MOTEUR PAS A PAS SIMPLE CAPABLE D’EXCELLENTES PERFORMANCES

Solution polyvalente mais economique

230px Le moteur pas à pas est en plein essor. La raison est simple: l’automatisation de plus en plus poussée fait du moteur pas à pas un hôte bienvenu dans les applications de robotique et de pick & place. En combinaison avec sa commande relativement simple, ce composant est ainsi l’un des chevaux de labour de l’industrie.

ROTATION ANGULAIRE

Un moteur pas à pas est en fait un moteur électrique synchrone sans balais. Ce moteur est unique du fait de sa rotation divisée en un certain nombre de pas avec un angle de dérive identique. A chaque impulsion, on observe donc un mouvement de cet angle. Le rotor est un aimant permanent, tandis que le stator consiste en électro-aimants. Lors de l’excitation du stator, le champ magnétique généré tournera un pôle du rotor juste en face d’un pôle du stator. A chaque impulsion d’entraînement, le même mouvement sera répété et le moteur se déplacera à chaque fois d’un angle, comme couramment 1,8 ou 0,9°. Dans le cas de 1,8°, il faut donc 200 impulsions pour un tour complet et 400 dans le cas de 0,9°. Pour les applications exigeant une rotation angulaire plus fine, on utilise le micro-stepping. L’explication suivra plus loin.

COUPLE ELEVE A BAS REGIME

Notons également qu’un moteur pas à pas peut fournir un couple élevé à des régimes très bas. Ce couple (holding torque) peut même être utilisé comme frein. Grâce à la combinaison de bas régime et de couple élevé, le moteur pas à pas est idéal pour les applications de positionnement.

AVANTAGES & INCONVENIENTS

Avantages

Outre le couple élevé à bas régime, un moteur pas à pas comporte plusieurs autres avantages. Grâce à sa construction simple, il est non seulement facile à commander, mais est également très intéressant d’un point de vue économique. La simplicité a, par ailleurs, peu d’influence sur la fiabilité, car il n’y a pas grand-chose à redire sur la robustesse de ce type de moteur.

Inconvénients

Le mouvement subdivisé en pas a beau être idéal pour certaines applications, l’absence de mouvement fluide génère à chaque fois une pointe de charge, ce qui peut donner lieu à des vibrations et des nuisances sonores.

RÉSOLUTION, PRÉCISION ET RÉPÉTABILITÉ

Celui se plongeant dans les transmissions linéaires n’échappe pas à la Sainte Trinité résolution, précision et répétabilité. Et bien que ces notions soient extrêmement importantes dans ce contexte, elles sont tout de même souvent mal utilisées ou mélangées. D’où cette brève explication.

Résolution
La résolution d’un système linéaire est définie comme la plus petite distance de déplacement de l’actionneur par impulsion. Elle est exprimée – selon l’endroit – en pouces ou millimètres par pas.
Précision
La précision du système est la différence entre la distance parcourue théoriquement et la distance parcourue réellement. En raison des tolérances appliquées des composants internes, cette dernière sera légèrement différente de la première.
Répétabilité
On confond surtout souvent précision et répétabilité. La répétabilité est la mesure dans laquelle plusieurs tâches de déplacement identiques à chaque fois dans les mêmes conditions donnent le même résultat.

TYPES

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Il y a sur le marché trois types de moteurs pas à pas: le moteur à aimant permanent, le moteur à réluctance et la forme hybride, qui est le type le plus courant. La principale différence réside dans le principe de fonctionnement.

Moteur pas à pas à aimant permanent
Dans le cas du type à aimant permanent, le mouvement est obtenu grâce à un aimant excité. Le rotor du moteur a un côté sud et un côté nord. Sous l’effet de l’impulsion, le rotor voudra se déplacer vers la phase excitée à ce moment. Plus le nombre de pôles dans le stator est élevé, plus la résolution de pas sera élevée. Comme le périmètre du rotor est limité, seul un nombre limité de pôles peut aussi être créé. De ce fait, le nombre de subdivisions par tour est limité. Une valeur typique est ici 48.
Moteur pas à pas à réluctance
Un moteur pas à pas reposant sur la réluctance utilise en fait aussi le magnétisme, mais d’une manière légèrement différente. Le mouvement est exécuté, parce que le rotor veut se déplacer vers l’endroit avec le moins de réluctance (résistance magnétique). Il y a donc du magnétisme, mais sous l’effet d’une impulsion, la résistance magnétique d’une phase sera réduite et le pas sera donc réalisé pour réaligner à nouveau parfaitement le rotor avec les dents du stator. Les moteurs à réluctance sont caractérisés par un rotor comme un stator dentés, ce qui n’est généralement pas le cas des moteurs à aimant permanent.

Contrairement à ces derniers, un moteur à réluctance n’a pas de couple d’arrêt lors de la désactivation et le couple de rotation est aussi relativement peu élevé. Les moteurs à aimant permanent sont également plus sensibles aux vibrations que ceux à réluctance. Parmi les types à réluctance, on distingue les types single stack et multi stack. Mais nous attarder sur ces types nous mènerait trop loin dans le cadre de cet article.
Forme hybride
Ces moteurs pas à pas combinent les propriétés des deux types. Dans le cas des moteurs hybrides, le rotor est magnétique et denté, tandis que les pôles sont dentés aussi. Un aimant permanent a ici été placé dans le sens longitudinal. Il y a donc aussi un côté nord et un côté sud comme dans le cas des moteurs à aimant permanent, mais ici, ils sont décalés d’un demi-pas de dent. La rotation est à nouveau obtenue via le principe de réluctance: le rotor tend toujours vers la situation la plus favorable. L’aimant dans le sens longitudinal sert uniquement à la polarisation. Les moteurs pas à pas hybrides ont bien un couple d’arrêt, ont généralement un rendement un peu meilleur et sont moins sensibles aux problèmes de résonance. Ils conviennent également mieux pour les applications de positionnement. A l’heure actuelle, le moteur pas à pas hybride est le plus utilisé dans l’industrie.

DIVERS SYSTEMES DE COMMANDE

Plusieurs principes de fonctionnement peuvent être utilisés avec les moteurs pas à pas, parmi lesquels le micro-stepping déjà évoqué. D’autres principes courants sont le full step et le half step. 230px

Full step
Dans le cas du full step, le rotor fera des pas complets, car les phases sont commandées l’une après l’autre.
Half step
Le mode half step est comparable. Vu qu’ici, une et deux phases sont commandées constamment, le pas est réduit de moitié. L’atout majeur par rapport au full step, c’est qu’il y a moins de bruit et de vibrations grâce aux pas plus petits.
Micro-stepping
Dans certaines applications, on veut utiliser les avantages d’un moteur pas à pas, mais la subdivision en pas ou en demi-pas est trop brutale et il faut donc une division plus fine. La technique du micro-stepping offre la solution. Ici, chaque pas est subdivisé en pas plus petits. Le principe: pour créer un pas dans la configuration initiale, il faut une impulsion d’une certaine ampleur. Une impulsion d’une plus petite ampleur ne peut en principe pas générer la formation d’un pas. Un micro-stepper fournira cette impulsion via des ondes sinusoïdales PWM à étages. Les pas dans cette forme sinusoïdale sont les micro-steps et indiquent qu’une plus petite impulsion doit bien se solder par un mouvement, dans une mesure certes plus petite que le pas initial. Une valeur courante est ici 64. Le pas initial d’une exécution d’un moteur pas à pas de 1,8° résulte donc en un pas de 0,028°. Outre la possibilité de réaliser ainsi des pas plus petits, un micro-stepper causera nettement moins de vibrations et de bruit. Notons ici que les types reposant sur la réluctance variable ne peuvent, en raison de leur construction interne, pas être utilisés pour le micro-stepping.

TYPES D’ENROULEMENTS

La construction des enroulements peut aussi être exécutée de plusieurs manières.

Dans le cas d’une commande unipolaire, le courant circule toujours dans le même sens par l’enroulement du stator. Il y a une prise médiane (common) toujours reliée à l’alimentation. Il y a, de ce fait, six raccordements. Ce sont des commandes relativement simples en fait encore peu utilisées. Une variante consiste à relier les deux commons ensemble. Il n’y a alors que cinq raccordements.
Les commandes bipolaires ont peu à peu évincé les variantes unipolaires. Ici, le courant circule dans deux sens dans le stator. Il n’y a pas de prise médiane, ce qui donne quatre raccordements.

APPLICATION COMME ACTIONNEUR LINEAIRE

230px Als lineaire actuator wordt er vaak een spindel, tandlat of tandriem gebruikt. Maar ook een stappenmotor kan hier een kostenefficiënte oplossing bieden. Het opzet is eenvoudig: door de rotor van de motor loopt geen as, maar een spindel met schroef. Telkens als de stappenmotor zich verplaatst, wordt de roterende beweging overgeplaatst op de moer die zich op haar beurt lineair zal verplaatsen op de spindel.

Merk op dat de overbrenging hier rechtstreeks gebeurt, dus zonder reductie. Het voordeel is dat er minder kans is op falen, er is ook minder onderhoudsnood en vooral de kostenefficiëntie is meer dan aanvaardbaar. Er is ook het voordeel van het hoge startkoppel, waardoor de positie ook behouden kan blijven als de motorvoeding wegvalt. Het nadeel is dan weer dat de stappenmotor heel accuraat gedimensioneerd moet worden, want er is geen regeling via de reductorkast mogelijk.

RESONANCE
En guise d’actionneur linéaire, on utilise souvent une broche, une crémaillère ou une courroie crantée. Mais un moteur pas à pas peut aussi offrir une solution économique. Le principe est simple: il n’y a pas d’arbre, mais une broche avec vis qui passe par le rotor du moteur. A chaque fois que le moteur pas à pas se déplace, le mouvement rotatif est transposé sur l’écrou, qui se déplacera à son tour de manière linéaire sur la broche. Notez qu’ici, la transmission se fait directement, donc sans réduction. L’avantage, c’est qu’il y a moins de risques de défaillance. Il faut également moins d’entretien et le rendement économique est surtout plus qu’acceptable. Sans oublier l’avantage du couple de démarrage élevé. La position peut ainsi être maintenue, même lorsque l’alimentation du moteur s’arrête. L’inconvénient, c’est que le dimensionnement du moteur pas à pas doit être très précis, car il n’y a pas de réglage possible via le réducteur.

Moteurs pas à pas: solution polyvante et economique