Estimation de consommation de servomoteurs

[Lea92ch]

Bonjour à tous,

Je travaille actuellement sur un projet pour lequel j'ai besoin d'estimer la consommation de deux servomoteurs.
Ces deux servomoteurs font chacun pivoter un axe sur lequel est attaché un aileron de 450 cm2. Les dimensions exactes de ces ailerons sont données en pièce jointe.


Je n'ai pas beaucoup d'informations sur les moteurs que j'aurai à utiliser :
- Vitesse de fonctionnement : 0.13sec/60°
- Couple max (7,4V): 62kg/cm

Ma première question :
J'ai vu que pour calculer le couple nécessaire il fallait utiliser la formule
C = F x D
D étant la distance de la charge par rapport à l'axe
F étant la force qu'appliquait cette charge sur l'axe
C étant le couple
Mais voilà, dans mon cas de figure la charge est le long de l'axe du moteur et non à D cm de l'axe (pas de bras de levier dans mon cas). La formule est-elle tout de même valide ?

Ma seconde question :
Ces ailerons sont embarqués sur un véhicule donc ils seront soumis au vent. Il y a donc deux forces à prendre en compte : celle du vent et celle de la gravité. Les deux forces ne sont pas dans la même direction. Comment adapter la formule ?

Ma troisième question :
J'ai essayé d'estimer la force du vent sur un aileron. J'ai trouvé ce site : https://www.omnicalculator.com/physics/wind-load
Si je renseigne une vitesse de 200km/h (pire des cas), des ailerons inclinés à 90 degrés donc comme un mur face au vent, le site me donne une force de 80N ! Si je pars du principe que la formule de ma question 1 est valide malgré que la charge soit le long de l'axe et que je considère (pour simplifier et prendre le pire des cas) que la force est appliquée au bout de l'aileron donc à 35 cm d'écart du point de rotation du moteur, j'obtiens 28Nm soit 286 kg/cm. Ca m'a l'air monstrueux et c'est bien loin des 60kg/cm que supportent mes moteurs. Mes calculs sont-ils mauvais ?

Ma quatrième question :
J'aimerais calculer la consommation d'un de ces servomoteurs quand le couple maximal est utilisé. J'ai lu sur un site (https://www.modelisme.com/forum/aero...on-servos.html) qu'il était possible d'estimer le courant avec le peu d'info que j'ai en ma possession. Si je reprends ce que le premier commentaire dit alors j'arrive à 13A ! Encore une fois je trouve ça énorme. Aurais-je oublié quelque chose ?

Petite remarque : je ne peux pas mesurer moi-même par la pratique le courant car je n'ai pas les servomoteurs ni les ailerons en ma possession. Je veux juste faire une estimation de courant dans le but de choisir au mieux le régulateur de tension.

Je dois préciser que je suis une débutante totale dans ce domaine et je m'excuse pour la longueur de ce post.
Merci d'avance à ceux qui prendront le temps de me répondre

Léa
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[penthode]

ces résultats , compte tenue de la vitesse, me semblent cohérents

quel est le contexte de cette étude ?

[FC05]

Bonjour à tous,


Ma troisième question :
J'ai essayé d'estimer la force du vent sur un aileron. J'ai trouvé ce site : https://www.omnicalculator.com/physics/wind-load
Si je renseigne une vitesse de 200km/h (pire des cas), des ailerons inclinés à 90 degrés donc comme un mur face au vent, le site me donne une force de 80N ! Si je pars du principe que la formule de ma question 1 est valide malgré que la charge soit le long de l'axe et que je considère (pour simplifier et prendre le pire des cas) que la force est appliquée au bout de l'aileron donc à 35 cm d'écart du point de rotation du moteur, j'obtiens 28Nm soit 286 kg/cm. Ca m'a l'air monstrueux et c'est bien loin des 60kg/cm que supportent mes moteurs. Mes calculs sont-ils mauvais ?

Oui, la distance à l'axe de rotation n'est pas la bonne, révise les moments des forces pour trouver la valeur de D !
En plus en plaçant mieux l'axe de rotation tu peux considérablement réduire ce couple.

[Murayama]

Bonjour!

Il faudrait un peu plus de données pour visualiser exactement ce qui tourne et comment.
Je fais donc l'hypothèse que ce qui dépasse au dessus, c'est l'axe et l'aileron un
aileron genre queue d'avion. Le point où s'applique la force n'est pas au bout de l'aileron,
mais quelque part au milieu du quadrilatère.
D'autre part, vous avez un triangle de l'autre côté de l'axe, qui agira en sens contraire.
Numériquement, en prolongeant l'axe par la pensée, on voit que le "milieu" de l'aileron,
ou du moins le point moyen de l'application de la force doit être à moins de 100mm
si on en juge par la cote de 105. Donc vous avez max 80 N à 0.1m, soit 8 nm ou encore
800 n.cm ou 80 kg.cm. Et comme je crois que c'est très exagéré, 65 kg.cm devraient suffire.
Si vous voulez faire des calculs plus précis vous décomposez l'aileron en triangles (j'en
vois 4), et vous calculez le barycentre pondéré par la surface de chaque triangle.
Mais je serais vous, je laisserais comme ça, ça va marcher. Sauf évidemment si c'est
un projet d'étudiant, dans quel cas il faut écrire quelques formules pour avoir
l'air de maîtriser.

Sans vouloir paraître tatillon, vous exprimez les couples en kg / cm (kg par cm), ce
qui est incorrect. Un couple, ça se mesure en kg.cm (kilogramme.centimètre), ou encore
pour faire des calculs, en mN (là, vous avez tout bon, mais je suis surpris que vous ayez
pu faire la conversion de kg/cm qui n'est pas une unité ou du moins pas de couple, en
mN qui est une unité de couple). J'ai déjà remarqué sur des servos que les couples sont
exprimés en kg/cm, ce qui explique peut-être votre erreur. Mais bon, celui qui a dessiné
l'emballage n'est certainement pas un ingénieur.

À propos de la consommation. Quelques ampères, c'est possible (refaire les calculs).
Mais ce sera uniquement pendant la durée du mouvement, c'est à dire 0.13 sec. Au delà,
il y aura un courant de maintien, mais là on ne peut rien dire, tout dépend de la
démultiplication, des caractéristiques du servo, etc...

Pascal

[A voir en vidéo sur Futura]

[penthode]

si la démultiplication n'est pas réversible ( vice sans faim) la question du verrouillage se simplifie

[Lea92ch]

Bonjour,

Merci pour vos réponses.

quel est le contexte de cette étude ?

Je cherche à estimer la consommation totale des deux servomoteurs. Pour cela, j'ai d'abord besoin d'estimer le couple max.

En plus en plaçant mieux l'axe de rotation tu peux considérablement réduire ce couple

En ayant un axe plus centré par rapport à la pièce j'imagine, effectivement. Si je place l'axe de façon à ce qu'il passe par le centre de masse de la pièce, aurais-je un couple nul ?

Il faudrait un peu plus de données pour visualiser exactement ce qui tourne et comment.

Voici un nouveau dessin montrant le servomoteur par rapport à cet axe.

65 kg.cm devraient suffire

Me voilà un peu rassurée. Merci Pascal d'avoir pris le temps de faire ce calcul. Je n'ai pas besoin d'avoir un calcul plus précis, ce n'est pas un projet étudiant mais un projet personnel.
Le centre de masse de l'aileron se trouve à 6cm de l'axe. Donc si je reprends, j'ai 80N à 0,06m donc 4,8Nm ou 480 N.cm ou 48kg.cm.

S'ajoute à ça la gravité. Pour 400g, j'obtiens une force de 4N. Si je l'applique sur le centre de masse, j'ai 0,24Nm donc 2,4kg.cm. Je présume que je peux l'ignorer.

Un couple, ça se mesure en kg.cm (kilogramme.centimètre), ou encore pour faire des calculs, en mN

Effectivement, j'ai lu ça dans les infos des servomoteurs et je ne me suis pas posée plus de questions. C'est bien d'être tatillon sur ce genre de précisions.

À propos de la consommation. Quelques ampères, c'est possible (refaire les calculs). Mais ce sera uniquement pendant la durée du mouvement, c'est à dire 0.13 sec.

Les deux servomoteurs seront en mouvement constamment. Dois-je en conclure qu'ils consommeront 13A constamment si mes calculs sont bons ?
Au vu du diamètre des fils, je me demande si ce n'est pas mauvais à la longue pour le servomoteur de bouger constamment et donc de tirer 13A en permanence.

si la démultiplication n'est pas réversible ( vice sans faim) la question du verrouillage se simplifie

Je n'ai pas compris grand chose

Léa

[penthode]

Certains réducteurs se verrouillent naturellement sans gestion du freinage

La VIS SANS FIN en est un exemple

J'ai demandé le contexte de l'étude !

[Murayama]

Bonjour!

En ayant un axe plus centré par rapport à la pièce j'imagine, effectivement. Si je
place l'axe de façon à ce qu'il passe par le centre de masse de la pièce, aurais-je un
couple nul ?

Sur le papier, c'est un peu ça. Par contre, je n'y connais rien en aérodynamique, et
je ne suis pas certain que le centre d'application des forces soit le centre de masse.
À vue de nez, c'est vrai que ça doit être assez proche.
Ensuite, il y aura toujours un couple, ne serait-ce que pour compenser les frottements.
Il y aura de plus toujours un courant, même si le couple est nul.
Et puis centrer la gouverne sur le point qui permettrait un couple nul n'est pas une
bonne idée parce que la gouverne ne sera pas dans un état d'équilibre naturel.
Avec l'axe à l'avant, si vous lâchez tout, la gouverne se repositionnera droite et le
restera s'il y a un amortissement qui le permet. Sinon elle fera "flap flap" en permanence
comme un drapeau au vent.

Voici un nouveau dessin montrant le servomoteur par rapport à cet axe.

En gros, c'est ce que j'avais supposé. Je ne pensais pas que le servo était directement
sur l'axe, mais c'est vrai que ça ne change rien.

Les deux servomoteurs seront en mouvement constamment. Dois-je en conclure qu'ils
consommeront 13A constamment si mes calculs sont bons ?

S'il s'agit d'un asservissement, on peut considérer que le système est toujours
en mouvement, mais par contre, il ne sera que très rarement au couple maximal.
Pour évaluer le couple moyen, désolé, je ne peux pas vous aider.

Je n'ai pas compris grand chose

Le verrouillage: quand on utilise des pignons ordinaires à denture droite pour une
démultiplication, le système est réversible, du moins si le rapport n'est pas trop
grand. Exemple: si vous faites tourner le petit pignon, le grand va tourner moins vite,
avec une vitesse en proportion du rapport des nombres de dents. Si vous faites tourner
le grand pignon, le petit va tourner plus vite, avec un raport de vitesse inverse du
précédent. Si vous utilisez une vis sans fin, faire tourner la vis fait tourner la
roue dentée. Et généralement on ne peut pas faire tourner la roue dentée, elle ne peut
pas entraîner la vis à cause du frottement. Le verrouillage, c'et tou simplement cette
irréversibilité. Enfin parfois on faire tourner la roue si l'angle de la vis, le nombre
de filets, etc.. sont prévus pour cette utilisation.
Dans le cas s'une vis sans fin bloquante, vous n'avez théoriquement pas besoin de courant
pour maintenir la position de la gouverne.
Par contre, je n'ai jamais vu un servo de modélisme à vis sans fin. Les bas de gamme
ont des pignons en plastique et des paliers secs, les hauts de gamme ont des pignons en
acier avec des paliers à roulements, mais toujours à denture droite. Ceci dit, je ne
prétends évidemment pas connaître tous les servos de tous les fabricants.

Pascal

[Qristoff]

Bonjour,
Je ne comprends pas le besoin de relier l'aileron en direct sur le servomoteur. Un aileron ou une gouverne ont une amplitude angulaire limitée.

Si je renseigne une vitesse de 200km/h (pire des cas), des ailerons inclinés à 90 degrés donc comme un mur face au vent, le site me donne une force de 80N !

à moins de servir d'aérofrein, je ne connais pas d'application d'aileron avec une telle amplitude !
Un simple SM permet une amplitude de +/-90°, il serait donc plus judicieux de déterminer le débattement désiré de l'aileron et de démultiplier avec un petit renvoi d'angle sur le SM. Gain de couple = gain de consommation + meilleur résistance aux forces aéro.

[Murayama]

Bonjour!

Je ne comprends pas le besoin de relier l'aileron en direct sur le servomoteur. Un aileron ou une gouverne
ont une amplitude angulaire limitée.

Un servo aussi. Pour être honnête, je n'ai jamais vu de servo en prise directe sur une gouverne, mais
vu que dans ce cas là, le couple est suffisant, ça me paraît jouable. Ensuite, avoir de la tringlerie en moins,
ça ne peut pas avoir que des désavantages. Il faudra bien sûr voir l'équilibre de l'ensemble parce que le servo
risque d'ajouter du poids vers l'arrière.

à moins de servir d'aérofrein, je ne connais pas d'application d'aileron avec une telle amplitude !

Je pense que Lea92ch voulait estimer le couple maximal qui doit survenir quand la gouverne offre
le maximum de résistance au vent, donc à 90 degrés, mais pas forcément utiliser une telle amplitude.

Pascal

[Lea92ch]

Bonjour,

Avec l'axe à l'avant, si vous lâchez tout, la gouverne se repositionnera droite et le
restera s'il y a un amortissement qui le permet. Sinon elle fera "flap flap" en permanence
comme un drapeau au vent.

Effectivement, je n'avais pas pensé à ça. C'est donc mieux que l'axe reste tel qu'il est actuellement, vers l'avant de l'aileron.

S'il s'agit d'un asservissement, on peut considérer que le système est toujours
en mouvement, mais par contre, il ne sera que très rarement au couple maximal.

D'accord, je suis tout de même surprise par le diamètre des fils si le servomoteur est supposé supporter 13A. Les servomoteurs sont donc faits pour atteindre leur couple maximal que de façon ponctuelle ?

Le verrouillage: quand on utilise des pignons ordinaires à denture droite pour une
démultiplication, le système est réversible, du moins si le rapport n'est pas trop
grand. Exemple: si vous faites tourner le petit pignon, le grand va tourner moins vite,
avec une vitesse en proportion du rapport des nombres de dents. Si vous faites tourner
le grand pignon, le petit va tourner plus vite, avec un raport de vitesse inverse du
précédent. Si vous utilisez une vis sans fin, faire tourner la vis fait tourner la
roue dentée. Et généralement on ne peut pas faire tourner la roue dentée, elle ne peut
pas entraîner la vis à cause du frottement. Le verrouillage, c'et tou simplement cette
irréversibilité. Enfin parfois on faire tourner la roue si l'angle de la vis, le nombre
de filets, etc.. sont prévus pour cette utilisation.
Dans le cas s'une vis sans fin bloquante, vous n'avez théoriquement pas besoin de courant
pour maintenir la position de la gouverne.

L'explication est très claire, j'ai bien compris. Malheureusement, aucune info n'est donnée là dessus.

Je ne comprends pas le besoin de relier l'aileron en direct sur le servomoteur. Un aileron ou une gouverne ont une amplitude angulaire limitée.

Un servo aussi. Pour être honnête, je n'ai jamais vu de servo en prise directe sur une gouverne, mais
vu que dans ce cas là, le couple est suffisant, ça me paraît jouable. Ensuite, avoir de la tringlerie en moins,
ça ne peut pas avoir que des désavantages. Il faudra bien sûr voir l'équilibre de l'ensemble parce que le servo
risque d'ajouter du poids vers l'arrière.

Si je comprends bien un système d'engrenage pour diminuer le couple du moteur aurait été préférable dans l'idéal ?

à moins de servir d'aérofrein, je ne connais pas d'application d'aileron avec une telle amplitude !
Un simple SM permet une amplitude de +/-90°, il serait donc plus judicieux de déterminer le débattement désiré de l'aileron et de démultiplier avec un petit renvoi d'angle sur le SM. Gain de couple = gain de consommation + meilleur résistance aux forces aéro.

Je pense que Lea92ch voulait estimer le couple maximal qui doit survenir quand la gouverne offre
le maximum de résistance au vent, donc à 90 degrés, mais pas forcément utiliser une telle amplitude.

Oui en théorie l'angle maximale sera de 60° d'un coté et 45° de l'autre et non 90°. Je voulais effectivement estimer le couple maximal.



J'en conclus donc que mon régulateur devra supporter 13A (à moins que je ne mette en place un système tel que dit plus haut pour diminuer la conso mais ce n'est pas prévu pour le moment si ça peut fonctionner tel quel). J'ai déjà un prototype fonctionnel du projet. J'ai utilisé un module de régulation de tension "tout fait" qui prend max 10A en pensant que c'était largement suffisant. J'aimerais me passer de ce module pour intégrer directement le régulateur à mon PCB. Je n'ai jamais eu affaire à autant de courant dans mes précédents projets, des régulateurs linéaires traditionnels me suffisaient. Mais je n'en trouve pas qui pourraient supporter 13A. Pourriez-vous m'orienter vers un circuit de régulation qui me permettrait avec 12V en entrée d'obtenir 7.4V en sortie ? Ce circuit devrait donc pouvoir supporter 13A.

Encore merci pour votre aide,

Léa

[Murayama]

Bonjour!

D'accord, je suis tout de même surprise par le diamètre des fils si le servomoteur
est supposé supporter 13A. Les servomoteurs sont donc faits pour atteindre leur couple
maximal que de façon ponctuelle ?

C'est comme tout. Une voiture avec un moteur de 100 kW n'est pas faite pour délivrer
100 kW en permanence.

L'explication est très claire, j'ai bien compris. Malheureusement, aucune info n'est
donnée là dessus.

Normal, le constructeur a des spécifications à atteindre, mais n'a pas à dire comment
il les réalise. Ceci dit, tous les servomoteurs pour maquettes que j'ai vus étaient
sur le schéma suivant. Le moteur est toujours parallèle à l'axe, il n'y a jamais de
vis sans fin. Pour qu'il y ait une vis san fin, il faudrait que le moteur soit
perpendiculaire à l'axe du servo, ou alors utiliser un renvoi d'angle pour que
la vis soit perpendiculaire. C'est un peu compliqué et je n'ai jamais vu ça. Mais
ça a dû être essayé.

NB: dans les servos modernes et un peu haut-de-gamme, il n'y a plus de potentiomètre
et certains peuvent faire plusieurs tours.

Si je comprends bien un système d'engrenage pour diminuer le couple du moteur aurait
été préférable dans l'idéal ?

Il est dedans (voir schéma). Et ce que le constructeur donne, c'est le couple de l'arbre
de sortie, pas celui du moteur.

Oui en théorie l'angle maximale sera de 60° d'un coté et 45° de l'autre et non 90°.
Je voulais effectivement estimer le couple maximal.

Là par contre, j'ai du mal à imaginer une gouverne qui tourne de façon pas symétrique.
Ou alors ce n'est pas celle à laquelle je pensais. Peut-être un volet horizontal, ce
qui expliquerait qu'il y en a 2.

Mais je n'en trouve pas qui pourraient supporter 13A.

Il ne faut pas vous focaliser sur ces 13 A. Ce n'est que transitoire, et d'autre part
le circuit de commande a son propre régulateur, probablement 3.3 ou 5V. Avec 10A, si
vous avez transitoirement un fort appel de courant, la tension va baisser un peu,
mais probablement jamais au point de faire chuter celle du circuit de commande. Le moteur
aura un peu moins de couple, mais c'est transitoire.

Si vous voulez vraiment 13A ou plus, il y a des régulateurs à découpage grâce auxquels
vous éviterez de consommer énormément d'énergie. Les alims à découpage, quand elles sont
de très forte puissance, c'est un métier, mais quand on utilise des circuits existants,
il n'est pas nécessaire d'être un expert.

En ce qui concerne un type particulier de convertisseur, il y a le choix sur Digikey, vous pouvez
paramétrer votre recherche.

Pascal

[Lea92ch]

Bonjour,

Normal, le constructeur a des spécifications à atteindre, mais n'a pas à dire comment
il les réalise. Ceci dit, tous les servomoteurs pour maquettes que j'ai vus étaient
sur le schéma suivant. Le moteur est toujours parallèle à l'axe, il n'y a jamais de
vis sans fin. Pour qu'il y ait une vis san fin, il faudrait que le moteur soit
perpendiculaire à l'axe du servo, ou alors utiliser un renvoi d'angle pour que
la vis soit perpendiculaire. C'est un peu compliqué et je n'ai jamais vu ça. Mais
ça a dû être essayé.

Si des roues crantées sont déjà à l'intérieur, qu'entendiez-vous par " je n'ai jamais vu de servo en prise directe sur une gouverne" ? Je pensais que vous parliez d'engrenages.

Là par contre, j'ai du mal à imaginer une gouverne qui tourne de façon pas symétrique.
Ou alors ce n'est pas celle à laquelle je pensais. Peut-être un volet horizontal, ce
qui expliquerait qu'il y en a 2.

Il ne s'agit pas d'une gouverne, la pièce est effectivement horizontale et permet de redresser le véhicule. Plus le véhicule est incliné, plus l'aileron prend de l'angle. C'est nottament pour cela que l'aileron sera plus au moins toujours en mouvement, l'inclinaison du véhicule pouvant changer assez rapidement.

Il ne faut pas vous focaliser sur ces 13 A. Ce n'est que transitoire, et d'autre part
le circuit de commande a son propre régulateur, probablement 3.3 ou 5V. Avec 10A, si
vous avez transitoirement un fort appel de courant, la tension va baisser un peu,
mais probablement jamais au point de faire chuter celle du circuit de commande. Le moteur
aura un peu moins de couple, mais c'est transitoire.

J'ai fait quelques recherches en me basant sur du 10A. J'ai trouvé ceci :


Il faut encore que je potasse comment obtenir une tension de 7.4V en sortie. Il faut aussi que je réfléchisse vis à vis du prix. Il serait plus rentable de garder l'alimentation que j'ai actuellement mais ce serait moins intéressant pour le projet.

Encore un grand merci pour votre aide et le temps que vous avez consacré à m'aider.

Léa

[Murayama]

Bonjour!

Si des roues crantées sont déjà à l'intérieur, qu'entendiez-vous par " je n'ai jamais
vu de servo en prise directe sur une gouverne" ? Je pensais que vous parliez d'engrenages.

Je voulais dire exactement ce que montre votre schéma. Il y a le servo qui est relié
directement à l'axe. Je n'ai jamais fait de modélisme moi-même à part un planeur
quand j'avais 10 ans, mais mes copains montaient les servos à l'intérieur de l'avion.
De là partaient des câbles un peu comme les freins de vélo mais plus petit, et il y
avait des biélettes sur les gouvernes.

En ce qui concerne le convertisseur, si vous suivez à la lettre les recommandations
de la documentation, il n'y aura pas de problème. La tension de sortie est réglée
avec un pont de résistance, j'imagine que le LTC3611 fonctionne comme les autres
et je verrais bien le pont de resistances 30.1k et 9.5k pour régler la tension de
sortie. Le calcul est facile: si avec 30.1 et 9.5 vous obtenez 2.5V, alors à vue de
nez, en multipliant ce rapport par 3 vous obtiendrez 7.5V. Disons 5.1k et 56k et
on ne doit pas être très loin.

Ah oui, un point important: ne mettez pas n'importe quoi comme self. Il existe des
selfs de 1µH en SMD, taille 1608 (1,6 x 0.8mm) ou même plus petites, mais ça me
marchera jamais. Il faut une self qui tient le coup. Le fabricant du convertisseur
indique souvent le type de self utilisé dans les circuits exemples.

- Je mets quoi commme self?
- Une grosse!
- C'est parti!

Pascal

[Lea92ch]

Bonjour,

La tension de sortie est réglée
avec un pont de résistance, j'imagine que le LTC3611 fonctionne comme les autres
et je verrais bien le pont de resistances 30.1k et 9.5k pour régler la tension de
sortie. Le calcul est facile: si avec 30.1 et 9.5 vous obtenez 2.5V, alors à vue de
nez, en multipliant ce rapport par 3 vous obtiendrez 7.5V. Disons 5.1k et 56k et
on ne doit pas être très loin.

Il s'agit bien d'un pont de résistances. La formule de Vout est donnée en datasheet.

Ah oui, un point important: ne mettez pas n'importe quoi comme self. Il existe des
selfs de 1µH en SMD, taille 1608 (1,6 x 0.8mm) ou même plus petites, mais ça me
marchera jamais. Il faut une self qui tient le coup. Le fabricant du convertisseur
indique souvent le type de self utilisé dans les circuits exemples.

Vous faites bien de le préciser ! Je n'aurais pas fait attention à ça, sauf si c'est bien précisé dans la datasheet que je vais lire religieusement avant d'acheter le produit.

C'est parti!

C'est parti pour souder du QFN ! Je vais devoir regarder quelques vidéos pour être au point !

Léa