Commande de moteur pas à pas

Les moteurs électriques convertissent l'énergie électrique en énergie mécanique, et quant aux moteurs pas à pas, ils convertissent l'énergie des impulsions électriques en mouvements de rotation du rotor. Le mouvement généré par l'action de chaque impulsion est initié et répété avec une grande précision, faisant des moteurs à bille des entraînements efficaces pour les appareils qui nécessitent un positionnement précis.

Les moteurs pas à pas à aimant permanent comprennent : un rotor à aimant permanent, des enroulements de stator et un noyau magnétique. Les bobines d'énergie créent des pôles magnétiques nord et sud, comme indiqué. Le champ magnétique mobile du stator force le rotor à s'aligner avec lui à tout moment. Ce champ magnétique tournant peut être réglé en contrôlant l'excitation en série des bobines du stator pour faire tourner le rotor.

La figure montre un schéma d'une méthode d'excitation typique pour un moteur biphasé. Dans la phase A, les deux bobines du stator sont alimentées, ce qui provoque l'attraction et le verrouillage du rotor lorsque les pôles magnétiques opposés s'attirent.Lorsque les enroulements de la phase A sont désactivés, les enroulements de la phase B sont activés, le rotor tourne dans le sens des aiguilles d'une montre (anglais CW - sens horaire, CCW - sens antihoraire) 90 °.

Ensuite, la phase B s'éteint et la phase A s'allume, mais les pôles sont maintenant opposés à ce qu'ils étaient au tout début. Cela conduit au prochain virage à 90 °. La phase A est alors désactivée, la phase B est activée avec une polarité inversée.La répétition de ces étapes entraînera une rotation du rotor dans le sens des aiguilles d'une montre par incréments de 90°.

La commande pas à pas illustrée sur la figure est appelée commande monophasée. Une méthode plus acceptable de contrôle pas à pas est le contrôle actif biphasé, où les deux phases du moteur sont toujours allumées, mais la polarité de l'une d'elles change, comme indiqué sur la figure.

Cette commande amène le rotor du moteur pas à pas à se déplacer de sorte qu'il s'aligne avec chaque pas au centre des pôles nord et sud formés, entre les saillies du circuit magnétique. Étant donné que les deux phases sont toujours actives, cette méthode de contrôle fournit 41,4 % de couple en plus que le contrôle avec une phase active, mais nécessite deux fois plus de puissance électrique.

Un demi-pas

Un moteur pas à pas peut également être "semi-pas", puis un étage de déclenchement est ajouté lors de la transition de phase. Cela réduit l'angle d'inclinaison de moitié. Par exemple, au lieu de 90°, un moteur pas à pas peut faire des rotations de 45° sur chaque « demi-pas », comme le montre la figure.

Mais le mode demi-pas introduit une perte de couple de 15-30%, par rapport au contrôle pas à pas avec deux phases actives, car l'un des enroulements est inactif pendant la moitié du pas et cela conduit finalement à une perte de force électromagnétique, agissant sur le rotor, c'est-à-dire la perte nette de couple.

Bobine bipolaire

La commande pas à pas biphasée suppose la présence d'un enroulement statorique bipolaire. Chaque phase a sa propre bobine, et lorsque le courant est inversé à travers les bobines, les polarités électromagnétiques changent également. La phase initiale est typique pilote biphasé montré dans la figure. Le schéma de contrôle est indiqué dans le tableau. On peut voir comment, simplement en changeant la direction du courant à travers les bobines, il est possible de changer la polarité magnétique dans les phases.

Bobine unipolaire

Un autre type typique de bobine est une bobine unipolaire. Ici, les bobines sont divisées en deux parties et lorsqu'une partie de la bobine est alimentée, un pôle nord est créé, lorsque l'autre partie est alimentée, un pôle sud est créé. Cette solution est appelée bobine unipolaire car la polarité électrique responsable du courant ne change jamais. Les étapes de contrôle sont représentées sur la figure.

Cette conception permet d'utiliser un bloc électronique plus simple. Cependant, près de 30% du couple est perdu ici par rapport à une bobine bipolaire car les bobines ont la moitié du fil comme une bobine bipolaire.

Autres angles d'inclinaison

Pour obtenir des angles de pas plus petits, il est nécessaire d'avoir un plus grand nombre de pôles à la fois sur le rotor et sur le stator. Le rotor de 7,5° a 12 paires de pôles et le noyau magnétique du stator a 12 protubérances. Deux oreilles de canette et deux bobines.

Cela donne 48 pôles pour chaque pas de 7,5°. Sur la figure, vous pouvez voir les cosses à 4 pôles en coupe. Il est bien sûr possible de combiner les pas pour obtenir de grands déplacements, par exemple six pas de 7,5° donneront une rotation du rotor de 45°.

Précision

La précision des moteurs pas à pas est de 6 à 7 % par pas (sans accumulation). Un moteur pas à pas avec des pas de 7,5° sera toujours à moins de 0,5° de la position théoriquement prévue, quel que soit le nombre de pas déjà effectués. L'erreur ne s'accumulera pas car mécaniquement tous les 360° se répètent pas à pas. Sans charge, la position physique des pôles du stator et du rotor l'un par rapport à l'autre sera la même à tout moment.

Résonance

Les moteurs pas à pas ont leur propre fréquence de résonance parce qu'ils sont comme des systèmes à ressort. Lorsque le rythme est le même que la fréquence de résonance naturelle du moteur, le bruit généré par le moteur peut être entendu et la vibration est amplifiée.

Le point de résonance dépend de l'application du moteur, de sa charge, mais généralement la fréquence de résonance varie de 70 à 120 pas par seconde. Dans le pire des cas, le moteur perdra sa précision de contrôle s'il entre en résonance.

Un moyen simple d'éviter les problèmes de résonance du système consiste à éloigner le rythme du point de résonance. En mode demi-pas ou micro-pas, le problème de résonance est réduit car le point de résonance est abandonné au fur et à mesure que la vitesse augmente.

Couple

Le couple d'un moteur pas à pas est fonction de : la vitesse de pas, le courant d'enroulement du stator, le type de moteur. La puissance d'un moteur pas à pas particulier est également liée à ces trois facteurs.Le couple d'un moteur pas à pas est la somme du couple de frottement et du couple d'inertie.

Le couple de frottement en grammes par centimètre est la force nécessaire pour déplacer une charge pesant un certain nombre de grammes avec un bras de levier de 1 cm de long. Il est important de noter qu'à mesure que la vitesse de pas du moteur augmente, la force contre-électromotrice dans le moteur , c'est-à-dire que la tension générée par le moteur augmente. Cela limite le courant dans les enroulements du stator et réduit le couple.