Moteur pas à pas

Apport de connaissances
ELECTRONIQUE
E. Corre
Page - 1 / 3 Présentation
Un moteur pas à pas permet la conversion d’un train d’impulsions électriques en un nombre égal
de déplacement angulaire unitaire (« le pas »). Cette caractéristique fait du moteur pas à pas un transducteur
très utilisé dans les systèmes nécessitant un asservissement de position (imprimantes, lecteurs de disquettes,
télécopieur, bras de robot…). En comptabilisant le nombre d’impulsions envoyées au moteur, on connaît à
chaque instant sa position : il n’est donc pas nécessaire de prévoir une boucle de retour.
C’est l’interface idéale entre l’électronique numérique et la mécanique. Avec l’avènement des
microprocesseurs, son rôle devient prépondérant.
Fonction d’usage : convertir une énergie électrique en une force mécanique.
1 – Modes de fonctionnement
Fonctionnement en pas entiers
Cas du moteur bipolaire :
•
Les figures en bas de page représentent un moteur pas à pas à aimant permanent. Il comprend :
•
•
Mode 1 : excitation pleine onde
Etape 1
un rotor bipolaire constitué d’un aimant permanent (partie mobile)
un stator à 2 paires de pôles (partie fixe)
Etape 2
Ia
N
Ib
Ib
Le moteur bipolaire
Etape 1
N
Etape 2
N
-
+
S
N
N
Les enroulements sont à point milieu. Les bornes sont toujours
alimentées par une polarité de même signe (d’où le terme
unipolaire).
Etape 3
Ia
N
S
S
Ib
Ia < 0 et Ib < 0
Etape 4
S
N
N
Ia
+
Ia = 0 et Ib > 0
•
Mode 2 : excitation demi-onde
On alimente simultanément deux phases. Le cycle comporte 4 étapes :
S
S
S
Ib
Ia < 0 et Ib = 0
Ia = 0 et Ib < 0
Ia > 0 et Ib = 0
On alimente à tour de rôle une seule bobine. Le cycle comporte 4 étapes :
Selon la conception des enroulements, on distingue deux grands types de moteurs pas à pas :
-
Ia
N
S
S
Ib
Le moteur unipolaire
Ia
S
N
Alimentation des moteurs pas à pas
Etape 4
N
Ia
Les bobines diamétralement opposées constituent les phases. Elles sont connectées de façon à créer un pôle
Sud et un pôle Nord ( confère le cours de physique appliquée sur le magnétisme).
En inversant les sens des courants dans une phase, on permute les pôles engendrés par une bobine. Le rotor se
déplace alors et prend une nouvelle position d’équilibre stable.
Les enroulements du stator n’ont pas de point milieu. Chaque borne
de chaque enroulement est alimentée par une polarité positive puis négative
(d’où le terme bipolaire).
Etape 3
S
Ia
N
S
N
S
Ib
Ia > 0 et Ib < 0
Ia
N
S
Ib
Ia > 0 et Ib > 0
Ib
Ia < 0 et Ib > 0
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Cas du moteur unipolaire :
2 – Etude des courants dans les enroulements
Fonctionnement en mode 1
•
Mode 1 : excitation pleine onde
On alimente successivement chaque demi-enroulement. On retrouve ainsi les 4 étapes du moteur bipolaire en
mode 1.
•
Mode 2 : excitation demi-onde
On alimente successivement les demi-enroulements 2 par 2. On retrouve ainsi les 4 étapes du moteur bipolaire
en mode 2.
Alimentation unipolaire
Alimentation bipolaire
horloge
horloge
Ia1
Ia
Ib1
Fonctionnement en demi-pas
Ia2
Cas du moteur bipolaire :
Ib
Ib2
•
Mode 3
C’est une combinaison des modes 1 et 2 : deux phases sont alimentées simultanément, puis une seule, puis
deux et ainsi de suite. Le cycle comporte donc 8 étapes.
Fonctionnement en mode 2
Alimentation unipolaire
Etape 1
Etape 2
S
Etape 3
S
N
Ia
Ia
S
N
N
S
horloge
Ia1
Ia
N
Alimentation bipolaire
horloge
Etape 4
Ia
Ia
N
N
S
Ib1
Ib
S
Ia2
Ib2
Ib
Ib
Ia < 0 et Ib = 0
Ib
Ia < 0 et Ib < 0
Ib
Ia = 0 et Ib < 0
Fonctionnement en mode 3 (demi-pas)
Ia > 0 et Ib < 0
Alimentation unipolaire
Etape 5
Etape 6
N
Etape 7
Etape 8
N
S
Ia
Ia
N
S
S
Ia
N
S
Ia > 0 et Ib = 0
N
S
horloge
horloge
Ia1
Ia
Ib1
Ib
S
Ib
Ia
Alimentation bipolaire
Ia2
N
Ib
Ia > 0 et Ib > 0
Ib
Ia = 0 et Ib > 0
Ib
Ia < 0 et Ib > 0
Ib2
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Amélioration de l’alimentation
On peut résumer les impératifs de l’alimentation d’un moteur pas à pas ainsi :
•
Etablir rapidement un courant donné (valeur nominale) dans un circuit inductif
•
Maintenir ce courant malgré les variations des paramètres du circuit
•
Interrompre rapidement ce courant lorsqu’une nouvelle position est demandée.
Alimentation unipolaire
Montage de base :
Le montage ci-contre constitué de 4 commutateurs à
transistors est utilisé pour les moteurs de faible puissance
et pour les vitesses de travail assez réduites. La tension
d’alimentation V utilisée doit être de l’ordre de :
V = Rm.In
Rm étant la résistance série d’un bobinage, Lm son
inductance série et In la valeur nominale du courant
(donnée constructeur).
Dans ces conditions, à la fermeture d’un transistor, le
courant croît exponentiellement avec une constante de
Phase 1
Phase 2
Lm
temps τ m =
, constante de temps relativement élevée qui limite les performances.
Rm
Le constructeur spécifie en général les valeurs des condensateurs pour optimiser la réponse du moteur pour
une vitesse de rotation donnée. Ce type de commande (In fixé) est déconseillé pour une utilisation en demipas. Les diodes de roue libre permettent de protéger les transistors contre les surtensions à l’ouverture.
Montage amélioré :
Lm
≈ 400µs (à comparer à τm = 3,2ms).
Rm + R + R / 2
On améliore ainsi la vitesse, au prix d’un rendement médiocre.
Si l’on isole une branche, la constante de temps est : τ =
On améliore les performances en travaillant à partir d’une
tension d’alimentation plus élevée et en limitant le courant au
R/2
moyen de résistances R en série avec chaque phase. Le schéma
fait également apparaître une résistance commune R/2. Elle
permet un fonctionnement plus régulier lors de l’avance en
R
R
mode demi-pas (mode 4). En effet, la valeur du courant par
phase est différente suivant le nombre de phases excitées.
Ex : Lm = 14 mH, In = 1A (par bobine et sous Vn = 5V),
Rm = 4,3 Ω et Vmax = 40V (tension maximale admissible).
Prenons V = 35V (<Vmax). On doit avoir :
2(V − Vn)
= 20Ω
R=
3In
Le courant IR est maximum lorsqu’une seule phase est
alimentée, et sa valeur est In. La puissance dissipée est alors PR = R.I2, soit 20W. Pour la résistance R/2 la
valeur maximale du courant est obtenue lorsque 2 phases sont excitées; on a alors 1,5.In, d’où une puissance
de 22,5W.
Montage à source de courant commutée :
La solution la plus élégante
V
consiste à utiliser un hacheur.
Ibob
Le transistor est commandé à
la fermeture : le courant croît
rapidement du fait de la
tension
d’alimentation
relativement élevée. Lorsqu’il
&
atteint la valeur nominale In,
le circuit commande le
Comparateur
blocage du transistor. Le
à seuils
courant
décroît
alors
lentement pour atteindre une
valeur de seuil bas. Le transistor est alors commandé à la fermeture…
t
Alimentation bipolaire
Montage de base :
On utilise une structure en « push-pull » pour commander une phase (avec 2 D.R.L.). La tension
d’alimentation étant voisine de la tension nominale du moteur, ce montage n’offre pas d’excellentes
performances. De plus, la nécessité d’une double alimentation de
V
puissance rend ce montage coûteux.
Montage « pont en H » :
Avec une seule alimentation, pour faire circuler le courant dans les 2 sens,
on utilise un montage en pont pour chaque phase. L’inversion du sens du
courant est obtenu en commutant 2 transistors diamétralement opposés.
La constante de temps du circuit de charge reste élevée (τm).
On peut améliorer ce montage en utilisant une source de courant à la place
de V, à condition que la tension d’alimentation soit élevée (le transistor de
la source de courant devra obligatoirement être monté avec un
dissipateur!).
L’étape suivante pourrait être l’utilisation d’un montage à source de courant commutée : un des transistors
composant la diagonale est utilisé en hacheur, une résistance d’émetteur permettant d’obtenir une image du
courant.
Conclusion
Selon l’utilisation désirée, on peut utiliser différents types de commandes, plus ou moins complexes à mettre
en œuvre, mais qui permettent d’exploiter ce qui fait la force du moteur pas à pas, c’est à dire l’adéquation
avec les techniques numériques, une très bonne résolution, l’existence d’un couple de maintien (et dans le cas
du moteur à aimant permanent un couple de détente) le tout allié à une fiabilité à toute épreuve.