Hydraulique proportionnelle

Solénoïdes proportionnels, capteurs LVDT et tiroirs des distributeurs proportionnels

Hydraulique conventionnelle et hydraulique proportionnelle

Introduction

La notion de valves à effet proportionnel regroupe les valves de contrôle de pression, de débit et les distributeurs qui transposent un signal d’entrée modulé en continu en un signal de sortie hydraulique qui lui est proportionnel. Sous cette notion très large, on pourrait aussi inclure les servovalves ; toutefois, en technique hydraulique, on réserve le terme « valve proportionnelle » aux valves assurant une transformation proportionnelle à un signal, ce qui les distingue nettement des servovalves.

Quelles sont les limites de l’hydraulique conventionnelle ?

Imaginons un système hydraulique composé d’un vérin dont la vitesse de déplacement doit varier selon les phases du cycle de la machine. Ce réglage s’effectue par un régulateur de débit dont on fait varier l’ouverture de passage. L’hydraulique conventionnelle oblige à retoucher manuellement cette ouverture chaque fois que la vitesse doit être changée.

Le régulateur de débit à commande manuelle s’est progressivement développé pour autoriser la commande à distance (action électrique ou pneumatique), ce qui a permis d’automatiser le processus ; néanmoins, la présence de plusieurs appareils restait nécessaire.

De même, la commutation des différentes vitesses ne se faisait pas sans à-coup pour la mécanique : coups de bélier et pointes de pression étaient fréquents lors de la commutation, avec toutes les nuisances qu’ils entraînent.

Apports de la commande proportionnelle

La commande proportionnelle apporte plus de souplesse et de précision aux systèmes hydrauliques, grâce à la possibilité de régler en continu (et non plus par gradins) le fonctionnement des composants, et de contrôler des cycles de travail même complexes avec un nombre limité de composants. Ces appareils permettent d’obtenir des vitesses et accélérations infiniment variables, là où l’hydraulique conventionnelle exigerait une multitude d’appareils.

En résumé, la proportionnelle valorise les machines par :

• la diminution du nombre de composants ;
• la progressivité : moins d’à-coups, moins de pics de pression, une durée de vie accrue des éléments mécaniques en mouvement ;
• une meilleure précision dans le contrôle des mouvements : rampes d’accostage, systèmes asservis ;
• un interfaçage aisé avec les automatismes de commande.

Contreparties : étant un système à ouverture variable, le composant proportionnel présente à ses orifices une perte de charge plus importante qu’un composant à ouverture fixe (tout ou rien). Cette perte de charge élève la température par laminage du fluide, d’où une modification de la viscosité et donc de la vitesse des récepteurs. La grande précision d’usinage rend ces appareils sensibles à la pollution : une filtration plus fine est exigée. Enfin, cette technologie demande des connaissances supplémentaires (l’électronique y tient une place importante).

Éléments constitutifs de la valve proportionnelle

L’élément fondamental du fonctionnement d’une valve à action proportionnelle est son solénoïde. Une valve proportionnelle associe un capteur LVDT (selon les versions), des solénoïdes à action proportionnelle et un tiroir de distribution.

Solénoïdes à action proportionnelle

En construction, un solénoïde à action proportionnelle est très similaire à un solénoïde tout-ou-rien à courant continu. Le solénoïde est encapsulé dans une gaine de polyester et enfilé sur un tube contenant le noyau plongeur (induit magnétique). Ce tube est usiné en un matériau à deux composantes—l’une magnétique, l’autre amagnétique—ce qui concentre les lignes de force du flux dans l’espace compris entre l’induit mobile et la butée fixe (pièce polaire).

Lors de l’alimentation de la bobine par un courant électrique I, le champ magnétique déplace l’armature mobile vers la butée fixe. Une rondelle amagnétique est placée devant la butée fixe : les lignes de force induisent une aimantation dans la butée qui, par magnétisme rémanent, pourrait retenir l’armature mobile au relâchement du courant. La rondelle augmente l’entrefer et diminue ainsi le champ résiduel et la force d’attraction rémanente.

L’armature mobile est solidaire d’un poussoir qui active le tiroir du distributeur. Ce poussoir est guidé à l’avant par une buselure à faible frottement et à l’arrière par une butée à billes : cet équipage minimise les forces de frottement et réduit l’hystérésis de la valve.

Les solénoïdes des valves proportionnelles fonctionnent à courant continu et peuvent être de deux types :

• À sec : le fluide est isolé du solénoïde. Cela exige des étanchéités très poussées mais protège mieux la bobine des nuisances (eau dans l’huile…). En contrepartie, ces étanchéités augmentent les frottements et diminuent la précision.
• À bain d’huile : le fluide est en contact avec la bobine. Ils forment la majorité des distributeurs à action proportionnelle.

Avant leur mise en service, les composants proportionnels doivent généralement être purgés de l’air qu’ils contiennent (au niveau du solénoïde) ; la vis de purge (en fait un orifice de gavage) sert à cela. Chez certains fabricants, la purge est automatique.

L’intensité de la force d’application du poussoir est proportionnelle à l’intensité du courant absorbé par le solénoïde. Ce qui différencie une bobine tout-ou-rien d’une bobine proportionnelle réside dans la construction de l’armature mobile, du noyau et du tube : elle est conçue pour que la force générée soit constante dans la plage de déplacement de l’armature (course utile du tiroir).

Pour délivrer une sortie variable proportionnelle à une consigne modulable, il faut que, pour les différentes valeurs d’entrée, la force disponible sur le poussoir soit elle-même proportionnelle. La caractéristique d’un solénoïde proportionnel se présente donc sous forme de plusieurs courbes.

Dans ce type de valve, où la position du tiroir est fixée par l’équilibre avec un ressort, les performances sont limitées car d’autres paramètres influencent la position du tiroir—donc la grandeur réglée en sortie :

• les forces de frottement internes entre le tiroir et le corps (ou la fourrure) : elles dépendent des matériaux, de l’état de surface et des pressions ;
• les forces radiales engendrées sur le tiroir par la veine de fluide sous pression (jeu mécanique tiroir/corps) ;
• l’hystérésis (magnétique du solénoïde, mécanique du ressort, frottements du poussoir) ;
• les forces hydrodynamiques agissant sur les arêtes des gorges du tiroir, fonction du débit et de la pression.

La précision de ce type de valve est, selon le calibre, de l’ordre de 5 à 6 % pour l’hystérésis et de 2 à 3 % pour la reproductibilité. Ces systèmes sont dits en boucle ouverte (consigne → amplificateur → solénoïde → tiroir).

Quand des exigences plus fortes sont requises, un capteur de position est intégré au tiroir (ou au solénoïde) pour délivrer un signal proportionnel à la position du tiroir. Ce signal sert de feed-back vers la carte d’amplification : on obtient un positionnement précis par régulation en boucle fermée.

Le signal de consigne engendre en sortie de l’amplificateur un courant qui pilote le solénoïde ; celui-ci déplace le tiroir jusqu’à ce que le signal de retour du capteur corresponde à la consigne. Le sommateur d’entrée effectue la différence des deux signaux, et seul l’écart (signal d’erreur) est converti en courant de commande. Le courant est élevé au démarrage puis diminue à mesure que le tiroir approche de la position visée, l’erreur tendant vers zéro. Cette approche élimine les erreurs de position dues aux frottements secs et aux forces hydrodynamiques. Les performances atteignent alors < 1 %, tant en hystérésis qu’en reproductibilité.

Deux types de solénoïdes

Solénoïde à régulation de force : la force est régulée par le courant absorbé. Le courant d’induit—donc la force—est maintenu constant par l’amplificateur, même si la résistance de bobine varie. Utilisés dans des distributeurs et des valves de pression proportionnelles ; course de la tige de l’ordre de 1,5 mm. Ces solénoïdes fonctionnent en boucle ouverte.

Solénoïde à régulation de course : la position de l’induit est asservie en boucle fermée. Les forces antagonistes n’ont plus d’effet sur cette position (dans la plage de travail). L’hystérésis et le défaut de reproductibilité sont réduits grâce à la rétroaction électrique. Ils équipent les distributeurs proportionnels 4 voies à action directe.

Tiroir de distribution proportionnelle

Les distributeurs à action proportionnelle sont composés de deux parties :

• une partie modulante électrique, constituée du solénoïde (et de son électronique) ;
• une partie modulante mécanique, composée d’un tiroir cylindrique ou plan, d’un élément à cartouche ou d’un élément à clapet.

Les tiroirs cylindriques sont les plus fréquemment utilisés. On distingue les systèmes à gorge dans la chemise (les plus employés) et à gorge sur le tiroir.

Le recouvrement du tiroir

Le recouvrement (ou découvrement) décrit la position relative des arêtes de distribution du tiroir par rapport aux gorges. On rencontre trois types :

• Recouvrement nul : pour une ouverture X = 0, le débit est nul, et il croît dès que X augmente. Ce type convient à l’asservissement de précision.
• Recouvrement positif : les sections de commande restent fermées dans un domaine │X│<X₀ ; au-delà, le débit passe. Utilisé pour les distributeurs classiques, il ne convient pas à l’asservissement fin. Valeur de recouvrement de l’ordre de 20 % de la course.
• Recouvrement négatif (découvrement) : il y a débit dès X ≥ X₀. Utilisé pour les asservissements ; valeur de découvrement comprise entre 10 et 30 % selon les cas.

Capteur LVDT

Le capteur de position est généralement un LVDT (Linear Variable Differential Transformer). Il est constitué d’un enroulement primaire et de deux enroulements secondaires, avec un noyau en acier doux solidaire du tiroir. L’enroulement primaire est alimenté en tension alternative ; comme dans un transformateur, le déplacement du noyau modifie le couplage magnétique et donc la tension induite dans les secondaires. Le signal de sortie est ensuite converti (tension/courant) pour être exploité par l’électronique de contrôle.

Important : lors du raccordement du signal issu du LVDT, respecter la compatibilité avec l’électronique de contrôle ; si celle-ci ne dispose pas de son propre convertisseur, un étage tension/courant est nécessaire. Lors du remplacement d’un capteur LVDT, un réglage/calibrage est requis.

Paramètres caractérisant les valves à effet proportionnel

• Linéarité : aptitude à fournir une sortie proportionnelle à l’entrée ; en pratique, les distributeurs proportionnels présentent un écart de linéarité entre débit idéal et débit réel.
• Seuil de courant d’inversion : valeur de courant à appliquer pour inverser le sens, analogue au jeu mécanique de retournement. SINV % = (I₁ + I₂) × 100 / IN.
• Fidélité (reproductibilité) : aptitude à reproduire la même sortie pour une même entrée ; pour le tiroir, cela se traduit par un écart de position.
• Hystérésis : différence de débit selon que le courant croît ou décroît ; de l’ordre de 1 à 3 %. Hyst = (I₁ + I₂) × 100 / IN.
• Sensibilité (R) : variation de courant à effectuer pour obtenir une variation de débit détectable.
• Réponse en fréquence : aptitude à suivre un signal d’entrée sinusoïdal ; à fréquence croissante, l’amplitude de sortie diminue et le déphasage augmente.

【Diagramme de Bode : il donne une représentation graphique du rapport d’amplitude sortie/entrée (en dB : 20 × log(S/E)) et du déphasage, en fonction de la fréquence. Il permet de comparer la dynamique d’une valve proportionnelle et d’une servovalve.

Comparaison des architectures (Parker)

Points de sélection pour une application industrielle

• Déterminer le débit maximal requis et le Δp disponible par orifice.
• Choisir la taille nominale du distributeur (NG / CETOP) en fonction.
• Définir le type de tiroir et son recouvrement selon la précision recherchée.
• Vérifier la compatibilité entre le signal de commande, l’amplificateur et le capteur.
• Pour la haute précision, privilégier une architecture à LVDT (boucle fermée).
• Respecter la filtration, la propreté du fluide et les limites de température.
• Effectuer la mise en service avec des rampes et des paramètres adaptés.

Exemples de familles Parker à étudier

Conclusion

En hydraulique proportionnelle, le solénoïde, le tiroir et—le cas échéant—le capteur LVDT forment un ensemble où l’électronique joue un rôle central. La boucle ouverte offre une commande souple et économique ; la boucle fermée (avec LVDT) apporte précision, répétabilité et dynamique. Le bon choix d’architecture, de tiroir et de recouvrement, associé à une filtration et une mise en service soignées, conditionne la performance de l’installation.

Sami Rekik

Votre pièce hydraulique en stock.

Un large choix de pièces disponibles en stock prêtes pour une livraison immédiate. 

Découvrir l'offre ici