Le câble d'alimentation d'un servomoteur doit-il être blindé ?

En effet, dans les applications d'automatisation industrielle, il est essentiel que les câbles d'alimentation des servomoteurs soient blindés. Le blindage permet de minimiser les interférences électromagnétiques (EMI) générées par la commutation à haute fréquence, garantissant ainsi la stabilité du système, l’intégrité des données et la compatibilité environnementale. Il s’agit d’une exigence incontournable, en particulier dans les systèmes nécessitant un contrôle précis et des performances élevées.

Le câble d’alimentation d’un servomoteur doit-il être blindé ? Qu’est-ce que le blindage ?

Les servomoteurs sont des dispositifs dynamiques situés au cœur de l’automatisation industrielle, qui assurent un contrôle précis des mouvements. Le fait que les câbles d’alimentation de ces moteurs soient blindés ou non est une question cruciale pour les performances globales, la fiabilité et la compatibilité électromagnétique (CEM) du système. Un câble blindé comporte une barrière qui entoure les conducteurs et est conçue pour réduire les perturbations électromagnétiques (EMI) provenant de l’extérieur ou émises de l’intérieur. Dans les systèmes d’asservissement, la puissance envoyée aux moteurs par le variateur (drive) est généralement commutée à haute fréquence à l’aide de la technique de modulation de largeur d’impulsion (PWM). Cette commutation rapide génère une quantité importante d’harmoniques à haute fréquence et de rayonnement électromagnétique à l’intérieur et autour du câble. Ce rayonnement peut perturber les signaux de commande, les lignes de transmission de données, les capteurs et même d’autres équipements électroniques situés à proximité, ce qui peut entraîner des dysfonctionnements ou des pannes du système.

C’est pourquoi il est impératif que les câbles d’alimentation des servomoteurs soient blindés, afin de limiter ce type d’interférences électromagnétiques indésirables et de garantir que le système fonctionne conformément aux normes CEM en vigueur. Le blindage permet au système d’automatisation de fonctionner en harmonie avec son environnement en réduisant à la fois les émissions rayonnées et les émissions conduites. De plus, en empêchant le bruit externe de pénétrer dans le câble, elle garantit le bon fonctionnement du moteur et préserve la précision des signaux de rétroaction (feedback).

Principe de fonctionnement et caractéristiques techniques

Le principe de fonctionnement des servosystèmes repose sur le contrôle précis du moteur par un variateur (servo-variateur) en fonction des commandes reçues. Le variateur ajuste en permanence la tension et le courant appliqués aux enroulements du moteur. Ce réglage s’effectue généralement à l’aide de signaux PWM à des fréquences de l’ordre du kilohertz (par exemple, de 4 kHz à 16 kHz), en utilisant des composants de commutation à semi-conducteurs à haute vitesse tels que les IGBT (transistors bipolaires à grille isolée). Les temps de montée et de descente rapides des signaux PWM (dv/dt et di/dt) provoquent l’apparition de courants et de tensions à haute fréquence dans les câbles d’alimentation. Cette situation pousse les câbles à se comporter comme des antennes et à émettre de l’énergie électromagnétique.

Le blindage fonctionne en captant cette énergie électromagnétique rayonnée et en la dérivant vers la terre. Un blindage de câble est généralement constitué d’un tressage de fils de cuivre, d’une feuille d’aluminium ou d’une combinaison des deux. Ce blindage sert de bouclier contre les champs électromagnétiques extérieurs émis par les conducteurs à l’intérieur du câble. Un blindage correctement mis à la terre transfère ces courants parasites vers la terre par un chemin à faible impédance, réduisant ainsi considérablement le niveau de bruit auquel sont exposés les conducteurs de signal et les équipements environnants. L'efficacité du blindage dépend du type de matériau utilisé, du taux de couverture (pour les blindages tressés), de la qualité de la mise à la terre et de la fréquence du bruit.

Points à respecter sur le terrain

• Mise à la terre et terminaison du blindage correctes : l’efficacité du blindage dépend d’une mise à la terre correcte. Il est essentiel que le blindage du câble soit relié, tant du côté du variateur que du côté du moteur, à la barre de mise à la terre ou au châssis via un chemin à faible impédance. Du côté du variateur, il convient généralement d’utiliser des raccords de câble CEM spécifiques ou des colliers de blindage à 360° afin d’assurer un contact parfait entre le blindage et le boîtier métallique du variateur. Du côté du moteur, la mise à la terre s’effectue via le carter du moteur. Une mise à la terre incorrecte ou insuffisante peut rendre le blindage inefficace ou entraîner des problèmes supplémentaires en créant des boucles de masse.
• Acheminement et séparation des câbles : les câbles d’alimentation des servomoteurs constituent des sources de bruit à haute fréquence. C’est pourquoi ils doivent être physiquement séparés des câbles de signaux de commande (codeur, communication, etc.) et des autres câbles de signaux sensibles à basse tension. Les câbles d’alimentation et de signal doivent être acheminés dans des goulottes distinctes ou, à tout le moins, parallèlement en respectant une distance minimale (généralement de 20 à 30 cm). Si un croisement est inévitable, celui-ci doit s’effectuer à un angle de 90 degrés et la distance de contact doit être réduite au minimum. Cela permet de minimiser le couplage inductif et capacitif.
• Qualité des câbles et choix du type : tous les câbles blindés n’offrent pas les mêmes performances. Il convient de privilégier des câbles d’alimentation de haute qualité, flexibles, résistants à l’huile et à l’usure, et conformes aux normes CEM, spécialement conçus pour les applications servo. Ces câbles peuvent généralement comporter, outre un blindage tressé à haut taux de couverture, un blindage supplémentaire en feuille. Il convient également de tenir compte du rayon de courbure du câble et de son aptitude aux applications mobiles (par exemple, pour la robotique ou les systèmes de convoyage de câbles). Le choix de câbles conformes aux spécifications du fabricant et aux normes internationales applicables (par exemple la norme EN 61800-3) garantit une fiabilité à long terme.

Problèmes courants et solutions

Les problèmes rencontrés concernant le blindage des câbles d’alimentation des servomoteurs sont généralement dus à des incompatibilités CEM. Voici quelques problèmes courants et des suggestions de solutions :

• Problème : bruit dans les signaux de rétroaction et vibrations du moteur/erreur de position

  Explication : Les interférences électromagnétiques (EMI) émises par le câble d’alimentation s’infiltrent dans les câbles de signaux de retour situés à proximité, tels que ceux de l’encodeur ou du décodeur, provoquant ainsi des perturbations du signal. Cette situation peut entraîner un fonctionnement instable du moteur, des vibrations ou l’incapacité à atteindre la position cible.

  Solution : Vérifiez que le blindage du câble d’alimentation est correctement mis à la terre aux deux extrémités, avec une faible impédance. Séparez physiquement les câbles de signal des câbles d’alimentation et acheminez-les dans des goulottes distinctes. Assurez-vous que les câbles de signal sont également blindés et que leurs blindages sont correctement mis à la terre. Si nécessaire, utilisez des câbles d’alimentation pour servomoteurs de haute qualité, à double blindage (feuille + tresse).

• Problème : dysfonctionnements ou interruptions de communication au niveau des équipements voisins (automates programmables, capteurs, IHM)

  Explication : Le bruit à haute fréquence émis par les câbles d’alimentation des servomoteurs peut entraîner un comportement anormal des équipements électroniques sensibles situés à proximité, tels que les automates programmables (PLC), les capteurs, les interfaces homme-machine (IHM) ou les appareils de réseau industriel, à des pertes de données ou à une mise hors service temporaire.

  Solution : Assurez-vous que tous les câbles d’alimentation sont blindés et que leur blindage est solidement relié au châssis du variateur par une mise à la terre à 360°. Pour éviter les boucles de masse (ground loops), assurez-vous que tous les équipements disposent d’une mise à la terre en étoile unique. Si le niveau de bruit reste élevé, vous pouvez envisager d’installer des perles de ferrite (ferrite beads) autour du câble d’alimentation. Assurez-vous que les équipements respectent leurs propres exigences en matière de CEM.

• Problème : codes d’erreur de surintensité ou de surtension sur le variateur

  Explication : un blindage insuffisant ou un câble endommagé peut entraîner une répartition déséquilibrée du courant entre le variateur et le moteur, ou provoquer des pics de tension élevés, ce qui fait basculer le variateur en mode d’erreur.

  Solution : Vérifiez l’isolation du câble et recherchez tout dommage physique au niveau du blindage. Assurez-vous que le câble est correctement raccordé aux bornes du variateur et du moteur et qu’il n’y a pas de connexion desserrée. Vérifiez que l’impédance du câble est conforme aux exigences du variateur. Pour les câbles trop longs, respectez les recommandations du fabricant du variateur (par exemple, l’utilisation d’une réactance CC).

Conseil d’expert

Dans le monde complexe et dynamique de l’automatisation industrielle, le blindage des câbles d’alimentation des servomoteurs n’est pas une option, mais une nécessité. Les techniques de commutation à haute fréquence (PWM) inhérentes aux servosystèmes haute performance génèrent inévitablement une quantité importante d’interférences électromagnétiques (EMI). Ces interférences ne se contentent pas de perturber les boucles de contrôle précises du servosystème lui-même (en particulier les signaux de rétroaction), mais peuvent également nuire au fonctionnement d’autres équipements d’automatisation critiques situés à proximité (automates programmables, capteurs, réseaux de communication). Cette situation entraîne des arrêts de production, des problèmes de qualité, des difficultés de dépannage et, à long terme, des coûts importants.

Selon les conseils des experts, vous devez toujours privilégier des solutions blindées pour les câbles d’alimentation des servomoteurs. Cependant, l’utilisation d’un câble blindé ne suffit pas à elle seule ; l’efficacité du blindage est directement liée à une installation correcte et, surtout, à une mise à la terre complète et à faible impédance. Assurer une connexion de mise à la terre à 360 degrés aux deux extrémités du câble (au niveau du variateur et du moteur) à l’aide de raccords ou de colliers de câble CEM adaptés est la clé pour réduire au minimum les perturbations électromagnétiques. De plus, séparer physiquement les câbles d’alimentation des câbles de commande et de signal, assurer un acheminement correct dans les goulottes et utiliser des longueurs de câble aussi courtes que possible permettront également d’améliorer considérablement les performances CEM du système. Choisir des câbles de qualité, conformes aux normes industrielles et homologués par le fabricant constitue le meilleur investissement pour garantir un fonctionnement durable et sans faille. Ces mesures ne se contenteront pas d’améliorer la fiabilité de votre système actuel, elles constitueront également une base solide pour les extensions futures et les éventuels processus de certification CEM.