Moteurs pas à pas

Un moteur pas à pas est un dispositif électromécanique qui convertit les signaux électriques en mouvements angulaires discrets d'un arbre. L'utilisation de moteurs pas à pas permet aux organes de travail des machines d'effectuer des mouvements strictement dosés en fixant leur position en fin de mouvement.

Les moteurs pas à pas sont des actionneurs qui fournissent des mouvements angulaires fixes (pas). Tout changement d'angle du rotor est la réponse du moteur pas à pas à l'impulsion d'entrée.

Un moteur électrique pas à pas discret est naturellement associé à des dispositifs de commande numérique, ce qui lui permet d'être utilisé avec succès dans des machines de découpe de métaux à commande numérique, dans des robots et manipulateurs industriels, dans des mécanismes d'horlogerie.

Un entraînement électrique discret peut également être mis en œuvre à l'aide d'une série moteurs électriques asynchrones, qui, grâce à un contrôle spécial, peut fonctionner en mode pas à pas.

Les moteurs pas à pas sont utilisés dans les entraînements électriques avec une puissance allant d'une fraction de watt à plusieurs kilowatts.Une extension de l'échelle de puissance d'un entraînement électrique discret peut être obtenue en utilisant des moteurs électriques asynchrones en série, qui, grâce à une commande appropriée, peuvent fonctionner en mode pas à pas.

Le principe de fonctionnement des moteurs pas à pas de tous types est le suivant. À l'aide d'un interrupteur électronique, des impulsions de tension sont générées, qui sont transmises aux bobines de commande situées sur le stator du moteur pas à pas.

En fonction de la séquence d'excitation des bobines de commande, l'un ou l'autre changement discret du champ magnétique se produit dans l'entrefer de fonctionnement du moteur. Avec le déplacement angulaire de l'axe du champ magnétique des bobines de commande du moteur pas à pas, son rotor tourne discrètement en suivant le champ magnétique. La loi de rotation du rotor est déterminée par la séquence, le rapport cyclique et la fréquence des impulsions de commande, ainsi que par le type et les paramètres de conception du moteur pas à pas.

Le principe de fonctionnement d'un moteur pas à pas (obtention d'un mouvement discret du rotor) sera considéré à l'aide de l'exemple du circuit le plus simple d'un moteur pas à pas biphasé (Fig. 1).

Riz. 1. Schéma simplifié d'un moteur pas à pas à rotor actif

Le moteur pas à pas a deux paires de pôles de stator clairement définis sur lesquels se trouvent les enroulements d'excitation (de commande): enroulement 3 avec bornes 1H - 1K et enroulement 2 avec bornes 2H - 2K. Chaque enroulement est constitué de deux parties situées aux pôles opposés du stator 1 SM.

Le rotor dans le schéma considéré est un aimant permanent bipolaire.Les bobines sont alimentées par des impulsions provenant d'un dispositif de commande qui convertit une séquence monocanal d'impulsions de commande d'entrée en une séquence multicanal (selon le nombre de phases du moteur pas à pas).

Considérez le fonctionnement d'un moteur pas à pas, en supposant qu'au moment initial, la tension est appliquée à la bobine 3. Le courant dans cette bobine va magnétiser les pôles situés verticalement N et 8. En raison de l'interaction du champ magnétique avec le permanent aimant du rotor, ce dernier occupera une position d'équilibre dans laquelle les axes des champs magnétiques du stator et du rotor sont confondus.

La position sera stable car il y a un moment de synchronisation agissant sur le rotor qui tend à ramener le rotor en position d'équilibre : M = Mmax x sinα,

où M.max — le moment maximal, α — l'angle entre les axes des champs magnétiques du stator et du rotor.

Lorsque l'unité de commande commute la tension de la bobine 3 à la bobine 2, un champ magnétique à pôles horizontaux est généré, c'est-à-dire le champ magnétique du stator effectue une rotation discrète d'un quart de la circonférence du stator. Dans ce cas, un angle de divergence entre les axes du stator et du rotor α = 90° apparaîtra et le couple maximal Mmax agira sur le rotor. Le rotor va tourner d'un angle α = 90° et prendre une nouvelle position stable. Ainsi, après le mouvement pas à pas du champ statorique, le rotor du moteur se déplace pas à pas.

Le mode de fonctionnement principal du moteur pas à pas est dynamique. Les moteurs pas à pas, contrairement aux moteurs synchrones, sont conçus pour entrer en synchronisme à partir de l'arrêt et du freinage électrique forcé.Grâce à cela, l'entraînement électrique pas à pas permet le démarrage, l'arrêt, l'inversion et la transition d'une fréquence d'impulsions de commande à une autre.

Le moteur pas à pas est démarré par une augmentation soudaine ou progressive de la fréquence du signal d'entrée de zéro à celui de fonctionnement, l'arrêt se fait en diminuant le zéro et l'inverse en modifiant la séquence de commutation des enroulements du moteur pas à pas.

Les moteurs pas à pas sont caractérisés par les paramètres suivants : le nombre de phases (bobines de commande) et leur schéma de connexion, le type de moteur pas à pas (avec rotor actif ou passif), le pas de rotor unique (l'angle de rotation du rotor avec une seule impulsion ), tension nominale d'alimentation, moment statique maximal, couple nominal, moment d'inertie du rotor, fréquence d'accélération.

Les moteurs pas à pas sont monophasés, biphasés et multiphasés avec un rotor actif ou passif. Le moteur pas à pas est contrôlé par une unité de commande électronique. Un exemple de schéma de commande de moteur pas à pas est illustré à la figure 2.

Riz. 2. Schéma fonctionnel d'un moteur électrique pas à pas en boucle ouverte

Un signal de commande sous forme d'impulsions de tension est fourni à l'entrée du bloc 1, qui convertit la séquence d'impulsions, par exemple, en un système quadriphasé d'impulsions unipolaires (en fonction du nombre de phases du moteur pas à pas) .

Le bloc 2 génère ces impulsions par rapport à la durée et à l'amplitude nécessaires au fonctionnement normal de l'interrupteur 3, aux sorties duquel sont connectés les bobinages du moteur pas à pas 4. L'interrupteur et les autres blocs sont alimentés par une source de courant continu 5.

Avec des exigences accrues pour la qualité d'un entraînement discret, un circuit fermé d'entraînement électrique pas à pas (Fig.3) est utilisé, qui, en plus d'un moteur pas à pas, comprend un convertisseur P, un commutateur K et un capteur de pas DSh. Dans un tel entraînement discret, des informations sur la position réelle de l'arbre du mécanisme de travail RM et la vitesse du moteur pas à pas sont transmises à l'entrée du régulateur automatique, qui fournit la nature définie du mouvement de l'entraînement.

Riz. 3. Schéma fonctionnel d'un variateur discret en boucle fermée

Les systèmes d'entraînement discrets modernes utilisent des commandes à microprocesseur. La gamme d'applications pour les moteurs pas à pas est en constante expansion. Leur utilisation est prometteuse dans les machines à souder, les dispositifs de synchronisation, les mécanismes de bande et d'enregistrement, les systèmes de contrôle de l'alimentation en carburant des moteurs à combustion interne.

Les avantages des moteurs pas à pas :

• haute précision, même avec une structure en boucle ouverte, c'est-à-dire sans capteur d'angle de braquage ;

• intégration native avec les applications de gestion numérique ;

• manque d'interrupteurs mécaniques qui causent souvent des problèmes avec d'autres types de moteurs.

Inconvénients des moteurs pas à pas :

• faible couple, mais par rapport aux moteurs à entraînement continu ;

• vitesse limitée;

• niveau élevé de vibrations dû au mouvement saccadé ;

• grandes erreurs et oscillations avec perte d'impulsions dans les systèmes en boucle ouverte.

Les avantages des moteurs pas à pas l'emportent de loin sur leurs inconvénients, ils sont donc souvent utilisés dans les cas où la faible puissance des dispositifs d'entraînement est suffisante.

L'article utilise des matériaux du livre Daineko V.A., Kovalinsky A.I. Equipement électrique des entreprises agricoles.