Les moteurs pas à pas
Les moteurs pas à pas sont utilisé dans de nombreux appareils ( imprimantes, fax , photocopieurs , traceurs .... ) le but étant de faire déplacer des ensembles mobiles avec une grande précisions par rapport à des moteurs a courant continu classique .
En effet les moteurs pas à pas sont constitués de manières différentes et comportent plusieurs bobines ainsi l' on peut déterminer l' angle exact de rotation , l' accélération ou le sens de rotation en modifiant l' alimentation des bobines .
De plus, en laissant une ou plusieurs bobines alimentées, on obtient un maintien: le moteur est figé.
Les moteurs pas à pas fonctionnent sous des tensions de 3 ,4 ,5 ,12 .... 24V et plus.
Le moteur avancera d' un seul pas à chaque impulsion et son axe tournera d' un angle qui est fonction du nombre de pas du moteur :
moteur à 400 pas = 0,9 °
200 pas = 1,8 °
100 pas = 3,6 °
48 pas = 7,5 °
24 pas = 15 °
Pour faire fonctionner notre moteur pas à pas nous avons besoin d' une partie logique qui se chargera de faire en sorte que le moteur agisse de façon cohérente et déterminera la vitesse ainsi que le sens de rotation ou l'alimentation ou non du moteur lorsque celui-ci est arrêté. Comme les bobines du moteur doivent être alimentées selon un ordre prédéfini le contrôleur veillera à alimenter les bobines dans le bon ordre. Et en fin l' interface de puissance qui permettra de faire circuler des courants de l'ordre de l'ampère dans les bobines du moteur. Ce sont ordinairement des transistors FET de puissance qui font ce travail ou un circuit spécialisé. 1.6.1.la partie logique et contrôle :
1.6.2.La partie puissance :
Fonctionnement avec circuits spéciaux :
Le TEA3717
Le MC3479C
http://www.ee.vt.edu/cel/datasheets/mc3479.pdf ; http://www.onsemi.com/pub/Collateral/MC3479-D.PDF
Le L297 et L298
SAA1027
Le SLA7024M http://micromouse.cannock.ac.uk/motors/s7024.pdf
La partie contrôleur et interface de puissance est disponible dans un seul circuit le SLA7024M :
Pour un moteurs à 6 fils
On a alors réellement le choix de le contrôler comme un moteur bipolaire, ou comme un moteur unipolaire. Dans le premier cas, on ignore simplement les connexions centrales, et dans le second cas, on relie les deux points centraux , pour alimenter l'un après l'autre les 4 autres fils.
Schéma de principe :
Les moteurs pas à pas sont des hybrides entre les Moteurs à aimant permanent et les Moteur à réluctance variable , ils combinent les principes d'opération des ces deux types de moteur .
2.1.1 Le moteur hybride standard à 200 pas
Le moteur pas à pas standard fonctionne avec un rotor de 50 dents sur 2 sections. Le stator a 8 pôles, chacune possédant 5 dents, ce qui fait un total de 40 dents .Il est à noter que ce moteur possède autant de positions "de détente" qu'il possède de pas par tour, soit 200 pas. Les positions de détente correspondent à un alignement parfait entre les dents du rotor et du stator.
Lorsque l'alimentation est appliquée, il est normal que celui-ci se positionne dans un état "zéro phase", où les deux phases sont alimentées. La position résultante ne correspond pas à une position naturelle de détente, ce qui fait qu'un moteur non alimenté tournera toujours d'au moins un demi pas lorsqu'il sera alimenté. Bien sûr, si le système a été éteint dans un état autre que l'état "zéro phase", ou si le moteur a été bougé précédemment, un mouvement plus grand peut être observé.
Un autre point à se souvenir est que pour un certain arrangement de courants dans les phases, il y a autant de positions stables que le rotor possède de dents (50 pour un moteur à 200 pas). Si un moteur est désynchronisé, l'erreur résultante de position sera toujours un nombre entier de dents de rotor ou un multiple de 7,2 degrés.
Il existe divers types de moteurs pas à pas mais la principale différence est le nombre de bobines utilisées .
Configuration interne des bobines du moteur :
4 fils
5 fils
6 fils
8 fils
Les moteurs à 4 fils (bipolaires)
Bien que sur le schéma, 4 bobines ont été représentées, ce moteur agit comme s'il ne possédait que 2 bobines. Ce moteur oblige d'alimenter soit une bobine à la fois, ou les deux en même temps. À tout moment, donc, le moteur a la moitié ou la totalité de ses bobines alimentées, ce qui a comme avantage de lui donner plus de force. Par contre, il est plus complexe de contrôler un moteur bipolaire, au niveau de l'interface de puissance, puisqu'il faut inverser la polarité de la bobine. Les moteurs à 5 fils (unipolaires)
Le moteur unipolaire est conçu de sorte que l'interface de puissance soit grandement simplifiée, mais au détriment de la force. Le moteur comporte en quelque sorte deux bobines à points centraux, ces derniers étant communs. Habituellement, on relie ces points centraux , et on applique l'alimentation à un des 4 autres fils.
Il est toutefois possible d'ignorer les points centraux et de faire fonctionner le moteur unipolaire comme un moteur bipolaire, mais il faut être davantage rigoureux car contrairement au moteur bipolaire, ici les deux bobines sont capables d'interagir entre elles. Par exemple, si on alimente une des deux bobines, et qu'on relie une borne de l'autre bobine à la masse, le courant se répartit maintenant dans trois demi-bobines, au lieu de deux demi-bobines pour le moteur bipolaire. Les moteurs à 6 fils
Avec le moteur à 6 fils, on a alors réellement le choix de le contrôler comme un moteur bipolaire, ou comme un moteur unipolaire. Dans le premier cas, on ignore simplement les connexions centrales, et dans le second cas, on relie les deux points centraux à la masse, pour alimenter l'un après l'autre les 4 autres fils. Les moteurs à 8 fils
Le moteur à 8 fils est celui qui permet le plus de flexibilité, quant au nombre de façons différentes de le contrôler.
Fonctionnement du moteur hybride
Le fonctionnement du moteur hybride est facile à comprendre en regardant un modèle très simple qui produit 12 pas par tour.
Le rotor de cet engin consiste en deux pièces ayant chacune trois dents. Entre les deux pièces se trouve un aimant permanent magnétisé dans le sens de l'axe du rotor, créant ainsi un pôle sud sur une pièce, et un pôle nord sur l'autre.
Le stator consiste en un tube ayant quatre dents à l'intérieur de celui-ci. Les bobines sont enroulées autour des dent du stator.
Lorsqu' aucun courant ne circule dans les bobines, le rotor va prendre une des positions montrées dans les diagrammes. C'est parce que l'aimant permanent du rotor essaie de minimiser la réluctance (ou résistance magnétique) du champ magnétique. Le torque qui tend à maintenir le rotor dans ces positions est habituellement petit et est appelé "torque de détente". Le moteur ci-dessous aura 12 positions de détente possibles.
Si le courant circule dans un paire de bobines du stator, comme le montre la figure 4, les pôles résultants vont attirer les dents de la polarité inverse, à chaque extrémité du rotor. Il y a maintenant trois positions stables pour le rotor, le même nombre que le nombre de dents sur le rotor. Le torque requis pour déplacer le rotor de sa position stable est maintenant beaucoup plus grand, et est appelé "torque de maintien".
Figure 4
En changeant le courant du premier au second ensemble de bobines (b), le champ du stator tourne de 90 degrés et attire une nouvelle paire de pôles du rotor. Le résultat est que le rotor tourne de 30 degrés, ce qui correspond à un pas complet. Retourner au premier ensemble de bobines du stator, mais en les alimentant dans la direction inverse, implique de tourner le champ magnétique du stator d'un autre 90 degrés, et le rotor tourne d'un autre 30 degrés (c). Finalement, le second ensemble de bobines est alimenté dans la direction opposée pour donner une troisième position. Nous pouvons maintenant retourner à la première condition (a), et après ces quatre étapes, le rotor va avoir bougé d'une dent de stator. Ce moteur simple accomplit donc 12 pas (ou étapes) par tour. Évidemment, si les bobines sont alimentées dans la séquence contraire, le moteur va tourner dans l'autre sens.
Si deux phases sont alimentées à la fois (figure 5), le rotor prend une position intermédiaire, puisqu'il est attiré par deux fois plus de dents du stator. Le rotor peut faire un pas complet simplement en inversant le courant dans un des ensembles de bobines. Ceci cause un rotation de 90 degrés du champ du stator, comme précédemment, et constitue donc une façon supplémentaire de contrôler le moteur en "pas complet".
Figure 5 Accélération!
Un pas complet peut se décortiquer en plusieurs étapes. La première est l'état initial, caractérisé par une position dite "d'équilibre", et une vitesse indéterminée, mais supposée nulle, pour aider la compréhension. L'étape seconde est celle où un changement de l'orientation du champ magnétique provoque une force, et par conséquent, une accélération. Cette accélération (étape 2) se poursuivra jusqu'à ce qu'aucune force ne s'exerce sur le rotor, c'est-à-dire lorsqu'il se retrouvera à sa position finale d'équilibre. Ce qui se passe par la suite peut varier.
Si la vitesse "globale" de rotation est très basse, on peut considérer que le rotor s'arrête entre chaque pas. Dans ce cas, le rotor, qui a atteint une certaine vitesse par son accélération lors de l'étape 2, doit s'arrêter. Ainsi, nous avons changé le champ magnétique d'orientation, et nous le maintenons ensuite durant une période pendant laquelle le rotor va osciller jusqu'à ce qu'il s'immobilise à sa position d'équilibre. En effet, le rotor a atteint sa position d'équilibre, mais possède encore une vitesse non négligeable. Cette vitesse fera en sorte que le rotor va continuer sa course, plus loin de sa position d'équilibre, pour perdre de la vitesse à cause d'une force apparaissant maintenant en sens opposé à celle de l'étape 2. Une fois arrêté, le rotor n'est toujours pas en position d'équilibre, et reprend de la vitesse en sens contraire, vers la position d'équilibre. On voit immédiatement qu'il s'agit d'une oscillation autour de la position d'équilibre, et que seul le frottement et l'effet joule peuvent arrêter cet oscillement. C'est donc ce qui se produit à basse vitesse.
À une vitesse "globale" plus élevée, lorsque le rotor a atteint sa position d'équilibre, le champ magnétique est à nouveau modifié, pour effectuer un pas supplémentaire. Ainsi, on n'observe pas la forte oscillation présente à basse vitesse. Par contre, on se rendra compte qu'il existe toujours une oscillation. Celle-ci provient du fait que l'accélération n'est pas constante entre deux positions d'équilibre. En effet, au moment où on modifie le champ, la force est la plus élevée. Tout juste avant d'atteindre la position d'équilibre, la force est presque nulle. Il est donc évident que la variation d'accélération ayant lieu entre chaque pas se répercutera en une certaine vibration. Le demi-pas
En alimentant alternativement un seul ensemble, et ensuite les deux (figure 6), le rotor bouge de 15 degrés à chaque étape et le nombre de pas par tour est doublé. Ceci est appelé le mode "demi-pas", et la plupart des applications industrielles utilisent ce mode. Même s'il engendre parfois une légère perte de torque, le mode demi-pas est beaucoup plus régulier à de basses vitesses, et on observe moins de résonance à la fin de chaque pas.
En réalité, ce qui se passe lors de ce mode de fonctionnement, c'est qu'on "assiste" la rotation du moteur, au lieu de changer brusquement le champ magnétique et attendre que le rotor se replace. On change donc un peu plus doucement le champ magnétique, et le rotor accède à une vitesse maximale moins élevée entre les positions initiale et finale. Bref, à la fin de son pas complet, une fois qu'il a passé par la position intermédiaire, le rotor a une vitesse moins grande, et le passage à la position d'équilibre nécessite une décélération moins importante, d'où la réduction de la résonance.
Pour revenir au point de vue accélération, le mode demi-pas réduit la distance entre les pas. Conséquemment, l'accélération est moins élevée, et les variations de vitesses causant le bruit et la résonance sont réduites d'autant.
Figure 6 Le "micro-pas"
Une extrapolation du principe du demi-pas, on en déduit qu'il serait possible de découper un pas complet en autant de pas qu'on le désire. En fait, à la limite, on pourrait contrôler un moteur pas à pas avec des courants alternatifs de forme sinusoïdale. On déplace donc tranquillement la position d'équilibre. Et le torque?
Le torque est moins élevé entre deux "vraies" positions d'équilibre, car la densité du flux magnétique est moins élevée lorsque les dents du rotor ne sont pas alignées directement en face des dents du stator (je ne suis pas un expert dans ce domaine). Pour palier à cette perte de torque, on utilise couramment la technique qui consiste à augmenter le courant dans les bobines lorsque le rotor est entre deux positions d'équilibre. Ainsi, on fait varier de façon sinusoïdale le courant d'une quantité minimale à une quantité maximale. Le courant est à son minimum lorsque le rotor est à sa position d'équilibre. Le courant
Lorsque le moteur est contrôlé dans son mode "pas complet", deux phases sont alimentées à la fois (figure 7), et le torque disponible à chaque pas est le même (sauf quelques variations dues au moteur et aux caractéristiques du contrôleur). Dans le mode demi-pas, on alterne l'alimentation entre deux phases, et une seule, comme le montre la figure 8. En considérant que le contrôleur donne le même courant dans chaque cas, un plus grand torque sera produit lorsque deux bobines, plutôt qu'une, sont alimentées. En d'autres mots, les pas seront forts et faibles. Le torque résultant est bien entendu limité par les pas les plus faibles, mais il y aura un hausse significative de la douceur du mouvement à de basses vitesses, comparément au mode "pas complet".
Figure 7
Figure 8
Figure 9
Figure 10
Ce que nous voulons, c'est produire un torque approximativement semblable à chaque pas, et ce torque devrait être le même que le pas le plus fort. Nous pouvons le faire en utilisant un courant plus élevé lorsqu'une seule phase est alimentée. Ceci ne fera pas trop chauffer le moteur, puisque le manufacturier assume que deux phases seront alimentées (le courant inscrit sur le moteur est basé sur la capacité du moteur de dissiper la chaleur). Avec seulement une phase d'alimentée, la même puissance sera dissipée si le courant est augmenté de 40%. L'utilisation de ce courant plus élevé durant l'alimentation d'une seule phase produit approximativement un torque égal pour tous les pas (voir figure 9).
Nous avons vu qu'en alimentant les deux phases avec des courants égaux, un pas intermédiaire à mi-chemin entre les positions du mode "une phase à la fois". Si les deux courants sont inégaux, la position du rotor sera décalée vers le pôle le plus fort. Cet effet est utilisé dans le contrôle par micropas (microstepping), qui subdivise les pas de base en proportionnant le courant dans les deux phases. Ce cette façon, la grandeur des pas est réduite et la fluidité à basse vitesse est drastiquement améliorée. Les contrôleurs par micropas divisent un pas normal en 500 micropas, ce qui donne 100000 pas par tour. Dans cette situation, le courant dans les bobines ressemble de plus en plus à deux ondes sinusoïdales déphasées de 90 degrés (voir figure 10). Le moteur est alors contrôlé comme s'il s'agissait d'un moteur à courant alternatif (AC) synchrone. En fait, le moteur pas-à-pas peut être alimenté de cette façon par une source sinusoïdale de 60Hz (50Hz en Europe), en incluant un condensateur en série avec une phase. Il tournera à 72 RPM (révolutions par minute).
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Dernière mise à jour le 06/03/2004 .
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