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La stabilité de la vitesse d'un moteur à courant continu détermine directement son intérêt applicatif. Dans des domaines tels que la fabrication de précision et le convoyage automatisé, les fluctuations de vitesse entraînent fréquemment des problèmes de chaîne. Pour résoudre ce problème, il est nécessaire d'analyser les caractéristiques structurelles et le principe de fonctionnement du moteur, de procéder à une analyse approfondie en lien avec les systèmes de commande électrique et de transmission mécanique, d'identifier la cause première du problème et de mettre en œuvre des mesures ciblées.
I. Causes principales des fluctuations de vitesse
La formule de la vitesse d'un moteur à courant continu est n = (U – IaRa) / (CeΦ) (où n est la vitesse, U la tension d'induit, Ia le courant d'induit, Ra la résistance d'induit, Ce la constante de force contre-électromotrice et Φ le flux d'excitation). L'instabilité de l'un quelconque des paramètres de la formule entraîne des fluctuations de vitesse, lesquelles peuvent être classées en trois catégories.
1. Système électrique anormal : inducteur direct de fluctuations de paramètres
L'instabilité de l'alimentation de l'induit est le facteur le plus courant. Par exemple, une ondulation excessive du courant continu à la sortie de l'alimentation, un mauvais contact des fils ou une chute de tension soudaine due à un diamètre de fil insuffisant entraînent des fluctuations anormales de la valeur U dans la formule. Les défauts du circuit d'excitation sont également cruciaux. Dans un moteur à excitation série, l'enroulement d'excitation est connecté en série avec l'induit ; un court-circuit partiel dans cet enroulement entraîne une diminution de Φ, provoquant une augmentation soudaine de la vitesse. Dans un moteur à excitation shunt, un mauvais contact de la résistance du circuit d'excitation provoque des variations du courant d'excitation, entraînant des fluctuations de Φ. De plus, les courts-circuits entre spires dans l'enroulement d'induit ou l'oxydation des segments du collecteur provoquent des variations instantanées de Ia, et la chute de tension générée par Ra varie en conséquence, perturbant l'équilibre de la vitesse.
2. Problèmes liés à la structure mécanique : facteurs perturbateurs dans la transmission de la force
Le mode de liaison entre le moteur et la charge influe directement sur la stabilité de la vitesse. Un défaut d'alignement lors de l'installation de l'accouplement (défaut d'alignement ou jeu excessif) provoque des fluctuations périodiques du couple de charge, entraînant d'importantes variations du courant de fuite (Ia) en fonction de la charge. L'usure des roulements ou une lubrification insuffisante augmentent la résistance au frottement mécanique ; la variation aléatoire de cette résistance rompt l'équilibre « couple électromagnétique = couple de charge + couple de frottement » et provoque des fluctuations de vitesse. Si le moteur présente un balourd du rotor, la force centrifuge générée lors de la rotation à grande vitesse engendre des vibrations mécaniques, accentuant encore les fluctuations de couple.
3. Facteurs de contrôle et environnementaux : régulation du système et interférences externes
Un mauvais paramétrage du système de régulation de vitesse est une cause importante. Par exemple, un coefficient proportionnel trop élevé du régulateur PID entraîne facilement un dépassement, et un temps d'intégration trop long ne permet pas de corriger les erreurs en régime permanent à temps, ce qui provoque des oscillations de la vitesse autour de la valeur cible. Les interférences environnementales externes ne sont pas non plus négligeables : un fort rayonnement électromagnétique perturbe les signaux de commande, et les variations de température affectent les valeurs de résistance Ra et de l'enroulement d'excitation. Lorsque la température augmente, Ra augmente ; si U reste constant, Ia et le couple électromagnétique diminuent, ce qui finit par entraîner une chute de vitesse.
II. Solutions systématiques
1. Optimiser le système électrique pour stabiliser les paramètres principaux
Tout d'abord, inspectez le système d'alimentation : remplacez l'alimentation CC par une alimentation de haute qualité (taux d'ondulation ≤ 1 %) ou connectez un condensateur en parallèle à la borne de sortie pour le filtrage. En cas de problème de câblage, assurez-vous que la section des câbles respecte les exigences de courant (densité de courant ≤ 6 A/mm²), resserrez les borniers et utilisez des contacts argentés si nécessaire pour réduire la résistance de contact. Ensuite, révisez les enroulements : contrôlez l'isolation des enroulements d'induit et d'excitation à l'aide d'un mégohmmètre. En cas de court-circuit, rebobinez les enroulements et vérifiez leur précision (erreur entre spires ≤ 0,5 %). Si les segments du collecteur sont oxydés, polissez-les avec du papier de verre fin et appliquez de la graisse conductrice ; vérifiez également que la surface de contact entre les balais et les segments du collecteur est d'au moins 85 %.
2. Réparer la structure mécanique pour éliminer les interférences de transmission
En cas de problème de connexion, recalibrez l'accouplement afin de garantir un faux-rond radial ≤ 0,05 mm et un faux-rond axial ≤ 0,03 mm. Si les fluctuations de charge sont importantes, un accouplement flexible peut être utilisé pour absorber les chocs. En cas de défaut de roulement, remplacez rapidement les roulements de haute précision du même modèle (par exemple, de classe P5) et ajoutez régulièrement de la graisse haute température (toutes les 500 heures de fonctionnement). Si le rotor est déséquilibré, effectuez un test d'équilibrage dynamique et corrigez le déséquilibre à moins de 5 g·cm en ajoutant des masses d'équilibrage aux deux extrémités du rotor.
3. Améliorer les stratégies de contrôle pour isoler les interférences externes
Réajustez les paramètres PID et déterminez les paramètres optimaux par des tests de réponse indicielle : le coefficient proportionnel garantit une vitesse de réponse conforme aux exigences, le temps d'intégration élimine les erreurs statiques et le temps de dérivation limite le dépassement. Pour se prémunir contre les interférences électromagnétiques, un blindage métallique peut être installé autour du circuit de commande et mis à la terre en un seul point. Afin de compenser l'influence de la température, installez un capteur de température sur le moteur et mettez en œuvre une compensation de la tension d'induit via le système de commande : lorsque la température augmente de 10 °C, la tension d'induit est automatiquement augmentée de 1 à 2 %. Par ailleurs, effectuez un entretien régulier du moteur, dépoussiérez sa surface et inspectez le système de refroidissement pour garantir un fonctionnement entre 40 et 60 °C.
Grâce aux mesures systématiques décrites ci-dessus concernant les aspects électriques, mécaniques et de contrôle, le problème des fluctuations de vitesse des moteurs à courant continu peut être efficacement résolu. Le taux de fluctuation de vitesse est maîtrisé à ±1 %, ce qui répond aux exigences de précision et prolonge la durée de vie du moteur de plus de 30 %.
