses sont très difficiles. Pour générer une tension
alternative, la génératrice tachymétrique à CA doit prélever de l’énergie de l’objet dont on mesure la
vitesse. Ce qui se traduit à un couple de résistance lorsque l’on essaye de faire tourner la génératrice. Cela
doit être pris en compte si les couples en jeu pour entraîner l’objet sont de faibles amplitudes.
Génératrices tachymétriques à courant continu (CC)
La génératrice à courant continu (CC) permet de mesurer la vitesse d’un mobile tournant de façon
similaire à la génératrice à CA. La différence entre les deux, c’est au niveau du dispositif pour aller
chercher la FEM générée par le cadre en rotation dans un champ magnétique.
Dans la génératrice à CA, il y a un collecteur distinct à chaque extrémité du cadre et la FEM est mesurée
via deux balais en graphite. La génératrice à CC possède un seul collecteur séparé en deux parties que
l’on nomme commutateur. Deux balais en graphite placés face à face mesurant la tension au
commutateur.
Le but du commutateur, c’est de faire en sorte que la FEM mesurée en sortie soit toujours avec la même
polarité. La Figure ci-dessous montre la rotation du cadre sur 360° avec la FEM obtenue en sortie du
commutateur. Le commutateur agit comme un redresseur de tension. Toutefois, il est important de noter
que si la direction du mobile tournant est inversée, la FEM est aussi inversée.
Le sens de rotation peut donc être obtenu avec la génératrice à CC. Pour limiter l’amplitude de
l’ondulation de la FEM, on peut avoir une génératrice à CC avec plusieurs pôles. Par exemple, la Figure
Capteurs
ci-dessous montre la FEM générée par une génératrice à CC ayant 2 paires de pôles. Le signal de sortie
est le maximum de chaque paire de pôles. Il est facile d’imaginer que le signal ondulera moins avec plus
de pôles.
Tout comme la génératrice à CA, la génératrice à CC tire de l’énergie du mobile.
Tachymètres linéaires à fil
Les génératrices présentées aux deux sections précédentes mesurent des vitesses angulaires. On peut, via
un système de poulies et de ressorts (comme le potentiomètre linéaire) les transformées en capteurs de
vitesse linéaire. En pratique, c’est une génératrice à CC qui est utilisée sur ce genre d’équipement.
Ce genre de tachymètre permet des déplacements de l’ordre de 12 mètres maximum.
.
Capteurs
La transduction électromagnétique
Les capteurs à traducteur magnétostrictif ou magnétoélastique sont bien adaptés à la mesure de forces
importantes. Le principe de fonctionnement de ce capteur est basé sur l’apparition d’une anisotropie
magnétique dans certains matériaux ferromagnétiques sous l’effet d’une contrainte mécanique.
Certains capteurs de ce type sont constitués d’un empilement de tôles percées de quatre canaux disposés
en carré (Figure II-6-8); dans ces canaux sont placés deux enroulements situés dans des plans
perpendiculaires l’un à l’autre.
Figure II-6-8 :
Lorsque le matériau est isotrope, le couplage entre les enroulements est nul, mais l’application d’une
contrainte entraîne l’apparition d’une anisotropie et donc d’un couplage entre les deux enroulements.
Ce couplage se mesure par la tension induite dans l’enroulement de mesure par un courant alternatif
circulant dans l’autre enroulement. Des capteurs standard de ce type sont disponibles pour une plage de
forces allant de 1 kN à 1 MN avec une précision et une linéarité de l’ordre de 10-3.
Capteurs de couple
La mesure du couple est basée principalement sur la mesure de force, puisque le couple est une force
appliquée sur un bras de levier.
Quatre approches peuvent être utilisées pour mesurer le couple :
Capteurs
Mesure du couple par réaction
Lorsqu’un moteur électrique applique un couple sur une charge, il subit en réaction un couple de même
intensité, mais en sens contraire. Comme le moteur est boulonné au plancher, c’est cette attache au
plancher qui subit des contraintes dues au couple de réaction.
Le principe de la mesure du couple par réaction, c’est de monter le moteur sur une base via des
roulements à billes. Ainsi, la base ne peut recevoir le couple de réaction du moteur. Si le moteur était
laissé libre, il entrerait en rotation en raison de ce couple de réaction. En pratique, le moteur est maintenu
fixe en installant une pièce métallique empêchant sa rotation (Figure II-6-11). Cette pièce subit alors une
force de réaction FR proportionnelle au couple de réaction TR.
La relation est :
Mesure du couple par réaction
(II.6.22)
où L est le bras de levier de cette pièce métallique.
Toutefois, l’accélération angulaire du moteur peut venir altérer cette mesure. Pour le montrer,
commençons par dessiner le diagramme des corps libre du moteur électrique. Il est montré 12.
Capteurs
Figure II-6-12 : Diagramme des corps libre du moteur électrique
Le rotor du moteur subit plusieurs couples :
• Le couple moteur Tm que ce moteur applique;
• Les couples de frottement au niveau des roulements à bille Tf1 et Tf2;
• Le couple de charge TL.
La relation mathématique entre ces couples est :
(II.6.23)
J est le moment d’inertie du moteur et θ est l’accélération angulaire. Le stator (boîtier du moteur) subit le
couple de réaction TR et doit être fixé pour ne pas être entraîné en rotation en sens inverse du rotor. La
relation mathématique entre les couples au stator est :
En combinant les équations (II.6.23) et (II.6.24), on peut écrire :
(II.6.24)
(II.6.25)
L’équation (II.6.5) montre qu’il faut mesurer l’accélération du moteur pour qu’avec la mesure du couple
de réaction TR on puisse déduire le couple que le moteur envoie à la charge TL.
Mesure du couple par le courant
Dans le cas des moteurs à courant continu (CC), le couple moteur est calculé par le produit du courant
d’armature ia, du courant du champ if et une constante k :
(II.6.26)
Cela implique donc de mesurer les courants que le moteur à CC consomme au rotor et au stator.
Capteurs
Capteurs de pression, niveau et débit
Capteurs de pression
La mesure de pression est une mesure fondamentale, car plusieurs grandeurs physiques sont mesurées par
la variation de pression qu’elles entraînent. Par exemple, le niveau dans un réservoir peut être mesuré par
un capteur au bas du réservoir mesurant la pression hydrostatique. De même, le débit peut être mesuré par
la chute de pression que cause un obstacle dans une conduite. Autre exemple, la température peut être
mesurée en observant la pression d’un gaz soumis à cette température. Bien sûr, la mesure de pression
peut être utilisée pour mesurer la grandeur physique de pression.
Avant d’aller plus avant, rappelons quelques notions de base. En premier lieu, la pression d’un fluide est
la force que ce fluide exerce, par unité de surface, perpendiculairement à cette surface : P=F/A. Si le
fluide est immobile, cette pression est dite pression statique. Si le fluide est en mouvement, il y a
apparition de la pression dynamique. La somme de la pression statique et dynamique est appelée pression
totale.
Introduction
Les unités de mesures utilisées pour quantifier la pression sont diverses et exigent d’être expliquées. Tout
d’abord, il est nécessaire de distinguer entre : la pression absolue, la pression relative et la pression
différentielle.
Différent mode de mesure de pression
(
I
I
.
7
.
2
)
Capteurs
a) b)
a) b)
.
Capteurs
Capteurs et détecteurs de niveau Le flotteur :
Il se maintient à la surface du liquide, il est rendu solidaire d'un capteur de position qui délivre le signal
électrique correspondant au niveau. La mesure s'apparente ensuite à la mesure d'un déplacement ou la
détection d'une position.
domaine d'utilisation : C'est une technologie qui convient mal aux liquides très visqueux susceptibles
d'adhérer aux parois du flotteur, modifiant ainsi son poids et par conséquent sa profondeur
d'immersion. Ils sont utilisables aussi bien dans les réservoirs ouverts, fermés, sous pression qu'en
extérieur sur les puits, canaux... La mesure peut être faussée lorsque la densité du fluide varie
gamme de mesure : 10 mm à plusieurs mètres (30 m)
précision : 0,5 à 5% de l'étendue de mesure
Le cas le plus répandu est celui des détecteurs de niveau par transmission magnétique. La transmission est
assurée par un système aimant permanent/interrupteur à lame souple (ILS). L'aimant permanent est
Capteurs
solidaire du flotteur ou même contenu dans celui-ci. La position du contact est généralement réglable.
Pour un montage vertical, le flotteur est guidé par un tube.
Le plongeur :
C'est un cylindre immergé dont la hauteur est au moins égale à la hauteur maximale du liquide dans le
réservoir. Le plongeur est suspendu à un capteur dynamométrique qui se trouve soumis à une force F
(poids apparent), qui est fonction de la hauteur h du liquide.
F = P - rghS
rghS : poussée d'Archimède s'exerçant sur le volume immergé du plongeur
S : aire de la section du plongeur
P : poids du plongeur
domaine d'utilisation : Comme les dispositifs à flotteur, les dispositifs à plongeur utilise le principe
d'Archimède. Le plongeur subit de la part du liquide, une force qui est dépendante du niveau
d'immersion. Le plongeur de forme cylindrique est peu sensible aux oscillations de niveaux autour
d'un point d'équilibre. Il convient aux liquides très visqueux
gamme de mesure : 30 cm à 6 mètres maximum
précision : de l'ordre de 0,5 %
Le palpeur électromagnétique
Il est constitué d'un contrepoids suspendu à l'extrémité d'un câble. Un moteur permet de dérouler ce câble
jusqu'à l'obtention que le contrepoids entre en contact avec ce liquide. A cet instant, la tension du câble se
relâche actionnant un commutateur qui inverse le sens de rotation du moteur. Durant la descente du
palpeur, des impulsions sont générées à intervalles réguliers. Le comptage des impulsions permet
l'obtention du niveau.
domaine d'utilisation : utilisés pour les installations sur canal ouvert, réservoir de stockage de
raffinerie. Ils sont plus coûteux que les dispositifs à flotteur ou à plongeur. Ils portent également le
nom de sondes affleurantes
Capteurs
gamme de mesure : jusqu'à 50 mètres
précision : de l'ordre du millimètre
Le capteur de pression
Il mesure :
la pression relative au fond du réservoir quand celui-ci est ouvert à l'air libre, cette pression est l'image
du niveau h du liquide
P = rgh
la pression différentielle quand le réservoir est fermé et sous pression
.
Capteurs
Le capteur à bulle (ou limnimètre bulle à bulle)
.Sondes conductrices
Elles ne conviennent que pour les produits conducteurs (liquides, pâtes, granuleux...), ne sont pas sujettes
à l'usure et permettent la détection d'un niveau haut, bas ou intermédiaire. Ces sondes sont dotées d'une ou
plusieurs électrodes selon les modèles.
Chaque électrode est installée par un passage étanche de telle sorte que leur extrémité inférieure se situe
au niveau à détecter. Elle doit être isolée électriquement de la masse du réservoir quand il est métallique.
Dés que le liquide touche une électrode, il met à la masse un circuit alternatif basse tension. La masse est
Capteurs
.
Sondes capacitives
Elles sont d'un emploi plus répandues que les précédentes et fonctionnent à l'aide d'une électrode
plongeante dans le réservoir.
Pour les produits isolants (huile, pétrole...) la sonde est constituée d'une tige métallique isolée du
réservoir. Quand la sonde est découverte, le diélectrique est alors l'air ambiant (constante diélectrique =
1). En présence d'un produit isolant, la capacité du condensateur augmente sous l'effet de produits qui
possèdent une constante diélectrique supérieure à 1. Cette variation de capacité est traitée pour actionner
un relais ou fournir un signal de sortie proportionnel au niveau du produit.
Pour les produits conducteurs (eau, solutions salines...) la constante diélectrique ne joue plus aucun rôle.
La tige de la sonde est enrobée d'un matériau isolant, d'épaisseur constante, jouant le rôle de diélectrique.
Les armatures du condensateur sont alors constituées par la tige métallique de la sonde et le liquide
conducteur. Si le réservoir est isolant, on immerge une armature. La capacité du condensateur dépend de
la densité et de la température des produits, pour remédier à ce problème, on utilise une deuxième sonde
capacitive, immergée en permanence et servant de référence.
domaine d'utilisation : tous types de produits conducteurs ou isolants, liquides, pâtes, granuleux en
évitant les produits solides à granulométrie importante et les abrasifs
gamme de mesure : de l'ordre de 10 m, température de -20 à 85 °C, pression de l'ordre de 40 bars
précision : de l'ordre de 1 %
Capteurs
.
Sonde optique
La sonde contient une diode électroluminescente (émetteur de lumière), un phototransistor (récepteur) et
l'électronique correspondante. La sonde est constituée d'une pointe conique agissant comme un prisme.
Le rayon émis par la diode située d'un côté de la tête de la sonde, est réfléchi vers le phototransistor situé
de l'autre côté de la tête si le prisme est situé dans l'air. Le rayon est réfracté dans le liquide si la sonde est
immergée.
domaine d'utilisation : liquide calme et non mousseux (huile, essence, pétrole, eau claire et boueuse,
solutions aqueuses, alcool)
gamme de mesure : détection de niveau avec une précision de 2,5 mm, des pressions de 10 bars maxi
et des température de -20 à 80°C
II- Capteurs
Capteurs de débit
Il existe deux concepts différents pour le débit, à savoir le débit en volume (en m3/sec) et le débit en
masse (en kg/sec). Lorsque les caractéristiques du fluide sont constantes, le même débitmètre peut être
étalonné indifféremment selon l’une ou l’autre de ces définitions. Ce n’est pas le cas si les caractéristiques
du fluide sont susceptibles de varier.
La mesure du débit s’effectue de nombreuses façons, ce qui rend difficile leur classification.
Nous allons énumérer quelques-unes des méthodes possibles.
Débitmètre électromagnétique
Dans le cas d’un fluide conducteur, la vitesse d’écoulement dans une conduite peut être mesurée par la
force électromotrice de glissement qui apparaît en présence d’un champ magnétique perpendiculaire au
conduit. Cette f.é.m. s’exerce dans la direction perpendiculaire à la fois au conduit et au champ
magnétique, et est recueillie à l’aide de deux électrodes (voir figure ci-dessous).
Figure II-7-5
En supposant la vitesse uniforme dans le conduit, on aurait
E = B L v (II.7.3)
où L est la distance entre les électrodes. Si le courant consommé par le circuit extérieur est insignifiant, la
tension mesurée est égale à E et la mesure ne dépend donc pas des caractéristiques du fluide.
Le débit, en m3/sec, est alors obtenu en multipliant la vitesse déduite de (II.7.3) par la section du conduit.
En pratique, v est une vitesse moyenne (sur un domaine qui dépend de la forme des électrodes) de sorte
que la relation entre E et le débit ne correspond pas exactement à la valeur ci-dessus.
Ces débitmètres ont l’avantage de ne pas comporter de pièces mobiles. Si le fluide a une conduction
métallique, on peut produire le champ B à l’aide d’un aimant permanent et recueillir une force
électromotrice E continue. Le signe de E est lié au sens d’écoulement du fluide.
Capteurs
Si la conduction du fluide est de nature ionique, cette solution donne lieu à une polarisation des électrodes
et donc mesure d’une tension U qui n’est pas égale à E. Dans ce cas, il vaut mieux produire le champ
magnétique par un courant alternatif passant dans des bobines (comme indiqué à la figure II-7-5). La
tension E est alors alternative et, si l’on veut qu’elle donne une information sur le sens de l’écoulement, il
convient de la redresser de façon synchrone.
Débitmètre à turbine
Dans un débitmètre à turbine, l’écoulement du fluide entraîne la rotation d’une turbine qui peut être une
hélice coaxiale avec le conduit (figure II-7-6a), ou une roue munie d’ailettes, dont l’axe se trouve au bord
du conduit et est perpendiculaire à ce dernier (figure II-7-6b). Un dispositif semblable aux anémomètres
est également possible.
a) b)
Figure II-7-6
La vitesse de rotation de la turbine est proportionnelle à la vitesse d’écoulement. Il est possible de
mesurer cette vitesse depuis l’extérieur du conduit en exploitant les propriétés magnétiques (ou
conductrices en cas de détection par courants de Foucault) des pales.
Débitmètre à pression différentielle
Figure II-7-7
Capteurs
Dans ce type de débitmètre, on exploite la relation de Bernoulli (valable uniquement pour les fluides
parfaits en mouvement irrotationnel ! ). La différence de pression mesurée est proportionnelle au carré du
débit volumique, mais seulement proportionnelle à la masse volumique du fluide. Ce type de capteur
suppose donc que la densité est constante, faite de quoi il ne pourra être étalonné ni en m3/sec ni en
kg/sec !
Rotamètre et débitmètre à palette
Le rotamètre et le débitmètre à palette comportent un obstacle (flotteur pour le premier cas, palette dans le
second) qui subit une force liée au débit du fluide. Comme pour le capteur à pression différentielle, il est
sensible à une grandeur qui n’est ni le débit en m3/sec ni celui en kg/sec.
L’obstacle prend une position (déplacement vertical dans le premier cas, inclinaison dans le second) qui
dépend de la force subie. Un capteur de position complète l’ensemble.
Figure II-7-8 : rotamètre
Débitmètre à thermistance
On peut mesurer le débit par l’intermédiaire de mesure de température. Une façon d’y arriver consiste à
disposer dans le conduit une résistance chauffante régulée de façon à dissiper une puissance calorifique
bien connue.
L’élévation de température du fluide lors de son passage dans cette section du conduit est inversement
proportionnelle à sa vitesse. Elle dépend aussi de la capacité calorifique du fluide, de sorte que le
dispositif ne peut être étalonné que pour un seul fluide !
Deux capteurs de température, l’un situé en amont de la résistance chauffante et l’autre en aval,
complètent le dispositif.
Une disposition simplifiée utilise une résistance à coefficient de température à la fois comme source de
chaleur et comme élément de mesure. Son échauffement dépend en effet de l’efficacité de son
refroidissement par le fluide, lequel dépend de la vitesse du fluide.
Capteurs
Débitmètre à vortex
Le passage d’un fluide en mouvement sur un obstacle donne lieu à la création de vortex à un rythme très
régulier, que l’on peut mesurer par différents moyens. La relation entre la fréquence et le débit dépend de
plusieurs paramètres du fluide.
Débitmètre à ultrasons
En mesurant la vitesse de propagation d’un son ou ultrason dans une direction proche de l’axe d’un
conduit, on peut en déduire une information sur la vitesse du fluide puisque la vitesse observée est la
somme de la vitesse de l’onde dans le fluide considéré et de la vitesse du fluide (composition des vitesses
de Galilée).
Figure II-7-9. : principe de la mesure de débit par ultrason
Malheureusement, la vitesse du fluide dépend de ses propriétés, et notamment de la température. On peut
cependant s’affranchir de cette dépendance en mesurant séparément la vitesse du son tant dans un sens
que dans l’autre entre les deux transducteurs ultrasoniques, qui échangent leurs rôles entre les deux
mesures.
Figure II-7-10 : principe de l’élimination des caractéristiques du fluide
Une autre façon d’utiliser les ultrasons pour mesurer le débit peut être mise en œuvre si le fluide
comporte des inclusions capables de réfléchir une partie de l’onde. On peut alors placer l’émetteur et le
récepteur côte à côte et déterminer le changement de fréquence subit par l’onde par effet Doppler.
Capteurs
C
Débitmètre massique à force de Coriolis
Il est possible d’obtenir un capteur sensible directement au débit massique en exploitant la force de
Coriolis. Ce phénomène apparaît lors du mouvement d’un corps par rapport à un observateur en rotation.
Dans ce cas, pour imposer à un corps une trajectoire, il faut lui appliquer, outre la force nécessaire si
l’observateur était fixe, une force centripète et une force proportionnelle à la vitesse du corps (toujours
par rapport à l’observateur mobile). On donne à l’opposé de la force centripète le nom de « force
centrifuge », et à l’opposé de la force proportionnelle à la vitesse le nom de « force de Coriolis ». Les
forces centrifuges et de Coriolis apparaissent comme des forces exercées par l’objet sur son
environnement lorsque des contraintes sont imposées à son mouvement. La force de Coriolis vaut
F 2 m v (II.7.4)
où est la vitesse angulaire de l’observateur, v la vitesse de l’objet vue par l’observateur mobile. Le
dispositif est représenté à la figure ci-dessous
Figure II-7-11 Débitmètre à force de Coriolis
Dans ce dispositif, les forces de Coriolis s’exercent en sens opposé sur deux tronçons du conduit, ce qui
conduit à un couple et à une déformation du conduit qui est mesurable.
Actionneurs
Actionneurs
II-1 Généralité
II-1-1 Définition
Une machine est un ensemble de pièces ou d’organes liés entre eux, dont au moins un est mobile, réunis
de façon solidaire en vue d’une application définie, notamment pour la transformation, le traitement, le
déplacement et le conditionnement d’un matériau. Une machine comprend également tous les composants
d’alimentation en énergie et d’automatisation nécessaires à son fonctionnement. Un ensemble de
machines est également considéré comme une machine.
Cette définition est celle de la « Directive sur les Machines » de l’Union Européenne. Au sens plus large
du terme, les centrales de production d’électricité à partir d’énergie mécanique sont aussi des machines.
Par exemple, une turbine entraînée par une chute d’eau fait tourner un alternateur qui délivre de
l’électricité.
II-1-2 Types de mouvements :
Les mouvements des machines remplissent une ou plusieurs des fonctions suivantes :
Entraîner une pompe ou un ventilateur, pour déplacer ou comprimer des liquides, des gaz ou de
l’air ;
Entraîner une broche, c’est-à-dire un outil de coupe, de perçage ou d’usinage comme une scie, un
taraud, un disque de polissage, etc. ;
saisir un objet et le maintenir pendant son usinage ou son déplacement ;
Déplacer un objet d’un endroit à un autre, pour le stocker ou le remettre dans le circuit de
production, pour le placer en vue d’un usinage ou d’un traitement, pour l’emballer et le préparer à
la livraison, etc. ;
Déplacer un objet en suivant une trajectoire déterminée, afin de le présenter sous un outil
d’usinage, de découpe, de traitement thermique, etc. ;
Former ou déformer un objet, par exemple pour le plier et pour le mouler.
L’objet saisi et déplacé est généralement le produit en cours d’élaboration par la machine, mais ce peut
être également un outil, voire une machine complète, parfois même avec son conducteur et des passagers,
comme dans le cas d’un ascenseur ou d’un véhicule.
Chaque déplacement peut être :
une suite de mouvements en va et vient limités entre deux positions, comme les extrémités gauche
et droite d’une table X-Y de machine-outil ;
Une suite de mouvements monodirectionnels, souvent périodiques, comme dans un convoyeur de
chantier ou le bobinage de fils.
Actionneurs
Exemples de déplacements « va et vient » entre butées dans le cas d’une poinçonneuse, et de déplacements
monodirectionnels continus dans le cas du conditionnement des journaux.
La plupart des actionneurs et moteurs électriques sont réversibles : Ils peuvent généralement fonctionner
en marche avant et en marche arrière. De plus, dans chaque sens, ils peuvent soit fournir de l’énergie (agir
en moteur), soit absorber de l’énergie (agir comme un frein). On dit qu’ils peuvent fonctionner dans les 4
quadrants.
Figure III-2 Fonctionnement dans les 4 quadrants.
Bien des mouvements comportent une succession rapide de périodes de mouvement et de périodes
d’immobilité. Or ces mouvements occasionnent des pertes thermiques par frottements (pertes
mécaniques) et effet Joule (pertes électriques). L’allure de ces pertes est par exemple la suivante :
Figure III-3 Exemples des pertes thermiques provoquées par les mouvements, et de la température d’un des organes
d’entraînement
Il est intéressant de tenir compte du fait que la température des différents organes de machine suit la
courbe des pertes avec un retard et une amplitude qui dépendent de leur inertie thermique. Or, celle-ci est
souvent assez importante, ce qui fait que ces températures ne varient que de quelques degrés autour d’une
valeur moyenne. Il est donc possible de prévoir des surcharges intermittentes, de brève durée, pour
P<0
P<0
Actionneurs
obtenir la plus forte cadence de production possible au moindre coût. L’entraînement est alors
dimensionné comme suit :
Les pertes moyennes déterminent l’usure et l’échauffement, donc la puissance nominale et surtout
le coût de l’entraînement ;
Les pertes maximum déterminent les limites de rupture (la solidité) et d’alimentations (en
électricité, en huile ou en air comprimé), et ont une incidence moindre sur les coûts.
Le choix de la technique d’entraînement appropriée tient compte de l’ensemble de ces caractéristiques.
Mais il doit aussi prendre en compte d’autres facteurs tout aussi importants :
Coûts de réalisation, de production et de maintenance ;
Maîtrise du savoir-faire ;
Logistique – limitation de la diversité des articles en stock ;
Exigences pas toujours objectives des clients – fournisseur imposé, etc.
II-1-3 Modes de fonctionnement des actionneurs et moteurs
a- Mode tout ou rien
L’actionneur ou le moteur est connecté à une alimentation hydraulique ou pneumatique de pression
constante ou à une alimentation électrique de tension et fréquence constantes. Sa vitesse de déplacement
ou de rotation dépend de son principe de fonctionnement et des caractéristiques de son alimentation, mais
aussi de la charge (frottements, couple d’usinage, etc.). Non alimenté, il ne produit plus aucune force ou
couple et se laisse entraîner par la charge. Généralement, il s’arrête après un temps plus ou moins long
sous l’effet des frottements, ou soudainement sous l’action d’un frein mécanique.
Exemples de commandes tout ou rien : - Interrupteur actionné à la main, ensemble d’électrovannes
pneumatiques, contacteur.
La commande est alors particulièrement simple à réaliser, à l’aide d’un distributeur pour les
entraînements pneumatiques ou hydrauliques, et d’un interrupteur pour les entraînements électriques. Ils
peuvent être actionnés mécaniquement par l’opérateur, voire par un système de leviers mécaniques. Dans
la plupart des cas cependant, ils sont actionnés par un électroaimant. On parle alors d’électrovanne, de
relais et de contacteur.
Ainsi commandé, l’actionneur ou le moteur est généralement réversible et fonctionne dans 2 quadrants : Il
peut fournir de l’énergie (moteur) ou en absorber (frein). Par contre, l’inversion du mouvement (4
quadrants) nécessite généralement un deuxième distributeur ou interrupteur, voire un ressort de rappel.
Actionneurs
Avantages : Ce mode de fonctionnement est utilisé pour la plupart des pompes, ventilateurs et outils
d’usinage, voire pour certains mouvements comme celui des ascenseurs et des convoyeurs.
Inconvénients : Ce mode de fonctionnement ne permet aucune adaptation à la charge mécanique
réellement entraînée. Les déplacements ainsi réalisés ne seront répétitifs que dans la mesure où les
conditions d’alimentation et de charge sont rigoureusement constantes. Comme un tel entraînement doit
être dimensionné pour le cas de charge extrême, il est sous-utilisé à charge réduite, ce qui dégrade le
rendement du procédé.
Coûts : Le fonctionnement tout ou rien est particulièrement économique à l’acquisition (investissement
initial pour l’équipement). Il n’est pas toujours économique sur le plan de l’exploitation (gaspillage
d’énergie).
b- Mode contrôlé en vitesse
En ajustant la pression hydraulique ou pneumatique, la tension électrique ou la fréquence, il est possible
de modifier la vitesse d’un actionneur ou d’un moteur de manière continue, au moins dans une certaine
plage (par exemple de 20% à 100% de la vitesse nominale). Toutefois, la vitesse reste plus ou moins
dépendante de la charge.
Les actionneurs et moteurs sont souvent identiques à ceux qui sont utilisés en mode tout ou rien. Leur
commande requiert toutefois une servovalve, un variateur de tension ou un variateur de fréquence. Ces
appareils existent pour toutes les puissances, des plus faibles aux plus élevées.
Dans leurs réalisations les plus économiques, ces commandes ne permettent le fonctionnement de
l’actionneur ou du moteur que dans 1 quadrant. Ils ne peuvent se déplacer que dans un sens et ne
fonctionnent qu’en mode moteur. D’autres commandes permettent également le freinage (2 quadrants),
voire le fonctionnement dans le sens inverse (4 quadrants).
Figure III-5 Servovalve et Variateurs de fréquence
Le principe de la commande de vitesse est illustré ci-dessous. L’opérateur choisit une valeur u(t) en
fonction de la vitesse ωc(t) qu’il souhaite obtenir. L’amplificateur de puissance ajuste en conséquence
l’alimentation ua(t) du moteur.
La vitesse réelle du moteur n’est pas mesurée. On dit que la commande est en boucle ouverte. C’est
éventuellement l’opérateur qui décide s’il faut modifier la valeur u(t). Il le fait généralement sans avoir
une idée quantitative de la vitesse, mais plutôt en évaluant le résultat du processus, à la vue ou à l’ouïe.
Actionneurs
Principe de la commande de vitesse en boucle ouverte
Avantages : Ce mode de fonctionnement est utilisé pour tous les entraînements dont on souhaite
contrôler approximativement la vitesse, comme les broches de machines-outils et l’avance des véhicules
et des grues.
Inconvénients : S’il permet d’ajuster la vitesse, ce mode de fonctionnement ne permet pas de l’ajuster de
façon précise, indépendamment de la charge.
Coûts : Plus coûteux à réaliser que le mode tout ou rien, ce fonctionnement est plus économique à
l’utilisation. Même si les performances ne sont pas un critère de choix décisif, cette solution est de plus en
plus choisie pour raison écologique. En effet, le remplacement d’une commande tout ou rien par un
variateur rudimentaire pour une pompe ou un ventilateur permet souvent d’économiser de l’énergie en
ajustant le régime de fonctionnement en fonction du besoin réel.
c- Mode réglé en vitesse
Le principe de la régulation est illustré dans la figure ci-dessous : L’opérateur ou le programme
d’automate choisit une valeur de consigne w(t) en fonction de la vitesse ωc(t) qu’il souhaite obtenir. La
valeur réelle ω(t) est mesurée et fournit le signal de contre-réaction y(t), qui est comparé à la valeur de
consigne. La différence entre ces deux valeurs est appelée écart de réglage e(t). Le régulateur s’efforce de
le minimiser en ajustant la grandeur de réglage u(t) et, par l’intermédiaire de l’amplificateur de puissance,
l’alimentation ua(t) du moteur.
Principe de la commande de vitesse en boucle fermée
Par opposition à la commande de vitesse en boucle ouverte, on dit que la régulation de vitesse est en
boucle fermée.
Actionneurs
Si par exemple, le moteur tourne trop vite, la valeur y(t) est supérieure à la valeur w(t), donc e(t) est
négatif. Le régulateur diminue alors l’alimentation u(t), ce qui ralentit le moteur. Si le régulateur agit trop
faiblement, la correction n’est pas suffisante et la vitesse obtenue n’est pas assez précise. S’il agit trop
fortement, la correction est trop violente et la vitesse diminue trop. Comme cela entraîne alors une
inversion de l’écart e(t), le système devient instable. L’étude des régulateurs fait partie du cours de
Régulation automatique.
Avantages : La régulation de vitesse permet d’obtenir exactement le résultat désiré.
Inconvénients : La conception et l’ajustage du régulateur nécessitent un personnel qualifié.
Coûts : Ce mode d’entraînement est plus coûteux que le contrôle de vitesse en boucle ouverte,
essentiellement à cause du capteur supplémentaire et de son câblage.
d- Mode servomoteur – réglé en position
En ajoutant un capteur de position sur l’arbre du moteur ou sur la charge en mouvement, il est possible de
réaliser des déplacements point à point et d’arrêter le moteur à des positions très précises.
Il est aussi possible de réaliser des mouvements qui suivent une trajectoire précise. De telles trajectoires
ne sont calculées que pour certains points, par lesquels l’organe en mouvement doit passer sans s’arrêter.
Ces trajectoires peuvent être monodimensionnelles, ou multidimensionnelles comme dans les machines-
outils. Elles peuvent dépendre d’un autre mouvement en imitant les cames et autres systèmes
d’accouplements.
Exemple de trajectoire pour servomoteur – X(t) représente la position à chaque instant t.
Les moteurs utilisés selon ce mode sont appelés servomoteurs, et leur commande nécessite un servo
amplificateur (ou servo variateur). Ceux-ci sont disponibles pour des puissances de ~1 W à ~100 kW.
Avantages : Ce mode de fonctionnement permet de bien contrôler tous les mouvements d’une machine.
Les variations d’alimentation et de charge sont automatiquement compensées. La grande répétitivité des
résultats obtenus est particulièrement adaptée aux exigences de qualité des utilisateurs. Les machines
ainsi équipées présentent une grande flexibilité : Le changement de fabrication, selon programme pièce
ou selon recette, peut être très rapide, voire réalisé au vol (sans arrêt de la machine).
Actionneurs
Inconvénients : La conception et l’ajustage des régulateurs nécessitent un personnel qualifié. Le choix
entre les différentes solutions disponibles sur le marché est complexe, et la dépendance envers le
fournisseur choisi est grande.
Coûts : Historiquement plus chers que les variateurs, les servo amplificateurs sont actuellement très
compétitifs, et le capteur de position n’est pas forcément plus cher que le capteur de vitesse. Ce mode
reste cependant plus coûteux que les modes contrôle et régulation de vitesse à cause de la complexité de
la commande. Celle-ci doit être capable de faire plus de calculs, plus rapidement. De plus, le programme
d’automate doit être complété par une programmation des mouvements et des trajectoires, ce qui
augmente la charge d’ingénierie.
Mode pas à pas Le mode pas à pas combine le mode tout ou rien et le mode servomoteur. L’actionneur travaille bien en
mode tout ou rien, mais il est alimenté par une succession d’impulsions. A chaque impulsion, il avance
d’une petite distance appelée pas ou incrément. La distance parcourue dépend directement du nombre
d’impulsions reçues. La vitesse dépend de la fréquence des impulsions. De plus, lorsqu’il ne reçoit plus
d’impulsions, un tel actionneur est tenu en place avec une certaine force de maintien.
Ce mode de fonctionnement n’est possible qu’avec les moteurs pas-à-pas.
Ce type d’actionneurs permet sans aucun moyen de mesure supplémentaire de contrôler et de maintenir la
position à chaque instant. Le contrôle est réalisé sans capteur ni régulateur. La commande d’un moteur
électrique pas à pas requiert un générateur d’impulsions particulier.
Les moteurs électriques pas à pas sont généralement rotatifs, mais des variantes linéaires existent
également. La technologie micro pas permet même de positionner le moteur à des positions
intermédiaires.
Connaissant le nombre de pas par tour, la relation entre le nombre d’impulsions fournies et la distance
angulaire parcoure est immédiat.
Avantages : Les entraînements pas à pas sont particulièrement simples. Leur force de maintien permet de
faire l’économie d’un frein.
Inconvénients : Les moteurs électriques pas à pas sont limités en puissance à ~200 W. Ils sont également
limités en vitesse à ~1'000 tr/min. Leur précision est de l’ordre du pas, donc de ~1º angulaire dans le
meilleur des cas. A l’arrêt, la position n’est maintenue qu’avec une certaine élasticité. Si la force
perturbatrice est trop élevée, elle ne suffit plus à maintenir le moteur et celui-ci saute au pas suivant. On
dit qu’il décroche.
Ce phénomène est très gênant dans la mesure où aucun autre capteur de position ne permet de savoir où
ce trouve réellement l’organe en mouvement.
Actionneurs
Coûts : Le mode pas à pas est particulièrement économique pour tous les mouvements nécessitant un
positionnement à quelques degrés angulaires près, et nécessitant une puissance ne dépassant pas une
centaine de watt.
Les familles d’actionneurs
Les composants permettant de mettre en mouvement les organes de machines sont appelés actionneurs.
Ce sont essentiellement des moteurs et des vérins. Ils produisent de l’énergie mécanique à partir d’énergie
électrique, hydraulique ou pneumatique, mais sont presque toujours contrôlés par des signaux de
commande électriques. Les actionneurs sont souvent complétés par des accouplements mécaniques et/ou
des réducteurs.
a- Actionneurs pneumatiques
Les actionneurs pneumatiques sont utilisés principalement pour des mouvements séquentiels simples.
Ils utilisent de l’air comprimé à ~6 bar et permettent de réaliser des vérins dont la force peut atteindre
50'000 N.
L’air est fourni par un compresseur, complété de filtres, d’un séparateur d’eau et d’un déshuileur. Il est
souvent produit pour tout un atelier, et distribué à toutes les machines.
Les actionneurs sont généralement des vérins linéaires, mais aussi des moteurs rotatifs. On utilise
également des aspirateurs suceurs à vide pour saisir des objets. Ils sont commandés en tout ou rien par des
distributeurs, actionnés mécaniquement ou électriquement.
Principe de fonctionnement d’un vérin pneumatique
Dans certains cas, l’actionneur pneumatique réagit en continu en fonction du débit ou de la pression
pneumatique. On utilise alors un distributeur proportionnel. La pression à sa sortie peut être modulée
entre 0 et ~10 bar en fonction de la tension électrique appliquée. Il est ainsi possible de contrôler par
exemple la vitesse d’un mouvement ou la force d’un serrage.
Avantages : Les actionneurs pneumatiques se distinguent par des faibles coûts d’entretien et des besoins
minimaux en qualification du personnel. Ils conviennent particulièrement bien aux milieux hostiles :
hautes température et humidité ambiantes, atmosphère explosive. Ils permettent de produire des vitesses
élevées, comme dans certaines fraises de dentiste (~200'000 r/min).
Inconvénients : L’air comprimé est très élastique, ce qui ne permet pas d’obtenir des temps de réaction
inférieurs à ~20 ms. Parfois, les bruits dus à des fuites ou à l’échappement sont considérés comme
gênants.
Actionneurs
Coûts : Les actionneurs pneumatiques représentent souvent la solution d’automatisation la moins chère.
Si leurs performances répondent aux besoins, il ne faut pas hésiter à les utiliser.
Les entraînements pneumatiques sont traditionnellement présents dans les chaînes d’assemblage, par
exemple pour les composants nécessaires à l’industrie automobile. Ils sont utilisés pour actionner
certaines machines outils, comme des petites presses, des machines de transfert, etc.
b- Actionneurs hydrauliques
Les actionneurs hydrauliques sont utilisés pour des mouvements requérant des forces très élevées à faible
vitesse. Utilisant de l’huile sous des pressions atteignant 400 bar, ils permettent de réaliser des vérins de
force prodigieuse (jusqu’à 3'000'000 N, soit 300 tonnes force). Leurs temps de réponse sont plus rapides
que pour l’air (quelques millisecondes), car l’huile est presque incompressible.
L’huile est fournie par une pompe hydraulique qui fait généralement partie de la machine. Elle est
distribuée par des tuyaux vers les organes récepteurs. L’huile qui s’échappe lors du fonctionnement des
actionneurs est intégralement récupérée, et ramenée à la pompe après filtrage et refroidissement éventuel.
Les actionneurs sont des vérins linéaires ou des moteurs rotatifs. Leur action est contrôlée par des
distributeurs. Ils peuvent être de type tout ou rien, agissant comme des aiguillages, ou de type
proportionnel, permettant de moduler la pression ou le débit d’huile.
Principes d’un vérin linéaire et de son actionneur
Avantages : Les actionneurs hydrauliques sont des composants très performants. Ils sont appréciés pour
leur prodigieuse densité d’énergie pouvant atteindre 40 MJ/m3 (très forte énergie pour un faible
encombrement des actionneurs).
Inconvénients : Par contre, on évite de les utiliser en construction de machines, à cause des dangers et
désagréments liés aux inévitables fuites d’huile.
Pour ces raisons, ils dominent le marché des véhicules de chantiers, des grandes presses et des plieuses de
l’industrie lourde en général. Ils étaient également utilisés dans l’aéronautique pour la commande de
gouverne d’avions, mais même dans ces applications où le rapport poids / énergie est très important, des
alternatives électriques sont maintenant préférées (drive by wire).
Actionneurs
c- Moteurs électriques
Les moteurs électriques sont disponibles dans une très large gamme de puissance (de <10 mW à >100
MW). Faciles à mettre en oeuvre, ne présentant que peu de problèmes d’usure, ils sont utilisés pour
pratiquement tous les mouvements rotatifs et une très grande partie des mouvements linéaires des
machines et installations. Leur temps de réponse pouvant être de l’ordre de 0,1 milliseconde, ils sont
également appréciés pour toutes les applications à forte dynamique et grande précision. Le grand nombre
de fournisseurs et la diversité des technologies sont également des avantages significatifs. De plus,
l’énergie électrique est plus souple d’emploi et se prête facilement aux commandes et réglages
automatiques.
Le choix de la technique d’entraînement peu se résumer comme suit :
pour les mouvements linéaires simples, relativement lents et de faible puissance, les entraînements
pneumatiques sont préférés, surtout à cause de leur faible prix ;
pour les mouvements linéaires nécessitant des forces très élevées, les entraînements hydrauliques
l’emportent, grâce à leur densité d’énergie qui peut atteindre 40 MJ/m3 ;
pour tous les autres mouvements, les entraînements électriques sont préférés ; ils n’offrent qu’une
densité d’énergie de 0,4 MJ/m3, mais sont capables de réagir 1'000 fois plus rapidement qu’un
système hydraulique, ce qui leur donne l’avantage sur le plan de la puissance volumique
Figure III-10 Performances comparées des moteurs et actionneurs électriques, pneumatiques et hydrauliques
Il existe plusieurs sortes de moteurs électriques, qui se différencient par leur principe de fonctionnement.
Ils sont décrits dans les paragraphes suivants.
Actionneurs
III- Actionneurs
II-2 Actionneurs électromécaniques
Actionneurs =
Convertisseurs électromécaniques conçus pour mettre en mouvement des systèmes mécaniques àpartir de
commandes électriques Le mouvement d'un système mécanique est fonction des forces ou des couples qu'on applique
critères de base de conception d'un actionneur : 1-
1-facilité et précision avec laquelle on peut commander électriquement la force ou le couple
2- rapport existant entre la taille de l'actionneur et la force ou le couple qu'il peut développer : plus le couple
développé est élevé pour une taille donnée, meilleur est l'actionneur
Un actionneur électromécanique n'est jamais relié directement à un générateur d'énergie électrique.
Son alimentation s'opère à travers un système de conditionnement de l'énergie électrique
Les actionneurs électromécaniques sont principalement les moteurs électriques. Les moteurs électriques
sont des appareils qui transforment l’énergie électrique en énergie mécanique, ou vice versa. Leur
fonctionnement repose sur trois principes généraux de l’électromagnétisme.
Rappel sur l’électromagnétisme
Le premier principe d’électromagnétisme est le suivant :
1er principe – induction magnétique
Un courant électrique crée un champ magnétique, comme un aimant. Ce champ parcourt des lignes de
forces qui entourent le conducteur électrique.
Figure III-11 champ électromagnétique
En 1819 le savant danois Hans Christian Oersted découvrit qu'un conducteur rectiligne parcouru par un
courant électrique produisait dans l’air ambiant un champ magnétique capable de faire dévier l'aiguille
d'une boussole. Ce champ magnétique n’est pas matériel ; c’est plutôt une zone d’influence de ce courant
sur d’autres courants et aimants.
Le champ magnétique est d'autant plus fort que l'intensité du courant est importante et que la ligne de
Actionneurs
force est proche du conducteur. L'induction magnétique B en [Tesla] est liée au courant I et au rayon
r par la relation vectorielle :
L’induction magnétique est orientée selon la règle « du tire-bouchon ». Si les 3 vecteurs sont
perpendiculaires deux à deux, il en résulte :
I est l’intensité du courant en [A] ; r est la distance entre le point considéré et le conducteur, en [m] ;
μ est la perméabilité magnétique du matériau considéré.
Actionneurs
En dehors du vide, la perméabilité magnétique est donnée par la formule μ = μ0⋅μr , où μr est la
perméabilité relative du matériau considéré. Celle-ci vaut μr = 1 pour le vide, l’air et la plupart des
matériaux.
Ce n’est que dans les matériaux ferromagnétiques comme le fer et le nickel qu’elle prend des valeurs
supérieures. Attention cependant : Un matériau magnétique n’a pas une perméabilité relative constante.
Même si elle peut atteindre 100'000 et plus pour de faibles courants, elle baisse rapidement lorsque le
courant augmente. On dit que « le fer sature », ce qui se produit pour des valeurs d’induction B comprise
entre 0,2 et 1,5 T suivant la composition de l’alliage.
Utilisé sous forme de noyau pour une bobine, le fer augmente fortement l'induction créée par une bobine
en concentrant les lignes de forces, comme le montre la Figure III-11. Tout se passe comme si l’induction
magnétique cherchait les chemins qui présentent la plus forte perméabilité relative. Par exemple, elle se
concentre dans le fer d’un transformateur.
Induction magnétique dans une bobine contenant du fer gauche : bobine à air – l’induction est faible (μr=1) et
répartie tout autour droite : bobine sur fer – l’induction est forte (μr > 1’000) et concentrée
Par ailleurs, l’effet du courant peut être augmenté par la multiplication des spires. Pour une telle bobine,
l’induction vaut :
Une bobine entourant un barreau ferromagnétique se comporte comme un aimant lorsqu'il est parcouru
par un courant. C'est le principe des électro-aimants qui activent les électrovannes et les relais.
2ème principe – force électromagnétique
Un conducteur dans lequel circule un courant électrique, placé dans un champ magnétique, est soumis
à une force. Celle-ci est perpendiculaire à la direction du courant et à celle du champ magnétique.
Actionneurs
Force électromagnétique et règle des trois doigts
Lorsqu'un conducteur parcouru par un courant se trouve dans une région de l'espace où règne un champ
magnétique, il est soumis à une force électromagnétique, perpendiculaire à la fois au conducteur et au
champ. Cette force est parfois appelée force de Laplace, même si cette interaction de deux courants par
l'intermédiaire du champ magnétique a été décrite par le savant français André Marie Ampère en 1820.
D’une importance capitale, ce phénomène est à la base du fonctionnement des moteurs, des haut-
parleurs, d’un grand nombre d’appareils de mesure, des contacteurs, etc.
Si le conducteur est rectiligne, et si celui-ci est soumis sur une distance l à une induction magnétique
uniforme B , la force de Laplace, en [N], correspond au produit vectoriel suivant :
où le vecteur I est orienté dans l’axe du conducteur ; son amplitude et son sens correspondent à
l’intensité I du courant ; Le vecteur B est orienté dans l’axe du champ magnétique ; son amplitude et son
sens correspondent à l’intensité b de l’induction magnétique ; Et l est la longueur, en [m], de la partie du
conducteur qui est placée dans le champ uniforme B .
La force est orientée selon la règle des trois doigts. Numériquement, elle se calcule comme suit :
où α est l’angle formé par les deux vecteurs I et B
a- 3ème principe – tension induite par variation du flux magnétique
Un circuit électrique, soumis à un flux magnétique variable, est le siège d’une tension induite.
Une tension induite ui(t) peut être modélisée par une source idéale de tension. Si l’on ferme le circuit,
par exemple sur une résistance R, un courant i(t) se met à circuler. En tenant compte de la Formule
précédente, la tension induite vaut :
Actionneurs
Flux magnétique interceptant un circuit électrique
Il en résulte que la tension induite peut être produite en variant l’induction magnétique, la surface du
circuit électrique, l’angle formé entre eux, ou toute combinaison de ces actions.
Plusieurs chercheurs avaient déjà constaté ce phénomène. Le physicien balte Heinrich Lenz fut le premier
à expliquer, en 1833, la manière de déterminer le sens de la tension induite :
Loi de Lenz : « Le sens d’une tension induite est tel que le courant électrique et les forces
électromagnétiques qui en résultent tendent, par leurs effets, à s'opposer à la variation de flux »
EXEMPLE
Si l’on fait pivoter une spire dans un champ magnétique, une tension induite apparaît à ses bornes. En
effet, on fait ainsi varier l’angle α entre le plan de la spire et l’induction magnétique. Plus la rotation est
rapide, moins il faut de temps pour faire passe cos α de 1 à -1 et réciproquement. L’amplitude de la
tension induite ainsi créée est proportionnelle à l’induction magnétique et à la vitesse de rotation de la
spire.
En connectant cette spire sur une charge, par exemple une résistance, il s’établit un courant induit dans ce
circuit. Ce courant crée à son tour un couple électromagnétique en vertu du 2ème principe. Ce couple
s’oppose à la rotation de la spire en vertu de la loi de Lenz, cherchant ainsi à réduire la vitesse, donc
l’amplitude de la tension induite.
Actionneurs
Ce phénomène est à la base du fonctionnement d’un alternateur. Plus on le charge électriquement, plus il
faudra lui fournir du couple pour maintenir sa vitesse.
EXEMPLE
Si 2 fils électriques reliant un capteur de mesure à la commande d’une machine ou d’une installation sont
câblés dans un environnement où d’autres appareils créent des champs magnétiques variables, une tension
induite s’ajoute comme une source de tension, en série dans le circuit de mesure, et peut en perturber le
fonctionnement.
Une première manière de diminuer ce phénomène consiste à router ces 2 fils côte à côte plutôt que
séparément. Ainsi, on réduit la surface de ce circuit électrique, donc le flux intercepté.
Si cela ne suffit pas, il est possible de diminuer encore cette perturbation en torsadant les 2 fils. Ainsi, le
flux intercepté par une demi-spire avec un angle de 90° est compensé par celui intercepté par la demi-
spire suivante, car celle-ci ayant approximativement la même surface voit l’induction magnétique avec un
angle de -90°.
Ces phénomènes sont d’autant plus importants que la fréquence et l’intensité des champs perturbateurs
sont élevées. Leur bonne compréhension permet d’améliorer la compatibilité électromagnétique (CEM)
des appareils et des machines, et d’assurer ainsi leur bon fonctionnement.
Moteur à courant continu et moteur « universel » :
Le premier moteur à courant continu a été réalisé en 1836. Cette technologie a été beaucoup utilisée
depuis pour toutes les applications à vitesse variable, en particulier pour les véhicules électriques comme
pour les machines-outils. Ils sont fabriqués dans une très large plage de puissance, de ~0,1 W à ~4 MW.
Actionneurs
Un moteur électrique en général, comprend : un stator et un rotor.
Le stator est la partie fixe du moteur, formant généralement son enveloppe extérieure.
Le stator d’un moteur à courant continu comprend une ou plusieurs sources de champ magnétique
continu. S’il s’agit d’électro-aimants, le courant qui y circule est appelé courant d’excitation du moteur.
Sinon, les champs magnétiques sont produits par des aimants permanents.
Le rotor est la partie mobile du moteur, fournissant le couple utile à la charge par l’intermédiaire de son
arbre.
Le rotor d’un moteur à courant continu comprend un ensemble de spires. Le courant qui y circule est
appelé courant d’induit du moteur.
Dans les machines à courant continu on trouve souvent un collecteur, qui est le dispositif qui permet
d’une part, de transmettre le courant de l’extérieur (fixe) aux spires du rotor (mobiles), et d’autre part de
commuter le courant de manière à ce qu’il circule de manière optimale dans les spires du rotor.
La fonction de commutation est essentielle. Chaque côté d’une spire qui tourne sur son axe passe devant
un pôle nord, puis devant un pôle sud, et ainsi de suite. De ce fait, l’induction magnétique B interceptée
par la spire change de sens régulièrement, en fonction de la position angulaire du rotor. Pour éviter que le
couple produit par la force F ne s’inverse au même rythme, il faut régulièrement inverser le courant dans
la spire, ce que réalise le collecteur.
Pour assurer le contact électrique et l’inversion régulière de sens du courant dans la spire, le collecteur est
composé de lames de collecteur au rotor, et de balais au stator. Les lames sont en cuivre, alors que les
balais sont généralement en graphite, matériau relativement bon conducteur et suffisamment mou pour ne
pas griffer les lames.
Le couple produit par le passage du courant dans une spire serait approximativement sinusoïdal sans la
présence du collecteur. Il prend l’allure d’une sinusoïde redressée grâce au collecteur. Ces pulsations sont
cependant gênantes. Aussi les moteurs à courant continu sont équipés de plusieurs spires, chacune reliée à
une paire de lames sur le collecteur. La figure ci-dessous illustre l’effet de lissage du couple réalisé en
passant de 1 à 2 spires au rotor, donc de 2 à 4 lames au collecteur.
Actionneurs
Couple produit avec un courant d’induit continu, pour 1 et pour 2 spires.
Pour mieux lisser le couple électromagnétique, les moteurs à courant continu sont réalisés avec un grand
nombre de spires et de lames.
Éléments constitutifs d’un moteur à courant continu et de son collecteur.
C’est finalement grâce à cette fonction de commutation assumée par le collecteur que ce type de moteur
est en mesure de délivrer un couple en présence d’un courant continu, d’où son nom. De manière abrégée,
on parle plutôt de moteur DC (de direct current en anglais).
Moteur DC à aimants permanents
L’excitation d’un moteur DC, donc la création du champ magnétique nécessaire à son fonctionnement,
peut-être réalisée de diverses manières. La plus simple sur le plan du principe de fonctionnement consiste
à utiliser des aimants permanents placés dans le stator.
Actionneurs
Symbole d’un moteur DC à aimants permanents
Comme l’induction magnétique B produite par les aimants est constante, le couple produit par le moteur
est proportionnel au courant d’induit. En toute rigueur, il faut en déduire les couples internes de
frottement pour obtenir le couple utile à l’arbre. C’est pourquoi on distingue le couple électromagnétique
(produit au sein du moteur) et le couple à l’arbre (couple mécanique utile).
La constante de couple kT d’un moteur DC à aimant permanent est le facteur de proportionnalité entre le
courant d’induit et le couple électromagnétique produit.
Me=kT⋅Ii,
où Me est le couple électromagnétique en [Nm],
kT la constante de couple en [Nm/A], et Ii le courant d’induit en [A]
En vertu du 3ème principe de l’électromagnétisme, il apparaît dans le circuit d’induit, indépendamment du
courant qui y circule, une tension induite Ui. En effet, bien que l’induction magnétique B et le courant
d’induit Ii soient constants, les spires tournent autour de l’axe du moteur. Ainsi, l’angle d’incidence de
l’induction sur le plan de chacune des spires varie au cours du temps. Le flux varie donc
proportionnellement à la vitesse de rotation.
On appelle force électromotrice (f.e.m.), Exprimée en [V] la tension induite Ui créée dans le circuit
d’induit d’un moteur DC à aimant permanent du fait de la rotation de son rotor.
Malgré son nom, la f.e.m. est bien une tension. Elle est directement proportionnelle à la vitesse de
rotation du rotor. Lorsque la vitesse de rotation est exprimée en [rad/s], la tension induite est donnée par :
Ui=kT⋅ ,
où Ui est la tension induite en [V], et kT la constante de couple en [Nm/A]
Principe moteur CC à aimant permanent
Actionneurs
Les imperfections du moteur à courant continu : -Pertes mécaniques par frottement secs
-Pertes par frottement visqueux
-Pertes Joules dans l'induit
Remarque : Les deux formules précédentes permettent d’écrire : Ui⋅Ii = Me⋅
Donc :Pélectrique fournie = Pmécanique utile
Toutefois, il faut insister sur le fait que cette équivalence de puissance ne tient compte ni
des pertes électriques (pertes Joules), ni des pertes mécaniques (frottements).
Si on prend en compte les pertes mécaniques (frottement), le couple à l’arbre sera donné par la relation :
Si on prend en compte les pertes électriques, la tension aux bornes de l’induit devient :
Actionneurs
Pertes et rendement.
Choix et calcul d’un moteur DC à aimants permanents :
Pour faire le bon choix, il faut avant tout se rappeler que le moteur DC à aimants permanents est un
convertisseur réversible d’énergie électrique en énergie mécanique, dont les équations caractéristiques
sont données précédemment.
Le choix du moteur adéquat pour une application se fait normalement à l’aide de la procédure ci-dessous,
éventuellement par itération :
Étape no 1 : Tenir compte tout d’abord des critères mécaniques : Vitesse nominale, couple nominal (en
négligeant les frottements internes au moteur), réducteur probablement nécessaire, dimensions, poids,
inertie interne, résistance aux corps étrangers et liquides agressifs, possibilité de ventilation forcée, etc.
Étape no 2 : Déterminer alors ses caractéristiques électriques. Un même moteur peut être conçu pour
fonctionner avec une tension plutôt basse, ou au contraire plutôt élevé. La différence réside uniquement
dans les spires de l’induit. Avec peu de spires, une tension relativement basse suffira, mais il faudra un
courant plutôt élevé pour fournir le couple requis. Avec plus de spires, la tension devra être plus élevée,
mais le courant nécessaire sera plus faible. Le choix tient compte avant tout de l’alimentation en tension
continue disponible, ainsi que des variantes proposées par le fournisseur.
Étape no 3 : Avant de livrer une machine ou une installation, il est indispensable de procéder à des essais
de validation, voire à une homologation. Beaucoup d’entreprises préconisent le fonctionnement d’un
prototype pendant plusieurs mois sur un site pilote en clientèle avant la production en série.
Si le moteur fonctionne en permanence à régime nominal, on dit qu’il est en régime S1. Le couple qu’il
fournit est utilisé principalement pour compenser un couple externe constant (maintien d’une masse en
position verticale, couple d’usinage, frottements externes). Il faut alors choisir un moteur dont le couple
nominal et la vitesse nominale dépassent légèrement le point de fonctionnement. Pour un premier choix,
on peut souvent prendre en compte un facteur de sécurité de ~10% pour ces deux critères (vitesse et
Actionneurs
couple). Ce coefficient tient compte des frottements internes au moteur, ainsi que des variations de
caractéristiques des aimants permanents.
Dans les applications de machines-outils comme celles de véhicules électriques, les moteurs fonctionnent
plutôt en régime impulsionnel. Des calculs supplémentaires sont nécessaires, car le couple du moteur est
utilisé essentiellement pour accélérer et ralentir les masses en mouvements (couple d’accélération). Il
faudra ainsi :
Étudier la cinématique du système : Les accélérations nécessaires doivent être réalisées sans que
le couple d’accélération correspondant provoque un échauffement excessif du moteur. Tenant
compte des inerties, il faut réduire autant que possible la masse et l’inertie des organes en
mouvement. Il faut peut-être même optimiser le rapport de réduction en tenant compte de la règle
empirique.
Tenir compte du fait qu’un moteur fonctionnant en régime impulsionnel fonctionne souvent dans
les 4 quadrants, ce qui pose des contraintes supplémentaires sur le choix du réducteur.
La norme définit bien des régimes S3, S4, etc. pour les différents régimes impulsionnels. Pour le
choix des servomoteurs cependant, il est plus utile de faire un calcul approximatif de
l’échauffement du moteur en considérant que toutes ses pertes électriques et mécaniques sont
proportionnelles au carré du couple.
Cette affirmation est vraie pour les pertes ohmiques dues à la circulation du courant dans le
collecteur et le circuit d’induit, car il est proportionnel au couple.
Cette affirmation n’est pas tout à fait vraie pour les pertes dues aux frottements qui dépendent
plutôt de la vitesse de rotation, mais l’approximation proposée est du côté de la sécurité si on
considère les frottements à vitesse max.
Si l’on définit un cycle de charge type, et qu’on le décompose en n phases (i = 1, 2, … n) où le
couple est approximativement constant, il est aisé d’évaluer les pertes en se basant sur le couple
efficace Mrms, comme suit :
Le choix est alors similaire au cas du régime permanent S1. On cherche un moteur dont le couple nominal
est supérieur de ~10% au couple thermique Mrms calculé, et dont la vitesse nominale est supérieure de
~10% à la vitesse max. atteinte par le moteur au cours de son utilisation cyclique.
Utilisation des moteurs DC à aimants permanents :
Les moteurs DC à aimants permanents sont disponibles pour les puissances suivantes :
Actionneurs
Ceux de puissance comprise entre ~0,1 W et ~100 W sont particulièrement simples à mettre en
œuvre car l’électronique permettant de faire varier la tension est particulièrement simple, fiable et
bon marché.
Ceux de puissance comprise entre ~100 W et ~10 kW sont encore utilisés sur d’anciens modèles
de machines-outils et autres machines de production, avec un variateur électronique de tension ou
un servo amplificateur. Mais ils ont été déclassés par les moteurs synchrones à aimants
permanents, appelés aussi servomoteurs sans balais. Ceux-ci offrent de meilleures performances
avec moins de problèmes de maintenance.
Au-delà de ~10 kW, cette technologie est prohibitive à cause du coût des aimants.
Attention : La plupart des moteurs DC à aimants permanents doivent être utilisés avec un variateur de
tension ou à un servo amplificateur. En effet, on ne peut les relier d’un coup à leur tension nominale, car
leur courant d’induit deviendrait prohibitif, ce qu’ils ne supportent pas. Seuls les moteurs de très petites
puissances ont une résistance interne Ri suffisamment élevée et peuvent être utilisés en mode tout ou rien.
a- Moteurs à courant continu avec autres modes d’excitation :
- Moteur DC à excitation séparée,
L’aimant est remplacé par un enroulement sur le stator qui produit un champ constant
Actionneurs
Le schéma électrique équivalent de l’induit est un réseau R,L ,E fcem série.
La force contre électromotrice est égale à:
Φ est le flux généré par l’excitation
Ω la vitesse de rotation.
Le fonctionnement d’un moteur DC à excitation séparée répond à des équations très similaires à celles du
moteur DC à aimants permanents. Ce sont des électro-aimants qui produisent l’induction magnétique B
au stator, au lieu des aimants permanents. Ils sont alimentés par une tension continue constante Ue, et
comme leur bobine a une résistance Re, le courant d’excitation vaut :
Chaque moteur est caractérisé pour un courant d’excitation nominal Ie nom obtenu avec une tension
d’excitation Ue nom. Si la tension d’excitation est différente, l’induction magnétique B l’est aussi. Les
équations caractéristiques de ce type de moteurs deviennent ainsi :
Actionneurs
Comme le courant d’excitation de ce type de moteur est constant, son comportement est le même que
celui du moteur DC à aimants permanents.
Il faut cependant prendre garde au fait qu’il ne faut jamais interrompre l’alimentation de l’excitation tant
que circule un courant d’induit. En effet, la dernière formule montre que, si la tension U reste connectée
alors que le courant d’excitation Ie tend vers zéro, la vitesse ω doit augmenter vers l’infini. Il se produit
réellement un phénomène d’emballement extrêmement dangereux.
La gamme d’utilisation des moteurs DC à excitation séparée s’étend de ~1 kW à ~4 MW, pour des
applications à vitesse variable. Toutefois, les moteurs synchrones et asynchrones leur sont de plus en plus
préférés, car ils ne comportent pas de collecteur.
Commande par un hacheur
Commande : synoptique général
kT
Actionneurs
Contrôle du courant
Commande par driver et hacheur à MOS
Actionneurs
Moteur DC à excitation série et « moteur universel » :
Un autre mode d’excitation, très souvent utilisé est le moteur DC à excitation série.
Dans ce cas, le courant d’excitation et le même que le courant d’induit puisque les deux circuits du
moteur sont en série. Les équations caractéristiques de ce type de moteur sont donc :
Le comportement de ce type de moteur diffère fondamentalement des deux types précédents : La droite
de charge devient approximativement une parabole, comme le montre la figure ci-dessous.
Actionneurs
En particulier, lorsque la tension U est fixe et que la vitesse ω est faible, le courant du moteur I et donc
son couple électromagnétique Me dépendent essentiellement de la résistance du circuit. Il suffit d’ajouter
une résistance externe en série avec Ri et Re pour contrôler directement le couple. Par comparaison, il
n’est pas possible de régler aussi facilement le couple des moteurs à aimants permanent et à excitation
parallèle.
Cette caractéristique explique pourquoi ce type de moteur a été le moteur de traction au début de l’histoire
des véhicules électriques. Dans certains cas, la combinaison d’une excitation série et d’une excitation
parallèle donne un moteur DC à excitation compound.
Dans l’équation du couple de la Formule de Me, le courant intervient au carré. Ainsi, le couple ne dépend
pas du sens du courant. Cette particularité ne permet donc pas de passer du fonctionnement en moteur au
fonctionnement en freinage en inversant le courant. Le moteur DC à excitation série ne convient donc
bien que pour des applications à 1 quadrant, sauf si on le complète de tout un système de contacteurs.
Par contre, un tel moteur peut également fonctionner s’il est alimenté en tension alternative. C’est
pourquoi on l’appelle moteur universel. Ses performances sont faibles car les spires de l’induit dégradent
fortement le facteur de puissance cosφ. De plus, pour des raisons vues en cours de machines, la
commutation du courant entre les lames du collecteur provoque des étincelles qui, à la longue, dégradent
les balais.
C’est parce qu’il est plus facile de transporter à grande distance de l’énergie électrique sous forme
alternative que continue que certains chemins de fer ont introduit cette technologie dès 1912. Pour
atténuer le problème du collecteur, ils ont dû cependant diminuer la fréquence. C’est la raison pour
laquelle les chemins de fer d’Allemagne, d’Autriche, de Suède et de Suisse, qui ont fait œuvre de
pionniers dans ce domaine, ont leurs caténaires sous 15 kV à 16,66 Hz. Cette fréquence réduite diminue
d’un facteur 3 les inconvénients cités plus haut.
Les moteurs à excitation série sont de moins en moins utilisés actuellement en traction électrique, ceci
surtout à cause de leur maintenance. Les balais de collecteur doivent être remplacés toutes les 1000 à
2000 heures de fonctionnement. Le collecteur lui-même doit être révisé tous le 2-3 ans. Une fois encore,
les progrès de l’électronique de puissance permettent actuellement d’utiliser des moteurs synchrones et
asynchrones, fournissant des performances supérieures dans un encombrement moindre, réduisant les
problèmes de maintenance, et ceci pour un coût comparable.
Le moteur universel est aussi utilisé dans de multiples appareils électroménagers et outils portables,
alimentés directement à partir du réseau 50 ou 60 Hz. Leur puissance est cependant limitée à 500 W
environ.
Actionneurs
Moteur synchrone et servomoteur sans balais
Vers 1890, aux USA, alors que Thomas Edison faisait une intense promotion des technologies de
production et de motorisation électrique à courant continu, Nikola Tesla et George Westinghouse
introduisaient les technologies à courant alternatif. Ils en avaient compris les avantages, à savoir la facilité
de transport d’énergie à grandes distances grâce aux transformateurs, et la maintenance simplifiée par
absence de collecteur. L’histoire de la technique a montré qu’ils eurent raison.
Tous les alternateurs, qui transforment l’énergie mécanique en énergie électrique, sont en fait des moteurs
synchrones, fonctionnant dans un quadrant de freinage. Les plus gros réalisés à ce jour atteignent 1600
MW. Nous verrons plus loin que la vitesse de rotation est liée à la fréquence de l’alimentation. Comme
celle-ci est constante, les alternateurs sont toujours accélérés progressivement par la turbine (à gaz ou à
eau) avant d’être connectés au réseau. Après, leur vitesse de rotation est fixe (par exemple, 3000 r/min,
soit 50 tours par seconde, pour un turboalternateur à vapeur).
Les entraînements de forte puissance, dans les cimenteries et laminoirs comme dans les trains et de
navires, font également appel aux moteurs synchrones. Avant l’introduction de l’électronique de
puissance dès 1970, leur démarrage n’était possible qu’à l’aide de moteurs auxiliaires, continus ou
asynchrones. La vitesse variable était simplement impossible, et restait l’apanage quasi exclusif du
moteur DC, tant dans les chemins de fer que dans les machines de production et installations.
Ce ne fut qu’à partir de 1970 que les progrès en électronique de puissance et en informatique de
régulation permirent enfin de faire profiter toutes les machines de production des avantages
technologiques du moteur synchrone. Les servomoteurs DC sont maintenant remplacés par des
servomoteurs « sans balais », qui ne sont rien d’autre que des moteurs synchrones à aimants permanents,
dans une gamme de puissance de ~50 W à ~10 kW.
Servomoteurs « sans balais », donc synchrones à aimants permanents
Actionneurs
La grande différence entre le moteur à courant continu et le moteur synchrone réside dans la permutation
de l’excitation et de l’induit. Contrairement au moteur à courant continu, le moteur synchrone dispose de
son excitation au rotor et de son induit au stator. Ainsi, l’alimentation des bobines de l’induit se fait
directement, sans collecteur. Lorsque l’excitation est réalisée par des aimants permanents, il n’y a aucun
courant électrique qui circule au rotor. Même lorsqu’elle est réalisée par des électro-aimants, le courant
continu nécessaire est transmis au rotor à l’aide d’un système de bagues moins délicat qu’un collecteur,
ou d’un système à transformateur tournant sans contact direct.
Différence de principe entre le moteur DC (à gauche, avec les aimants au stator) et le moteur synchrone (à droite, avec
les aimants au rotor).
La difficulté résulte cependant du fait que, si les bobines du stator sont alimentées en courant continu, les
aimants du rotor vont simplement s’aligner en face de ces bobines, puis rester arrêtée à cet angle. Pour
que le rotor tourne, l’alimentation des bobines du stator doit être variable au cours du temps. L’idée
consiste à les alimenter de manière à créer un champ magnétique tournant.
La vitesse du moteur synchrone est donnée par :
où f est la fréquence en [Hz] et p le nombre de paires de pôles
La table ci-dessous montre la vitesse synchrone en fonction du nombre de paires de pôles, pour des
alimentations triphasées européenne (à 50 Hz) et américaine (à 60 Hz).
Toutes les bobines connectées en série dans le stator d’un moteur synchrone constituent une phase. Ainsi,
un moteur triphasé comporte toujours 3 phases, constituées chacune de 1, 2 ou plusieurs bobines.
Actionneurs
Principe de fonctionnement du moteur synchrone à fréquence fixe
Le 2ème principe de l’électromagnétisme, vu précédemment, explique comment un conducteur, parcouru
par un courant, placé dans un champ magnétique, est soumis à une force susceptible de le mettre en
mouvement. L’inverse est aussi vrai, en vertu du principe de l’action et de la réaction : Si les conducteurs
sont fixes et les aimants produisant le champ sont mobiles, ce sont les aimants qui se mettent en
mouvement. C’est le même principe qui explique le fonctionnement du réacteur d’avion : Si celui-ci
éjecte les gaz de combustion en leur appliquant une certaine force, il est lui-même soumis à une force
équivalente de sens opposé, utilisée pour propulser l’avion.
Ainsi, dans un moteur synchrone, le système triphasé de courants parcourant les bobines du stator crée un
champ tournant, mais les bobines et leurs conducteurs restent immobiles. C’est l’aimant, fixé au rotor, qui
entraîne celui-ci dans son mouvement de rotation à la vitesse synchrone.
Par analogie, si on représente le champ tournant par un disque en rotation et le rotor par un second disque
tournant sur le même axe, la force électromagnétique peut être comparée à l’effet de ressorts reliant ces 2
disques. Si le rotor est freiné par un couple résistant Mfrein, les ressorts se tendent jusqu’à ce que leur
déformation corresponde à une force contrebalançant exactement le couple résistant. Si le couple résistant
cesse, les ressorts se détendent et ne transmettent pratiquement plus qu’une petite force pour compenser
les frottements internes.
De la même manière, pour fournir un couple à l’arbre, le rotor d’un moteur synchrone prend un petit
angle de retard sur le champ tournant, soit un déphasage juste suffisant pour que le couple
électromagnétique contrebalance exactement le couple à l’arbre. Ce déphasage est appelé angle de charge
δ. Si le couple à l’arbre est constant, l’angle de charge est également constant, et la vitesse de rotation du
rotor reste identique à la vitesse du champ tournant. Si le couple résistant excède une certaine limite Mk,
le couple électromagnétique fourni par le moteur ne peut plus le contrebalancer. On dit que le moteur
décroche, et le rotor finit par s’arrêter. Tout se passe comme si, dans l’analogie des 2 disques et des
ressorts, ceux-ci cassaient après avoir été trop sollicités.
Caractéristique de couple d’un moteur synchrone, où δ est l’angle de charge en [rad] et Me le couple électromagnétique
en [Nm]
Actionneurs
La limite de décrochage, soit le couple maximum Mk que peut fournir un moteur synchrone, dépend
essentiellement de facteurs constructifs. Dans la pratique, si un moteur synchrone décroche, c’est presque
toujours dû à une augmentation du couple résistant suite à une perturbation au niveau de la charge
(surcharge mécanique, dégradation des paliers ou des alignements, etc.)
Lorsqu’un moteur synchrone est alimenté par une source triphasée de tension et de fréquence constantes,
il tourne à la vitesse synchrone qui est constante. L’angle de charge δ se stabilise à une valeur telle que le
couple électromagnétique Me contrebalance exactement le couple résistant Mfrein. La Figure 4.60 montre
que le point de fonctionnement est stable s’il se trouve à une valeur de δ comprise entre -π/2 et +π/2. En
dehors de cette zone, il est instable.
Comme les moteurs triphasés sont conçus pour charger l’alimentation de manière parfaitement équilibrée,
les 3 courants efficaces sont identiques. Un tel moteur est caractérisé par les relations de puissances
suivantes :
Uc (tension efficace composée de l’alimentation triphasée) est constante, I (courant efficace de chacune
des 3 phases) varie en fonction du couple fourni, cosϕ (facteur de puissance) tient compte du déphasage
entre courant et tension.
où η est le rendement du moteur, tenant compte des pertes ohmiques et des pertes internes de frottement.
Comme pour le moteur à courant continu, les échauffements dépendent essentiellement du carré du
courant, donc du carré du couple fourni. Lorsque le moteur doit fournir un couple variable au cours du
cycle de fonctionnement de la machine, on peut donc calculer le couple efficace pour faire une première
sélection, comme montré précédemment pour les moteurs à courant continu.
Attention : En travaillant avec un moteur synchrone, il faut faire attention à ne pas confondre les
différentes expressions de la vitesse de rotation avec la fréquence et la pulsation de l’alimentation
électrique triphasée :
• La vitesse de rotation du moteur peut être exprimée par
− N en tours par minutes [r/min] ;
− n en tours par seconde [r/s] , éventuellement en [s-1] ;
− ω en radian par secondes [rad/s].
• La fréquence de l’alimentation triphasée du moteur est exprimée par : f en Hertz [Hz], ou
éventuellement en [s-1].
• La pulsation de l’alimentation triphasée du moteur est exprimée par : − ω en radian par secondes [rad/s].
Actionneurs
La même abréviation ω est utilisée pour la vitesse de rotation et pour la pulsation, alors qu’elles
représentent des grandeurs fondamentalement différentes. S’il y a risque de confusion, il conviendra d’y
ajouter un indice permettant de les différentier, par exemple ωr pour la rotation et ωa pour la fréquence de
l’alimentation.
Démarrage d’un moteur synchrone :
Le fait qu’un moteur synchrone ne puisse fournir un couple que si le rotor tourne à la vitesse du champ
statorique, comme on l’a vu au paragraphe précédent, pose un problème majeur au démarrage. Alimenté
directement par le réseau triphasé à 50 ou à 60 Hz, un moteur synchrone ne peut pas démarrer. C’est dû
au fait qu’à l’arrêt, un couple d’accélération n’est disponible que pendant une fraction de la période, soit
quelques millisecondes seulement. A la demi période suivante, le couple électromagnétique s’inverse.
Une accélération de l’arrêt à la vitesse synchrone pendant un laps de temps aussi court n’est
théoriquement possible que si l’inertie du rotor et de sa charge était extrêmement faible, ce qui n’est
jamais le cas.
Si par contre, on dispose d’un moyen auxiliaire pour lancer le moteur à une vitesse proche de sa vitesse
synchrone, le moteur va spontanément se mettre au synchronisme, puis tourner exactement à la vitesse
synchrone. Ce moyen auxiliaire peut être réalisé comme suit :
• Ajouter un moteur externe utilisant une autre technologie adaptée à la variation de vitesse. Ainsi, un
alternateur est démarré à l’aide de la turbine à gaz ou à eau, avant d’être connecté au réseau qu’il doit
alimenter.
• Combiner un moteur de démarrage de technologie asynchrone au moteur principal synchrone.
Comme nous le verrons au chapitre suivant, un tel moteur est capable, sous certaines conditions, de
démarrer lorsqu’il est connecté directement au réseau. Il suffit d’ajouter aux aimants du rotor quelques
spires en court-circuit, en cuivre ou en aluminium. On parle alors d’un moteur synchrone à démarrage
asynchrone.
Le démarrage d’un moteur synchrone est également possible au moyen d’un variateur de fréquence.
Celui-ci l’alimente à une fréquence qui croît progressivement de 0 Hz (arrêt) à 50 Hz (vitesse nominale),
voire à des fréquences supérieures (survitesse).
Avant 1970, la réalisation d’un tel variateur n’était possible qu’en accouplant plusieurs moteurs et
générateurs électriques de technologies différentes. Ce n’était économiquement réalisable que pour des
entraînements de très fortes puissances comme dans les cimenteries et les laminoirs.
Depuis, l’évolution de l’électronique de puissance a rendu possible la construction de variateurs de
fréquence jusqu’à des puissances de l’ordre de plusieurs MW dont la performance, la fiabilité et le prix
sont devenus compétitifs. Ils peuvent aussi délivrer des fréquences supérieures et amener le moteur
synchrone en régime de survitesse.
Actionneurs
C’est la raison pour laquelle ces moteurs remplacent systématiquement les moteurs à courant continu de
tous types, que ce soit sur des machines de production ou en traction électrique. Même des palettiseurs
alimentés par batterie, donc disposant d’une alimentation en tension continue, sont maintenant équipés de
servomoteurs synchrones à aimants permanents.
Le servomoteur synchrone à aimants permanents :
Le moteur synchrone dont le champ rotorique est créé par des aimants permanents est un servomoteur
idéal pour les machines. Alimenté par un servo amplificateur adéquat, il est aussi facile à utiliser qu’un
moteur DC à aimants permanents. Le surcoût de l’électronique est compensé par ses nombreux avantages,
qui sont :
• Absence de collecteurs, donc moins de problèmes d’usure et de maintenance. Seuls les paliers et
roulements présentent un phénomène d’usure et limitent le fonctionnement du moteur à 30'000 heures
environ.
• Possibilité de tourner à haute vitesse. Presque tous ces moteurs peuvent atteindre 6'000 r/min sans
problème. Des vitesses de 50'000 r/min sont possibles. Même 200'000 r/min peuvent être atteints si l’on
utilise des paliers magnétiques.
• Ses pertes cuivre apparaissent au stator et non au rotor. Elles sont donc plus faciles à évacuer.
Au besoin, le refroidissement à l’eau est plus facile. Le rotor chauffe moins, ce qui est important pour
certaines machines de précision.
• Même à haute vitesse, ce moteur peut délivrer un couple impulsionnel important. En pratique, il peut
atteindre 2 à 5 fois le couple nominal. Les seuls problèmes d’usure sont à nouveau au niveau des paliers,
en particulier si les forces radiales et axiales exercées par le réducteur ou la charge sur l’arbre du moteur
augmentent trop.
• Le rapport couple / inertie est environ 2 fois plus favorable que pour un servomoteur DC, ce qui permet
d’améliorer la dynamique des machines et leur productivité.
On appelle souvent ce type de moteur servomoteur sans balais (en anglais : brushless motor). En toute
rigueur, c’est un moteur synchrone auto commuté à aimants permanents. Cela exprime le fait qu’un servo
amplificateur alimente et commute les bobinages du stator avec des courants dont la valeur instantanée
dépend de la position angulaire du rotor, celle-ci étant mesurée à l’aide d’un capteur angulaire.
L’usage veut que l’on distingue ces moteurs en fonction de la forme de leurs courants d’alimentation :
• Le moteur DC sans balais (en anglais : DC brushless motor) est alimenté par des courants de forme
rectangulaire. En fait, il n’y a à la base qu’un seul courant qui, à l’aide des transistors de commutation,
circule dans 2 phases en série, alors que la 3ème est inactive. Le choix des phases actives et la
commutation de l’une à l’autre dépendent uniquement de la position angulaire.
Actionneurs
Allure du courant dans les 3 phases d’un moteur DC sans balais – Le même courant traverse 2 phases en série alors que
la 3ème est inactive ; la commutation a lieu à des positions angulaires précises
Tout se passe comme dans un moteur DC à aimants permanents, sauf que la commutation du courant
entre les phases est réalisée par des transistors au lieu du collecteur. Les équations caractéristiques de ce
moteur sont les même que pour un moteur DC à aimants permanents, à savoir :
Attention : Les courants de phase et les tensions aux bornes du moteur ne sont pas ceux qui apparaissent
dans la formule ci-dessus. Leur valeur saute, par exemple, de +Ii à 0, puis de 0 à -Ii , puis de -Ii à 0, et
ainsi de suite.
Lorsque le moteur tourne à une vitesse supérieure à quelques centaines de tours par minute, la
commutation du courant ne peut se faire aussi rapidement que nécessaire, ce qui provoque des impulsions
perturbatrices de couple. Ce phénomène peut être très gênant lorsque le mouvement doit suivre une
trajectoire très précise comme dans une machine-outil à rectifier les engrenages. Par contre, cette
technique convient parfaitement à l’entraînement de petits ventilateurs.
• Le moteur AC sans balais (en anglais : AC brushless motor) est alimenté par trois courants de forme
sinusoïdale, formant un système triphasé. Ils sont déterminés comme suit :
− A vitesse constante, ils sont déphasés de 120° l’un par rapport à l’autre.
− Leur somme en valeur instantanée est nulle (charge équilibrée).
− L’angle de charge δ est ajusté à 90° pour que le couple produit soit aussi grand que possible. Le moteur
est ainsi à la limite du décrochement décrit à la 0, mais le servo amplificateur contrôle l’ensemble pour
que le point de fonctionnement reste stable. Revenant à l’analogie des 2 disques liés par des ressorts, c’est
comme si on réglait le 1er disque de manière à ce que les ressorts soient toujours tendus à la limite de
rupture.
Actionneurs
− Le couple produit est très régulier, car il n’est pas nécessaire de commuter rapidement les courants dans
les phases du stator.
Allure du courant dans les 3 phases d’un moteur AC sans balais –système de courants sinusoïdes triphasés
Tout se passe à nouveau comme dans un moteur DC à aimants permanents. Les équations caractéristiques
de ce moteur sont presque les même que pour un moteur DC à aimants permanents, à savoir (rappel des
formules vues dans les pages précédentes) :
Cette dernière formule fait intervenir l’inductance des enroulements statoriques, ainsi qu’une expression
de la tension faisant intervenir la théorie des nombres complexes et les calculs d’impédances.
De plus, il n’y a pas de règle uniforme sur la définition des coefficients kT et kE, ni sur la valeur de la
tension ainsi obtenue. Certains fabricants de moteurs fournissent des valeurs permettant de calculer la
tension composée efficace, d’autres la tension simple efficace, d’autres encore la tension composée crête.
Fort heureusement, les fabricants de moteurs fournissent des diagrammes qui permettent de déterminer
directement le couple permanent et le couple maximum pour chaque valeur de vitesse, en fonction de la
tension nominale d’alimentation du servo amplificateur.
L’électronique de régulation pour un tel moteur est plus difficile à réaliser, mais ne pose plus de problème
majeur. Même le prix en est acceptable. Le positionnement en phase des 3 courants nécessite une mesure
de position angulaire relativement précise. Cette technologie est la plus utilisée actuellement dans les
machines de production, et fait partie actuellement de l’état de l’art. Elle cumule en effet tous les
avantages possibles que peut avoir un entraînement dont on veut faire varier la vitesse et contrôler la
position.
Le servo amplificateur qui alimente un servomoteur synchrone à aimants permanents fonctionne comme
une source de courant triphasée :
Actionneurs
• Il mesure la position angulaire du rotor, détermine si le moteur doit être accéléré ou freiné pour suivre la
trajectoire souhaitée, et détermine le couple nécessaire pour effectuer la correction.
• Il calcule en permanence le courant nécessaire de chaque phase.
− Pour un moteur DC sans balais, il détermine la valeur de I et les 2 phases actives.
− Pour un moteur AC sans balais, il détermine le vecteur de courant I (amplitude et phase) pour
déterminer la valeur de chacun des 3 courants de phase.
Moteur asynchrone
Le moteur asynchrone, appelé aussi « moteur à induction », a été inventé par Nikola Tesla vers 1890, aux
USA. Sur le plan constructif, il est le plus simple des moteurs électriques, donc le plus économique à
l’achat. C’est aussi le plus répandu (~80% des moteurs utilisés en machines), dans une gamme de
puissance allant de ~10 W à ~25 MW. Le plus souvent, sa vitesse de rotation est de ~1450 r/min en
Europe (50 Hz), et de ~1740 r/min aux USA (60 Hz), mais d’autres vitesses nominales sont disponibles,
en fonction des utilisations.
Dans le domaine des entraînements industriels à vitesse variable, on fait de plus en plus souvent appel à
ce type de moteurs. Il présente un bon rapport couple / volume. Comme moteur de broche, il peut tourner
à grandes vitesses (→ 150000 r/min).
Ses utilisations à vitesse fixe sont les pompes, ventilateurs, convoyeurs, ascenseurs, etc. Il est alors
souvent commandé en tout ou rien par simple connexion au réseau d’alimentation.
On l’utilise également avec un variateur de fréquence. Celui-ci est utile pour ajuster sa vitesse et, par
conséquent, le débit de la pompe, du ventilateur, etc. aux besoins réels. Cette manière de faire, plus
coûteuse à l’installation (variateur en plus), permet de réaliser des économies d’énergie importantes.
Le moteur asynchrone est utilisé pour de nombreuses autres applications à vitesse variable : bobinage /
débobinage, broches de machines-outils, traction électrique, etc.
Par contre, même si c’est techniquement possible d’équiper un moteur asynchrone avec un capteur de
position, on ne l’utilise qu’exceptionnellement pour des applications de type servomoteur. Son rotor
comporte en effet une inertie qui est plus du double de celle d’un moteur synchrone à aimants permanents
de couple équivalent, ce qui convient moins bien pour des applications dynamiques.
Le moteur asynchrone est caractérisé par une construction mécanique simple et robuste.
Son stator est très semblable à celui d’un moteur synchrone. Alimenté en tension alternative triphasée, il
crée un champ tournant dont la vitesse dépend de la fréquence de l’alimentation et du nombre de paires de
pôles.
Le rotor cylindrique des moteurs asynchrones à cage d’écureuil est constitué d’un empilage de tôles
minces en fer, découpées pour créer des encoches. Chaque encoche contient une barre conductrice,
Actionneurs
généralement en aluminium. Ces barres sont court-circuitées entre elles à chaque extrémité par un anneau
de même matière, formant une sorte de cage. Un tel rotor ne comporte ni aimants permanents, ni
collecteur ou bagues.
Rotor d’un moteur asynchrone à cage d’écureuil
Certains moteurs asynchrones, en particulier ceux de forte puissance, ont un rotor bobiné plutôt qu’une
cage. Les spires sont reliées à 3 bagues, et leur mise en court-circuit est réalisée à l’extérieur du moteur.
Ce mode de faire permet la mise en série de résistances, ce qui permet d’ajuster la vitesse sans faire appel
à un convertisseur de fréquence.
Moteur asynchrone monophasé : Ce moteur est très similaire au moteur asynchrone, sauf qu’il ne comporte qu’un seul enroulement au
stator et qu’il est alimenté en tension monophasée. Ce principe est intéressant par la simplicité de son
alimentation pour des puissances jusqu’à ~1 kW. Il est utilisé pour de nombreux appareils
électroménagers. En comparaison avec le moteur DC à excitation série également alimenté en
monophasé, il pose moins de problèmes d’entretien puisqu’il ne comporte pas de collecteur.
Le champ magnétique produit par le stator est un champ pulsant, et non pas un champ tournant. Le rotor
est donc incapable de démarrer. Toutefois, s’il reçoit une première « chiquenaude » et commence à
tourner, alors le rotor peut accélérer comme s’il y avait un champ tournant. Sa caractéristique ressemble à
celle du moteur asynchrone.
Pour créer cette chiquenaude, les moteurs de ce type disposent d’une astuce constructive qui intervient à
la mise sous tension. Il s’agit souvent d’un enroulement supplémentaire alimenté en parallèle avec
l’enroulement principal, en série avec un condensateur.
Actionneurs
Moteur pas à pas
Le moteur pas à pas est apparu vers les années 1970. Il doit en effet être alimenté par des impulsions
électriques qui ne peuvent être réalisées qu’avec des composants électroniques, et ceux-ci ne sont apparus
qu’à cette époque.
Il n’est pas nécessaire d’ajouter de capteur de position, car le moteur lui-même se comporte comme un
capteur incrémental. De tels moteurs ne sont cependant disponibles que pour des puissances inférieures à
~200 W. On les trouve ainsi sur toutes les machines qui requièrent des mouvements point à point de
faible puissance et pour lesquels une précision de ~10 degrés angulaire suffit, comme dans l’assemblage
de petits appareils.
De fabrication relativement simple, ces moteurs peuvent être fabriqués à des prix dérisoires, de l’ordre de
quelques francs. C’est pourquoi on les trouve aussi pour tous les petits systèmes automatiques, par
exemple pour le réglage des rétroviseurs des automobiles. C’est aussi le moteur qui est utilisé dans les
montres et pendules à quartz.
Le moteur pas à pas est une variante du moteur synchrone. Au lieu d’être alimentés à tension alternative
de fréquence constante, les enroulements du stator sont connectés à un générateur d’impulsions. Chaque
impulsion électrique reçue se traduit par la rotation d’un pas du rotor.
De tels moteurs présentent jusqu’à 200 pas par tour. En fonctionnement normal, leur vitesse de rotation
ne dépend que de la fréquence des impulsions électriques fpulse, ainsi que du nombre de pas par tour Npas.
Le couple produit par ces moteurs dépend de beaucoup de facteurs constructifs. C’est la raison pour
laquelle il est préférable de se référer aux caractéristiques fournies par les fabricants, et en particulier à
leur caractéristique de charge couple – vitesse.
On distingue 3 technologies, qui se différencient par la présence ou non d’aimants au rotor.
- Le moteur pas à pas à réluctance variable
- Le moteur pas à pas à aimants permanents
- Le moteur pas à pas hybride
-
Actionneurs
Moteurs pas à pas réluctance variable :
-
Moteurs pas à pas à aimants permanents :
Fonctionnement des moteurs pas à pas : En pas entier monophasé
Actionneurs
En pas entier biphasé
En demi pas
Actionneurs
Actionneurs
Moteurs spéciaux
Électro-aimants : L’électro-aimant permet de créer un champ magnétique à partir d’un courant. Il permet
donc de faire apparaître et disparaître ce champ simplement en enclenchant et en déclenchant son courant.
Comme tout champ magnétique attire des objets ferreux, l’électro-aimant permet d’y appliquer une force
et de la faire disparaître. C’est ainsi que l’électro-aimant, combiné à un ressort de rappel, peut être
considéré comme le plus simple des actionneurs électriques, même s’il n’est généralement pas classé
parmi les moteurs.
En fait, tout se passe comme si l’induction B(t) créée par le courant i(t) cherchait à réduire le parcours des
lignes de force en dehors du fer. Le système cherche à réduire ce qu’on appelle la réluctance du circuit
magnétique.
On pourrait démontrer que la force dépend de i2(t). Elle est donc toujours positive quel que soit le sens du
courant, et cherche toujours à rapprocher le barreau de l’électro-aimant.
Ce n’est que si l’on remplace le barreau en fer doux par un aimant permanent qu’il devient possible
d’influencer le sens de la force créée par le courant, en fonction de son sens.
Les utilisations comme actionneur de l’électro-aimant sont principalement :
• Les relais et contacteurs : Le barreau mobile entraîne des contacts électriques qui ainsi se ferment et se
rouvrent en fonction du courant circulant dans la bobine. Ils permettent la commande d’appareils
électriques de toutes puissances, alimentés en tension continue, alternative ou triphasée, à partir d’un
signal de commande issu par exemple d’un automate programmable.
Les relais sont également utilisés pour isoler les circuits de commande de ceux de puissance,
essentiellement aux fins d’améliorer la sécurité.
• Les distributeurs : Les mouvements du barreau mobile peuvent ouvrir et fermer des circuits
pneumatiques et hydrauliques. Les distributeurs permettent donc de commander ces actionneurs à partir
des signaux de commande de l’automate.
• L’orientation du flux des matériaux :Le barreau mobile entraîne des branchements mécaniques ou «
aiguillages », ce qui permet par exemple d’éjecter les pièces défectueuses d’une production en série. Cette
technique est également utilisée dans d’autres processus de guidages.
• Le soulèvement de matériaux ferreux : L’électro-aimant peut être utilisé comme préhenseur, c'est-à-dire
pour saisir des pièces en fer afin de les déplacer ou de les usiner. Un exemple d’application est la grue
dans certaines déchèterie.
Moteur à bobine mobile (voice-coil motor) Le moteur à bobine mobile fonctionne un peut comme un relais « à l’envers » : Au lieu que ce soit du fer
qui bouge sous l’action du courant circulant dans une bobine fixe, c’est la bobine elle-même qui coulisse
et le fer qui reste fixe. La bobine est fixée à l’organe de machine qui se déplace, et lui transmet la force
Actionneurs
électromagnétique. Il est plus simple que d’autres moteurs, du fait qu’il n’a qu’une seule bobine à
alimenter et ne requiert aucun réducteur pour créer des mouvements linéaires. Son principe constitue la
base des haut-parleurs permettant la reconstitution des sons jusqu’à plus de 20 kHz. C’est pourquoi il est
appelé en anglais voice-coil motor.
Ce type de moteur ne peut être utilisé que pour des déplacements de faible course (< 5 cm), par exemple
sur les machines de wire bounding (placement et soudure des connexions électriques sur les puces de
silicium des composants électroniques). Il se caractérise par sa très faible masse en mouvement et
présente des temps de réponse de l’ordre de 10 μs, ce qui lui permet d’atteindre des accélérations très
élevées.
La force qu’il peut produire est limitée à ~100 N. Comme sa masse en mouvement est très faible, son
accélération peut atteindre 500 m/s2.
Moteur linéaire : Le moteur linéaire fonctionne sur le principe du servomoteur synchrone à aimants permanents, qui est en
quelque sorte « déroulé ». Il permet de réaliser directement des mouvements linéaires, c'est-à-dire sans
aucun réducteur. Constitué d’un mobile, comprenant les bobinages, et d’une voie, qui comprend les
aimants permanents, il est souvent livré en kits, donc sans éléments de guidage. L’une des parties est
assemblée au bâti de machine, alors que l’autre est assemblée à l’organe mobile.
La voie du moteur linéaire peut avoir jusqu’à quelques mètres de longueur. Sa force peut atteindre 2'500
N, permettant d’atteindre des accélérations de 200 m/s2, soit 20 fois l’accélération terrestre ! En guise de
comparaison, il ne peut atteindre qu’un dixième de la densité d’énergie des actionneurs hydrauliques.
Mais, offrant offrent une rapidité de réaction cent à mille fois supérieure, il leur est largement préférés
pour les machines de production.
Comme les servomoteurs synchrones à aimants permanents, le moteur linéaire ne peut être utilisé qu’avec
un servo amplificateur. Une règle de mesure (capteur linéaire de position), est souvent nécessaire pour la
régulation. Comme cet élément constitue une part importante du prix de l’ensemble, il faut prendre garde
à choisir le modèle qui offre la précision requise, sans plus.
Actionneurs
Comme le moteur linéaire peut pratiquement être intégré à la machine et à la charge, la machine est plus compacte et ne
présente que des fréquences de résonance mécaniques élevées. Il se distingue en cela des moteurs rotatifs traditionnels qui, fixés
à la charge par l’intermédiaire d’accouplements et de réducteurs, créent des jeux et des résonances mécaniques à fréquence
faibles. Combiné au fait qu’il permet de réaliser des accélérations très élevées, le moteur linéaire permet de réaliser des
entraînements très dynamiques et précis pour des machines à hautes cadences de production, comme les machines à percer les
circuits imprimés de l’industrie électronique. Finalement, il ne présente que très peu d’usure.
Autre particularité intéressante : Cette technologie permet d’utiliser plusieurs mobiles sur une seule voie, un peu comme des
trains roulant sur une seule ligne. Cette possibilité est souvent utilisée en manutention. Par contre, ce moteur est difficile à
mettre en œuvre. Seule une excellente collaboration entre le fournisseur (électricien) et le concepteur (mécanicien) de la
machine permet de concrétiser tous les avantages de rapidité et de précision.
Moteur rotatif direct – moteur couple Le moteur rotatif direct, appelé parfois moteur couple, est caractérisé par le fait qu’il transmet directement son couple
électromagnétique à l’organe de machine, sans aucun réducteur.
Comme le moteur linéaire, il est utilisé comme servomoteur lorsque la productivité de la machine exige des mouvements très
dynamiques. L’absence d’accouplement limite l’inertie des masses en mouvement au strict nécessaire, et repousse les
Actionneurs
fréquences de résonance à des valeurs au-delà du kilohertz, ce qui permet de réaliser des entraînements à la fois très rapides et
très précis.
Son diamètre est compris entre 10 cm et 1,2 m, pour un couple de 1 à 5'000 Nm. Sa vitesse de rotation est généralement lente
(60 à 600 r/min). Présentant le même type d’avantages constructifs et d’inconvénients que le moteur linéaire, il est utilisé par
exemple pour l’entraînement du carrousel des centres d’usinage.
Autre particularité intéressante : Le moteur couple offre généralement un arbre creux, caractéristique parfois indispensable au
fonctionnement de la machine.
Moteur linéaire « vérin »
Les vérins
Certains vérins disposent d’amortisseurs afin d’obtenir un ralentissement en fin de mouvement de façon à éviter un choc du piston sur le
nez ou le fond du vérin.
D'autres vérins peuvent être équipés de dispositifs de contrôle de mouvement tels que régleurs de vitesse et capteurs de position
magnétique.
Actionneurs
Vérins rotatifs:
Le moteur linéaire « verrin » est à la base un moteur linéaire fonctionnant également sur le principe du servomoteur synchrone.
La différence réside dans la forme de la voie, constituée d’une tige contenant les aimants permanents, et qui coulisse à
l’intérieur d’un tube comprenant les bobinages. Il permet de réaliser
Vérin simple effet :Travaille que dans un sens : L'arrivée de la pression se fait sur un seul orifice d'alimentation, ce qui entraîne le
piston dans un sens, le retour s'effectuant sous l'action d'un ressort de rappel.
Actionneurs
Vérin double effet : comporte deux orifices d'alimentation. La pression est appliquée alternativement de chaque côté du piston ce qui
entraîne son déplacement dans un sens puis dans l'autre.
Caractéristiques communes des vérins
Un vérin est déterminé par sa course et par son diamètre
-La longueur du déplacement à assurer, dépend de sa course
-L'effort à développer dépend de son diamètre et de la pression du fluide.
- Poussée théorique d’un vérin :
F = P. S Avec :
F force développée en da N P la pression en bar, fixé par le réseau de commande S la surface du piston en cm2)
Actionneurs
En réalité, l’effort développé par le vérin doit être supérieur à la poussée théorique pour tenir compte des frottements. On adopte un
coefficient de majoration appelé taux de charge Tc. (en pratique Tc = 60%)
L’effort développé par le vérin est donné par :
F = M.g/Tc (avec M masse à déplacer en kg et g, la gravité= 9,81 m/s2)
Commande par distributeur
Le distributeur est un pré-actionneur associé à un vérin pneumatique (ou hydraulique. Il commande la circulation de l'énergie entre la source et l'actionneur
Représentation symbolique : rectangles juxtaposés = positions
Les flèches indiquent le sens d'écoulement du fluide sous pression. Les positions de fermeture sont représentées par des barres
transversales ( T ).
Convention distributeur : Un distributeur est repéré par 2 chiffres “i / j ”
i = nombre d'orifices actifs qui correspond aux liaisons
Actionneurs
possibles avec l'environnement (hormis les éventuels orifices de pilotage)
j = nombre de positions distinctes (= nombre de cas d'interconnexions qu'il peut assurer).
Convention distributeur
exemple : distributeur 2/2 pour simple effet ou vérin rotatif
Orifice1
Position 1 Position 2
Fermeture
Orifice2
Actionneurs
Autre exemple : distributeur 4/2 pour double effet
échap
Pilotage des distributeurs
Les ventouses
La ventouse est un actionneur qui agit en utilisant la dépression.
Le «vacuum» est créé par un éjecteur à buse ou Venturi.
Fonctionnement
Actionneurs
des mouvements linéaires jusqu’à 14 cm d’amplitude. Sa force peut atteindre 100 N, permettant
également d’atteindre des accélérations de 200 m/s2.
Ce type de moteur est généralement livré complet, capteur linéaire de position inclus. Sa mise en œuvre
n’est pas plus compliquée que celle d’un vérin pneumatique, tout en offrant des temps de réaction plus
rapide et la possibilité de contrôler exactement la vitesse et les accélérations pendant les mouvements.
Son inconvénient majeur réside dans le fait qu’il n’y a actuellement qu’un fournisseur. Son prix est
attractif par rapport aux autres entraînements électriques, mais nettement plus élevé qu’un vérin
pneumatique.
L’utilisation typique est l’orientation hyper rapide du flux des produits manufacturés, comme par exemple
le rejet des pièces défectueuses. On le trouve également pour le positionnement précis de pièces dans des
machines d’assemblage.
Actionneur et moteur piézo-électriques :
La piézo-électricité est la capacité de certains matériaux à se polariser lorsqu’ils sont contraints
mécaniquement. La tension apparaissant entre leurs surfaces est proportionnelle à la déformation
engendrée.
Comme pour une pile, cette tension piézo-électrique est susceptible de faire circuler un courant électrique
dans un circuit extérieur.
Cet effet est un phénomène propre à certains types de cristaux (ex : le quartz) ou de céramiques
anisotropes.
L’effet piézo-électrique est réversible. Dans les actionneurs, une déformation ou une vibration est obtenue
par application d’une tension électrique entre 2 surfaces opposées.
L’actionneur piézo-électrique exploite les déformations mécaniques générées par effet piézoélectrique
inverse pour créer des très petits mouvements linéaires. Le moteur piézo-électrique exploite ces
déformations mécaniques pour l’entraînement par contact de sa partie mobile.
Actionneurs
L’actionneur et le moteur piézo-électrique se distinguent par :
• la faible ampleur de leurs mouvements (quelques microns pour les actionneurs, jusqu’à ~100 mm pour
les moteurs) ;
• leur résolution pratiquement illimitée, d’où leur intérêt pour les nanotechnologies ;
• leur très grande force de maintien à l’arrêt, hors de toute alimentation ;
• leur faible force motrice (actuellement limitée à ~50 Nm) ;
• leurs très faible masse en mouvement, ce qui explique leurs temps de réponse extrêmement rapides
(~10 μs) ;
• leur insensibilité aux champs magnétiques.
L’actionneur et le moteur piézo-électrique sont encore au stade du prototype. Ils commencent à être
utilisés comme moyen de réglage fin ou dans les cas où l’on désire exercer un grand effort de maintien.
Leurs utilisations possibles sont les nano positionnements en mécanique et en microélectronique, la
génération d’ultrasons, et certaines applications aéronautiques. Ils commencent à être considérés pour des
applications industrielles à faible vitesse et très brefs temps de réaction (~10 μs), où des contraintes
sévères de légèreté et de fiabilité doivent être satisfaites.
La Figure ci-dessous montre un exemple d’actionneur piézo-électrique conçu pour des applications liées à
l’aérospatiale. Il exerce une force de maintien de 50 N pour une course maximale de 3 mm; sa masse est
de 350 g.
Actionneurs
III-2-5 Récapitulations :
ACTIONNEURS TOUT OU RIEN ( PREACTIONNEURS)
1. Les Relais
144
Une bobine génère un champ magnétique
-lorsqu’elle est traversée par un courant électrique
-Une lame mobile ouvre et ferme des contacts
-Deux bornes extérieures (C et D) permettent de connecter la bobine avec d’autres éléments électriques.
Commande d’un relais :
2.Electroaimants : constitués d’un circuit magnétique, d’une partie mobile (noyau plongeur par exemple) et
d’une bobine qui lorsqu’elle est alimentée, autorise le mouvement de la partie mobile.
145
3. Electroaimants : double effet
Caractéristique statique
La forme de cette caractéristique dépend :
-de la géométrie du noyau plongeur
-de la forme l’alésage
ANNEXES :
Electronique associée aux capteurs
1-1-1 introduction
Exemple de schéma fonctionnel général d’une chaîne de mesure :
Le conditionneur de
signal a pour rôle de :
- extraire
l'information
relative au
mesurande
- linéariser le
signal
146
- amplifier le signal
L’objectif de cette annexe est l’étude de quelques exemples de
montages parmi les plus représentatifs qu'on trouve dans la partie
analogique d'une chaîne de mesure.
1-1-2 CONDITIONNEURS DE CAPTEURS ACTIFS
Les capteurs actifs fonctionnent en générateur en convertissant la
forme d’énergie propre au mesurande en énergie électrique.
Schéma équivalent :
Il existe 3 types de capteurs actifs :
Capteur
générateur de
f.e.m : Ne
nécessite pas de
conditionneur
Capteur
générateur de
courant :
Nécessite une
transformation
du courant en
tension
Capteur
générateur de
charge :
Nécessite une
transformation
de la charge en
tension
a. Convertisseur
courant-tension :
Convertisseur
charge-tension
En pratique le
convertisseur charge-
tension est donné par
le montage suivant :
147
Si la fréquence F de q(t) est >> Fc alors V=-q/C
Si la fréquence F de q(t) est << Fc alors V= -R dq/dt
CONDITIONNEURS DE CAPTEURS PASSIFS
Un capteur passif est un matériau utilisé en tant qu'impédance dont
l'un des paramètres est sensible au mesurande.
La mesure de l'impédance permet de déduire la valeur du mesurande.
Cette mesure nécessite l'utilisation d'un conditionneur.
137
a. Conditionneurs de capteurs résistifs :
Deux types de mesure :
Mesure d’une résistance R(m) : montage à source de courant constant
Mesure d’une variation de résistance R(m) : Pont de Wheatstone
Montage à source de courant constant
Rf : résistance des fils de connexion
Ri : résistance d’entrée de l’appareil de mesure
Si Ri>>Rf et Ri >> R(m), alors l’équation (21) devient :
Source de courant à partir d'une source de tension stable
(21)
(22)
(23)
Remarque : si la source de tension est ajustable, on dispose d'une source de courant ajustable
Pont de Wheatstone
138
Cas particulier 1 :
1 résistance variable, 3 résistances fixes
Si R(m) << Ro alors la relation (25) devient linéaire
Cas particulier 2 :
2 résistances variables, 2 résistances fixes
Cas particulier 3 :
Montage Push-Pull : les résistances variables ont des variations égales et opposées.
R2(m) = - R1(m) = R(m)
(24)
(25)
(26)
(27)
139
(28)
Cas particulier 4 : Montage 3 fils :
Il est utilisé dans le cas ou le capteur est éloigné du pont Il permet d'atténuer l'influence des fils de liaison
dont les résistances ne sont pas négligeables
En posant VCD = E' Si R et Rf << Ro
Cas particulier 5 :
4 résistances variables
Si R2(m) = -R1(m) = R3(m) = -R4(m) =R(m)
b. Conditionneurs de capteurs réactifs :
Deux types de mesure :
variation d'impédances variation de tension : utilisation d’un pont d'impédances
(29)
(30)
variation d'impédances variation de la fréquence d'un signal : utilisation d’un oscillateur
Pont d'impédances
Montage équivalent de Thévenin :
Z0 : impédance équivalente
ed : fem équivalente
id : courant de court-circuit
Zi : impédance d’entrée de l’appareil de mesure
Le signal de mesure V ou I doit être indépendant de Zi
Vm et im dépend de Zi
Si Zi >> Z0 alors
V(m)≈ed Si Zi << Z0
alors I(m)≈id
(31)
(32)
Amplificateur non inverseur :
Amplificateur
suiveur :
a. Amplificateurs
asymétriques :
Rôle :
amplifier
une différence de potentiel v2- v1 Exemple :
- tension (v2- v1) aux bornes d'un composant,
(36)
(37)
(38)
- pont de Wheatstone,
- différence de potentiel entre la masse du signal et celle de l'amplificateur n'est pas nulle
Définition :
- tension différentielle vd :
- tension de mode commun vmc :
Modélisation :
- 2 ampli de gain G+ et -G-
- 1 sommateur
Gain différentiel :
Gain de mode commun :
Taux de réjection de mode commun :
Cas idéal :
Cas pratique : ampli dif approprié si
Montage d'amplificateur différentiel :
Montage 1 :
Inconvénients :
- sensible aux impédances des sources d’excitation.
- appariement des résistances R1, R2, R3, R4 pour chaque valeur du gain Gd
Montage 2 :
Inconvénients :
- appariement des résistances R1, R2, R3, R4 pour chaque valeur du gain Gd
Montage 3 : Montage d'amplificateur d'instrumentation
146
