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 :
2.1.Composition
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.
2.2.Formules
+
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".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).
3.1.Exercices
4.1.Programmes
5.1.Liens
http://www.isib.be/etudiant/eln4/menu.html
http://col2000.free.fr//pasapas/pap_indx.htm
http://www-ic2.univ-lemans.fr/robot2/moteurs.html
http://serge.bertorello.free.fr/pasapas/pasapas.html
http://perso.libertysurf.fr/spt06/pas.htm
http://www.rotero.com/belgie/francais/servo-enstappenmotoren.asp
http://ftissera.free.fr/Webmel/circuit.html
http://perso.wanadoo.fr/college.claudel.chevigny/techno/pasapas/pasapas.htm
http://www.multimania.com/bnathalieb/seconde-iesp/effecteurs--lectromagn-tiques/odyframe.htm
http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/.
http://www.eio.com/stepindx.htm
http://www.bbastrodesigns.com/cot/cot.html
liens contrôlés le 06/03/04
Dernière mise à jour le 06/03/2004 .
Suite vers I2C
