Servomécanisme - Servomechanism
En ingénierie de contrôle, un servomécanisme , parfois abrégé en servo , est un dispositif automatique qui utilise une rétroaction négative de détection d'erreur pour corriger l'action d'un mécanisme. Sur les applications à déplacement contrôlé, il comprend généralement un encodeur intégré ou un autre mécanisme de rétroaction de position pour garantir que la sortie obtient l'effet souhaité.
Le terme s'applique correctement uniquement aux systèmes où les signaux de retour ou de correction d'erreur aident à contrôler la position mécanique, la vitesse, l'attitude ou toute autre variable mesurable. Par exemple, une commande de vitre électrique automobile n'est pas un servomécanisme, car il n'y a pas de retour automatique qui contrôle la position - l'opérateur le fait par observation. En revanche, le régulateur de vitesse d' une voiture utilise un retour en boucle fermée , ce qui le classe comme un servomécanisme.
Applications
Contrôle de position
Un type courant de servo assure le contrôle de position . Généralement, les servos sont électriques , hydrauliques ou pneumatiques . Ils fonctionnent sur le principe de la rétroaction négative, où l'entrée de commande est comparée à la position réelle du système mécanique telle que mesurée par un certain type de transducteur à la sortie. Toute différence entre les valeurs réelles et souhaitées (un "signal d'erreur") est amplifiée (et convertie) et utilisée pour conduire le système dans la direction nécessaire pour réduire ou éliminer l'erreur. Cette procédure est une application largement utilisée de la théorie du contrôle . Les servos typiques peuvent donner une sortie rotative (angulaire) ou linéaire.
Contrôle de vitesse
Le contrôle de la vitesse via un régulateur est un autre type de servomécanisme. La machine à vapeur utilise des régulateurs mécaniques ; une autre première application était de régir la vitesse des roues hydrauliques . Avant la Seconde Guerre mondiale, l' hélice à vitesse constante a été développée pour contrôler la vitesse du moteur pour les avions de manœuvre. Les commandes de carburant pour les moteurs à turbine à gaz utilisent une régulation hydromécanique ou électronique.
Autres
Les servomécanismes de positionnement ont d'abord été utilisés dans les équipements militaires de conduite de tir et de navigation maritime . Aujourd'hui, les servomécanismes sont utilisés dans les machines-outils automatiques , les antennes de poursuite par satellite, les avions télécommandés, les systèmes de navigation automatique sur les bateaux et les avions et les systèmes de contrôle des canons antiaériens . D'autres exemples sont les systèmes fly-by-wire dans les avions qui utilisent des servos pour actionner les gouvernes de l'avion, et les modèles radiocommandés qui utilisent des servos RC dans le même but. De nombreuses caméras autofocus utilisent également un servomécanisme pour déplacer avec précision l'objectif. Un disque dur est doté d'un système d'asservissement magnétique avec une précision de positionnement inférieure au micromètre. Dans les machines industrielles, les servos sont utilisés pour effectuer des mouvements complexes, dans de nombreuses applications.
Servomoteur
Le cylindre gris / vert est le type de brosse moteur à courant continu . La section noire en bas contient le réducteur planétaire et l'objet noir au-dessus du moteur est l' encodeur rotatif optique pour le retour de position.
1. moteur électrique
2. potentiomètre de retour de position
3. réducteur
4. bras actionneur
Un servomoteur est un type spécifique de moteur qui est associé à un encodeur rotatif ou à un potentiomètre pour former un servomécanisme. Cet ensemble peut à son tour faire partie d'un autre servomécanisme. Un potentiomètre fournit un signal analogique simple pour indiquer la position, tandis qu'un encodeur fournit une rétroaction de position et généralement de vitesse, qui, grâce à l'utilisation d'un contrôleur PID, permet un contrôle plus précis de la position et donc une réalisation plus rapide d'une position stable (pour une puissance moteur donnée) . Les potentiomètres sont sujets à la dérive lorsque la température change alors que les encodeurs sont plus stables et précis.
Les servomoteurs sont utilisés pour les applications haut de gamme et bas de gamme. Sur le haut de gamme se trouvent des composants industriels de précision qui utilisent un codeur rotatif. Au bas de l'échelle se trouvent des servomoteurs radio bon marché ( servos RC) utilisés dans les modèles radiocommandés qui utilisent un moteur à fonctionnement libre et un simple capteur de position à potentiomètre avec un contrôleur intégré. Le terme servomoteur fait généralement référence à un composant industriel haut de gamme tandis que le terme servo est le plus souvent utilisé pour décrire les appareils peu coûteux qui utilisent un potentiomètre. Les moteurs pas à pas ne sont pas considérés comme des servomoteurs, bien qu'ils soient également utilisés pour construire des servomécanismes plus grands. Les moteurs pas à pas ont un positionnement angulaire inhérent, en raison de leur construction, et celui-ci est généralement utilisé en boucle ouverte sans retour. Ils sont généralement utilisés pour des applications de moyenne précision.
Les servos RC sont utilisés pour actionner divers systèmes mécaniques tels que la direction d'une voiture, les gouvernes d'un avion ou le gouvernail d'un bateau. En raison de leur prix abordable, de leur fiabilité et de leur simplicité de contrôle par microprocesseurs, ils sont souvent utilisés dans des applications robotiques à petite échelle . Un récepteur RC standard (ou un microcontrôleur) envoie des signaux de modulation de largeur d'impulsion (PWM) au servo. L'électronique à l'intérieur du servo traduit la largeur de l'impulsion en une position. Lorsque le servo est commandé en rotation, le moteur est alimenté jusqu'à ce que le potentiomètre atteigne la valeur correspondant à la position commandée.
Histoire
Le régulateur de moteur à vapeur de James Watt est généralement considéré comme le premier système de rétroaction alimenté. Le fantail du moulin à vent est un exemple antérieur de contrôle automatique, mais comme il n'a pas d' amplificateur ou de gain , il n'est généralement pas considéré comme un servomécanisme.
Le premier dispositif de contrôle de position à rétroaction était le moteur de direction du navire , utilisé pour positionner le gouvernail des grands navires en fonction de la position de la barre du navire. John McFarlane Gray était un pionnier. Sa conception brevetée a été utilisée sur le SS Great Eastern en 1866. Joseph Farcot mérite peut-être le même crédit pour le concept de rétroaction, avec plusieurs brevets entre 1862 et 1868.
Le télémoteur a été inventé vers 1872 par Andrew Betts Brown , permettant de simplifier grandement les mécanismes élaborés entre la salle de contrôle et le moteur. Les moteurs à vapeur avaient les caractéristiques d'un servomécanisme moderne : une entrée, une sortie, un signal d'erreur et un moyen d'amplifier le signal d'erreur utilisé pour la rétroaction négative pour conduire l'erreur vers zéro. Le mécanisme d' inversion de puissance Ragonnet était un servoamplificateur à air ou à vapeur à usage général pour le mouvement linéaire breveté en 1909.
Des servomécanismes électriques ont été utilisés dès 1888 dans le Telautographe d' Elisha Gray .
Les servomécanismes électriques nécessitent un amplificateur de puissance. La Seconde Guerre mondiale a vu le développement de servomécanismes électriques de contrôle de tir , utilisant un amplidyne comme amplificateur de puissance. Tube à vide amplificateurs ont été utilisés dans le UNISERVO lecteur de bande pour l' UNIVAC I ordinateur. La Royal Navy a commencé à expérimenter le contrôle de l'alimentation à distance ( RPC ) sur le HMS Champion en 1928 et a commencé à utiliser le RPC pour contrôler les projecteurs au début des années 1930. Pendant la Seconde Guerre mondiale, le RPC a été utilisé pour contrôler les supports et les directeurs d'armes à feu.
Les servomécanismes modernes utilisent des amplificateurs de puissance à semi-conducteurs, généralement construits à partir de dispositifs MOSFET ou à thyristors . Les petits servos peuvent utiliser des transistors de puissance .
On pense que l'origine du mot vient du français " Le Servomoteur " ou le moteur esclave, utilisé pour la première fois par JJL Farcot en 1868 pour décrire les moteurs hydrauliques et à vapeur utilisés dans la direction des navires.
Le type de servo le plus simple utilise le contrôle bang-bang . Les systèmes de contrôle plus complexes utilisent le contrôle proportionnel, le contrôle PID et le contrôle de l'espace d'état, qui sont étudiés dans la théorie du contrôle moderne .
Types de représentations
Les servos peuvent être classés au moyen de leurs systèmes de contrôle de rétroaction :
- servos de type 0 : en régime permanent, ils produisent une valeur constante de la sortie avec un signal d'erreur constant ;
- servos de type 1 : en régime permanent, ils produisent une valeur constante de la sortie avec un signal d'erreur nul, mais un taux de variation constant de la référence implique une erreur constante dans le suivi de la référence ;
- servos de type 2 : en régime permanent, ils produisent une valeur constante de la sortie avec un signal d'erreur nul. Un taux de changement constant de la référence implique une erreur nulle dans le suivi de la référence. Un taux d'accélération constant de la référence implique une erreur constante dans le suivi de la référence.
La bande passante du servo indique la capacité du servo à suivre les changements rapides de l'entrée commandée.
Voir également
- Moteur de puissance fractionnaire
- Contrôle de mouvement
- Servocommande
- Synchro , une forme de moteur émetteur et récepteur utilisé dans les servomécanismes
Lectures complémentaires
- Bennett, S. (1993). Une histoire de l'ingénierie de contrôle 1930-1955 . Londres : Peter Peregrinus Ltd. Au nom de l'Institution of Electrical Engineers. ISBN 0-86341-280-7.
- Hsue-Shen Tsien (1954) Engineering Cybernetics , McGraw Hill , lien de HathiTrust