servomoteur

Comment fonctionne un servomoteur électrique ?

Les servomoteurs électriques sont des systèmes motorisés largement utilisés dans plusieurs domaines, comme le secteur industriel, la robotique ou encore le modélisme. Il existe plusieurs modèles de servomoteurs. Ils fonctionnent selon le même principe, en atteignant des positions prédéterminées et en les maintenant malgré un effort statique. Beaucoup confondent les servomoteurs avec les variateurs de vitesse, voire avec les moteurs à courant continu. Il convient alors de mettre en lumière le fonctionnement du servomoteur électrique.

Un servomoteur électrique : de quoi s’agit-il ?

Nous sommes encore nombreux à nous demander quelle différence il y a entre un variateur de vitesse et un servomoteur, mais avant, il est important de définir comment ce dernier fonctionne.

Un servomoteur est un moteur qui peut être linéaire ou rotatif, capable de s’opposer de manière stable à un effort statique. Assimilable à un système asservi, il vérifie, adapte et corrige continuellement sa position en fonction d’une mesure. Le positionnement est limité par un débattement d’angle de 180 degrés. Un servomoteur comprend le moteur, son engrenage et la partie électronique permettant de le commander et de l’asservir.

servomoteur électrique

Le fonctionnement du servomoteur pour les vannes industrielles

Pour les vannes industrielles, il existe 3 modèles de servomoteurs électriques : les servomoteurs multitours, les servomoteurs fraction de tour et les servomoteurs à déplacement linéaire.

Les serveurs multitours sont utilisés pour automatiser les vannes multitours. Le tablier est le représentant classique de ce type de vanne. Capables de supporter la poussée, ils transmettent le couple moteur aux vannes lors d’une manœuvre complète. Le couple requis varie entre 10 Nm et 30 kNm.

Les servomoteurs fraction de tours automatisent les vannes, représentés par les robinets papillon et à tournant circulaire. Ce modèle de servomoteur transmet également un couple à une vanne durant une manœuvre complète, mais ne doit pas supporter la poussée. Le couple doit varier entre 10 Nm à 100 kNm.

Les servomoteurs à déplacement linéaire servent quant à eux d’équipements aux vannes de réglage. En général, ce modèle de servomoteur est équipé de membrane et utilise de l’air comprimé.

Le fonctionnement du servomoteur pour le modélisme

Le servomoteur, « servo » pour les intimes et habitués du modélisme, comprend les composants mécaniques et électroniques suivants :

  • Le moteur, qui est de petite taille et qui utilise un courant continu ;
  • Le potentiomètre ;
  • Un réducteur en sortie pour augmenter le couple moteur ;
  • Un module électronique pour la commande et l’asservissement du système.

Pour rappel, le fonctionnement du potentiomètre contrôle toutes les variations de rotation. Le servomoteur est ainsi capable de contrôler les parties mobiles de l’appareil l’embarquant, comme la direction d’une voiture ou les ailerons d’un avion.

Lorsque le moteur est en marche, la résistance du potentiomètre est modifiée par le changement de position de l’axe du servomoteur. Le composant électronique commande alors le moteur pour que cette position de l’axe se conforme aux commandes envoyées, d’où la notion d’asservissement.

Le câble d’un servomoteur comprend 3 fils qui permettent d’alimenter son moteur et de le contrôler. Des signaux codés transmettent ensuite les instructions de position vers le moteur. C’est la durée de ces impulsions qui permettent de déterminer l’angle de mouvement, soit la position de l’élément ciblé. La durée de l’impulsion dure entre 1 et 2 millisecondes.

Plusieurs modèles de servomoteurs sont utilisés dans le cadre du modélisme. Les plus utilisés sont ceux qui ont un mouvement limité à 120° voire moins. Ils ne sont donc pas adaptés pour faire tourner une roue par exemple. On trouve également des servos compacts et plus légers, mais ils sont logiquement moins puissants. On distingue enfin les servomoteurs treuils qui sont capables de réaliser plusieurs tours.

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La différence entre un servomoteur et un variateur de fréquence

De nos jours, beaucoup confondent les servomoteurs et les variateurs de fréquence. Dans le domaine industriel, les premiers sont concurrencés par les seconds. Les variateurs de fréquence sont moins énergivores, mais les servomoteurs sont beaucoup plus performants. Tout comme le servomoteur, le variateur de fréquence, ou variateur AC, contrôle également le moteur, même si son fonctionnement est différent. En effet, un variateur de vitesse modifie les variables comme la fréquence ou encore la tension fournie au moteur électrique. Le variateur de fréquence n’a pas besoin d’envoyer un signal de commande au moteur pour que ce dernier ajuste sa position par rapport à la position souhaitée. Il contrôle directement la fréquence et la tension.

Exprimée en Hz, la fréquence est une variable directement liée à la vitesse du moteur électrique. Plus elle est élevée, plus le moteur tourne vite. Si vous n’avez pas besoin d’un moteur tournant à pleine vitesse, vous n’avez qu’à diminuer la fréquence et la tension à votre guise. Beaucoup optent aussi pour les variateurs de fréquence parce qu’ils minimisent les coûts. En effet, un variateur de fréquence consomme moins d’énergie qu’un servomoteur pour une utilisation similaire. Dans la pratique, le codeur est le premier élément qui différencie le servomoteur et le variateur de vitesse. Si les servomoteurs doivent être équipés de codeurs pour fonctionner, le variateur de fréquence peut très bien fonctionner sans ce composant.

Les capacités de ces deux systèmes à contrôler la position ne se valent pas non plus. Le servomoteur est supérieur au variateur de fréquence sur ce plan. Grâce au codeur, le servomoteur est capable de créer des mouvements multiaxes, donc très précis, et de se maintenir même sur des trajectoires complexes. Chose impossible à faire avec les variateurs de fréquence, même avec ceux qui sont équipés d’entrées de codeur. On ne peut calculer des trajectoires complexes ni varier les vitesses. C’est dû à leurs puissances de calcul très limitées. Ce n’est pas forcément un inconvénient pour les variateurs de vitesse.

L’usage est également l’un des facteurs qui différencient les servomoteurs des variateurs de fréquence. Si les servomoteurs sont surtout utilisés pour commander des moteurs à aimants permanents, les variateurs de vitesse contrôlent habituellement les moteurs dits « cages d’écureuil ».

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