Installations plastiques et robotique :
techniques et usages des actionneurs

Les différents actionneurs
utilisables dans des installations plastiques et scéniques

Actionneurs
- mécaniques
- optiques
- sonores

Pour chaque sens humain, on cherche des actionneurs qui lui sont dédiés

Description / pilotage / défauts

Actionneurs électriques

- Actionneurs linéaires :
vérins électromécaniques, électroaimant
- Moteurs :
moteurs à Courant Continu, moteurs pas à pas,
servo moteurs, brushless
- Eclairages
- Projection
- Sonorisation

Actionneurs linéaires : électroaimant - vérins électromécaniques

Electroaimant = une bobine et un noyau fixe
Exemple : ventouse magnétique

Vérin = une bobine et un noyau mobile, qui est l'actionneur
Exemple : actionneur de flipper

Inconvénients et avantages

- Facile à piloter
- Deux positions seulement
- Course réduite
- Servent parfois d'actionneurs intermédiaires pour contrôler des signaux électriques ou des fluides
- Nécessité d'un montage adapté (étincelle de rupture)
- Source de parasites
- Deux paramètres : force de maintien et force de levage
- Vitesse de réaction dépendant de la charge
- Coût modique

Les moteurs

Principe des moteurs

Deux éléments dans un moteur :
- un fixe : stator
- un en rotation : rotor

Principe de fonctionnement : attirance de deux aimants

- Alimenter de multiples bobines au stator pour simuler un aimant tournant qui va attirer l'aimant du rotor
- moteur synchrone
- moteur pas à pas
- Alimenter la bobine du rotor pour simuler un aimant fixe décalé par rapport à l'aimant fixe du stator
- moteur à courant continu
- Utiliser le fait qu'un aimant en mouvement devant une bobine engendre du courant et crée un aimant virtuel
- moteur asynchrone

Généralités sur les moteurs

Paramètres d'un moteur

Quel que soit le moteur, sa documentation comporte les informations suivantes :
- Couple nominal
- Couple de démarrage
- Tension nominale
- Courant nominal
- Vitesse nominale
- Résistance de bobinage
- Vitesse à vide
- Courant à vide

Notion de couple

Capacité de lever une charge au bout d 'un bras de levier

Unité = Newton.mètre = 9,81 x kg x m
Ordre de grandeur : 100 mN permettent de lever 10g au bout d'1m ou 100g au bout de 10cm

Plus le couple est fort, plus le moteur est capable d'accélérer rapidement, malgré la charge connectée sur l'arbre (volant d'inertie)

Notion de vitesse angulaire

Angle dont le moteur tourne par unité de temps

Unité officielle = Radian / seconde
Unité pratique = tour / minute ; 1tr = 2.Pi.Rad

Puissance mécanique :
Couple x Vitesse

N.m Rad/s
kg.cm tr/min

Accélération du moteur :
C = J x Variation de vitesse
Durée

J = inertie
C = couple

Bilan de Puissance d'une chaîne d'actionneur motorisée

S'effectue d'après la documentation, pour vérifier si le moteur est adapté à l'usage souhaité par l'artiste

La puissance électrique fournie au moteur est transformée en
- puissance mécanique utile
- pertes diverses (chaleur, frottements, réducteurs)

Moteur à Courant Continu

Inconvénients et avantages

- Source de parasites (alimentation, électromagnétisme)
- Très fort couple de démarrage
- Nécessite une alimentation continue
- Vitesse quasi proportionnelle à la tension d'alimentation
- Couple quasi proportionnel au courant
- Simple à mettre en œuvre
- Contrôle en vitesse/position délicat, nécessité d'asservissements complexes
- Changement de sens simple
- Coût très variable selon la qualité du moteur
- Parfois bruyant (moteur ou contrôleur de mauvaise qualité)

Techniques de pilotage

- Relai mécanique
- Double relai, pour le changement de sens
- Variateur de vitesse par hachage
- Boucle d'asservissement avec capteur de vitesse

Moteur asynchrone

Inconvénients et avantages

- Peu de parasites
- Très faible couple de démarrage
- Nécessite une alimentation alternative (220V) mono ou tri
- Destiné à travailler sur une faible gamme de vitesse
- Couple sans à-coups
- Simple à mettre en œuvre (marche/arrêt)
- Contrôle en vitesse/position très complexe (Altivar)
- Changement de sens délicat
- Coût peu élevé

Techniques de pilotage

- Relais mécanique, relais statique
- Changement de sens par commutation d'un bobinage (réalisable par relais mécanique, comme pour le moteur CC)
- Variateur de vitesse par module spécifique Altivar
- Boucle d'asservissement extrêmement complexe

Moteur synchrone

Inconvénients et avantages

- Peu de parasites
- Très puissant
- Pas de couple de démarrage (incapable de démarrer)
- Procédure de démarrage complexe
- Couplé avec un moteur soit CC soit asynchrone
- Nécessite une alimentation alternative (220V) tri
- Destiné à travailler à une seule vitesse
- Couple sans à-coups
- Changement de sens impossible
- Coût élevé

Moteur brushless

Moteur synchrone incorporant l'électronique de commande permettant de le considérer comme un moteur à courant continu
Inconvénients et avantages

- Les avantages du moteur synchrone sans les inconvénients - Coût élevé
- Fragile au niveau de la commande

Moteur pas à pas

Principe

Un aimant permanent (rotor) est attiré en différentes positions par deux circuits magnétiques (aimants bobines) (stator) au moins.
Il est nécessaire d'alimenter successivement les bobines pour attirer le rotor dans différentes positions.
-> Il y a donc un cycle de commande.
Pour changer le sens de rotation du moteur, il suffit de parcourir le cycle de commandes à l'envers.

Deux types
Pour que l'aimant du rotor puisse parcourir plus d'un demi-tour, il faut inverser à un moment du cycle l'aimantation des bobines
- Moteur bipôlaire : inversion réalisée par inversion du courant dans la bobine
- Moteur unipolaire : chaque circuit magnétique est en fait entouré de deux bobines, l'une générant Nord-Sud, l'autre Sud-Nord

Inconvénients et avantages

- Beaucoup de parasites lors du cycle de commandes
- Réservé aux faibles puissances, mauvais rendement
- Couple diminuant rapidement avec la vitesse
- Nécessite une carte spécifique pour alimentation et pilotage
- Permet de travailler en statique (positionneur)
- Asservissement simple en vitesse/position
- Rotation saccadée, source de vibrations
- Changement de sens facile
- Coût moyen
- Bruyant

Servomoteur

Moteur CC intégrant l'électronique de contrôle pour faire un asservissement de position angulaire
Inconvénients et avantages

- Source de parasites
- Fort couple grâce au réducteur intégré
- Nécessite une alimentation continue 5 V
- Vitesse de réaction lente (0,5s pour pleine course, maximum 50 commandes par seconde)
- Peu simple à mettre en œuvre sans carte spécifique
- Extrêmement pratique pour les réalisations mécaniques
- Course de 120 à 180 degrés
- Contrôle en position automatique
- Coût très variable selon la qualité du moteur
- Parfois bruyant (moteur ou contrôleur de mauvaise qualité)

Eclairages

Ampoule à incandescence

- Traditionnelle,
- Halogène,
- Ampoule basse tension
-> Lampes chaudes

Caractéristiques :
Lenteur à l'allumage et à l'extinction
Variation de l'intensité lumineuse facile par un montage spécifique : - gradateur 220V (dimmer)
- redressement/découpage pour les basses tensions
Spectre assez large

Arcs électriques

Fluo, néon, lampe à charbon, lampe à mercure, lampe à xénon
Excitation/désexitation d'un gaz
Elles diffèrent par les raies de leur spectre d'émission

Caractéristiques :
Nécessité d'une haute tension pour amorcer l'arc électrique
Mise en œuvre : starter + ballast pour le fluo
montage spécifique pour le néon

Sources de parasites
Délicats à faire varier
Le fluo est parfois difficile à amorcer

LED

- Plusieurs couleurs
- Plusieurs intensités
- Hautes luminosités très économiques en énergie

Le coût varie en fonction de la couleur et de la luminosité
Lumière directive
Très longue durée de vie
Alimentation continue basse tension

Projection

Ecran cathodique / LCD / Vidéoprojecteur
Plusieurs paramètres importants :
- Respect des couleurs
- Luminosité
- Niveau de noir
- Résolution
- Dynamique

Sonorisation

Hauts-parleurs, ampli, ….

Actionneurs pneumatiques

Nécessité d'électrovannes pour les piloter
- Actionneurs linéaires : vérins pneumatiques
- Actionneurs rotatifs : turbines

Actionneurs linéaires : vérins pneumatiques
Rotatifs : turbines

Paramètres

- Débit
- Pression
- Surface (diamètre)

Force dégagée = Pression x Surface

1 bar = pression de 10 m d'eau = 1 kg/cm2

Avantages et inconvénients

- peu de limitation de course
- parasites sonores et ultrasonores
- nécessité d'un compresseur
- nécessité d'électrovannes
- grande efficacité
- robustesse
- coût élevé
- contrôle en position/vitesse délicat