Moteurs 1 JFA05
LES MOTEURS
A). Présentation :
I ). Schéma fonctionnel :
Un moteur est un élément qui permet de transformer une énergie Electrique (Tension, Courant) en énergie Mécanique (Rotation) caractérisée par son couple utile (T) et sa vitesse ().
II ). Principe de fonctionnement :
On place une spire de fil de cuivre dans le champ d’un aimant. Lorsque les conducteurs sont parcourus par un courant, ils sont soumis à des forces F1 et F2 qui tendent à faire tourner la spire. Le collecteur permet d'inverser le sens du courant dans les conducteurs lorsque ceux-ci passent le plan vertical. Ainsi le sens du couple des forces F1 et F2 et donc le sens de rotation du moteur est conservé.
Moteur
(Transformation Electrique -> Mécanique)
Energie Electrique Fournie
Energie Mécanique Utilisable
Moteurs 2 JFA05
III ). Description interne :
Le stator est la partie fixe ("statique") du moteur: il est constitué d'un électro-aimant alimenté en courant continu, dont le rôle est de produire un champ magnétique. Le stator, fixé sur la carcasse cylindrique du moteur, entoure le rotor. Le stator est aussi appelé "inducteur".
Le rotor, placé à l'intérieur du stator, est la partie tournante ("rotative") du moteur. Il est constitué d'un cylindre portant des bobinages (conducteurs), disposés latéralement sur sa surface. Les extrémités des fils de ces bobinages sont reliées au collecteur, qui entoure l'arbre moteur. Le rotor est aussi appelé "induit".
Le collecteur, monté sur l'arbre du moteur, ressemble à une couronne. Il comporte des contacts métalliques isolés les uns des autres, qui assurent la distribution du courant continu aux bobinages du rotor par l'intermédiaire de deux "balais" (contacts glissants). Ces balais, parfois appelés "charbons", sont reliés à la source de tension continue. L'ensemble collecteur-balais, est la partie la plus fragile d'un moteur.
Moteurs 3 JFA05
On alimente à la fois le stator, qui crée un champ magnétique, et les bobinages du rotor, qui sont donc parcourus par un courant électrique. Or, un conducteur placé perpendiculairement à un champ magnétique et parcouru par un courant est soumis à une force électromagnétique : il se déplace en "fauchant" le champ magnétique. Ce conducteur (ou bobinage) étant solidaire du rotor, celui-ci tourne autour de son axe, ou arbre: il peut alors entraîner une roue, une poulie, une hélice, etc...
IV ). Définitions et caractéristiques générales :
1°). Vitesse :
Elle s’exprime soit en tours par minute (notée n en tr/min), soit en radian par seconde (notée en rd/s).
On a donc :
602.n
avec en rd/s ; n en tr/min
Pour un moteur à courant continu, elle est proportionnelle à la tension d’alimentation.
Moteurs 4 JFA05
n.KE
Les vitesses peuvent varier de 0 jusqu’à 10000 tr/min.
2°). Sens de rotation :
Si le moteur le permet, pour un moteur à courant continu, le sens de rotation dépend du sens d’alimentation du moteur.
3°). Couple utile :
C’est la somme du moment des couples de forces électromagnétiques qui agissent sur la partie tournante. Il s’exprime en newton.mètre (N.m).
d.FT
Pour un moteur à courant continu, il est proportionnel au courant consommé.
I.KT
Exemple : vous êtes en vélo sur du terrain plat; pour avancer à 20km/h, vous appuyez sur les 2 pédales. Vous exercez alors un couple noté Tu sur l'axe du pédalier, puis via la chaîne sur l'axe de la roue arrière, le pédalier oppose un couple résistant Tr.
Si vous tirez une remorque, toujours sur la même route et si vous exercez le même couple, vous irez moins vite car du fait de la remorque, le couple résistant est plus important. Pour rouler à cette même vitesse de 20 km/h il vous faudra appuyer plus fort sur les pédales, donc fournir un couple plus important. Il en va de même pour un moteur de train : plus il y a de wagons, plus le couple résistant Tr est important, plus le moteur devra fournir un couple Tu important pour rouler à la même vitesse. Quand Tr augmente, on dit que la charge du moteur augmente.
4°). Puissance utile :
C’est la puissance mécanique fournie par le moteur. Elle s’exprime par :
.TPu
avec Pu en Watt ; T en Newton.mètre ; en radian par seconde.
5°). Puissance absorbée :
C’est la puissance électrique absorbée par le moteur. Elle s’exprime par :
I.UPa (en continu)
avec Pa en Watt ; U en Volt ; I en Ampère.
La puissance absorbée peut aller de quelques mW à quelques centaines de MW (TGV).
6°). Rendement :
C’est le rapport de la puissance utile sur la puissance absorbée.
Moteurs 5 JFA05
I.U.T
PaPu
η est compris entre 0 et 1 ou s'exprime en % (sa valeur est alors comprise entre 0 et 100 %). Il représente la « qualité » de la transmission de l’énergie électrique en énergie mécanique. Plus il se rapproche de 1, plus le moteur est performant. Il représente indirectement les pertes par frottement et par effet Joule.
Le rendement d’un moteur peut aller jusqu ‘à 90 à 95 %.
V ). Modèle électrique :
Pour faire une étude, il est possible de remplacer un moteur électrique par son schéma équivalent :
R
E
L
IU
En régime permanent, le courant est pratiquement constant, on peut donc simplifier le schéma précédent, par le schéma suivant :
IEU
R
On a donc l’équation suivante :
I.REU
oû E représente la force contre électromotrice du moteur en volts.
R : la résistance équivalente du moteur (Quelques ohms).
VI ). Mesure de courant consommé par le moteur :
On met une résistance en série avec le moteur, pour pouvoir mesurer le courant consommé, donc le couple fourni. Cette résistance doit-être de faible valeur pour ne pas perturber le montage, et de forte puissance pour pouvoir supporter le courant qui traverse le moteur.
RVi
M1MOTOR DC
12
Moteurs 6 JFA05
B). Les différents types de moteurs :
I ). Le moteur à courant continu :
1°). Présentation :
C’est un moteur que l’on alimente avec une tension continue. Il peut être de 2 types :
Soit c’est un moteur à aimant permanent,
Le stator est constitué par un aimant.
Soit c’est un moteur universel.
Le stator est constitué par un bobinage, et il est alimenté en série avec l’induit. Ce moteur fonctionne aussi en alternatif.
2°). Montages de base :
a) Le montage simple :
VCC
SW
12
M1MOTOR DC
12
Le fonctionnement est en tout ou rien. On ne peut pas faire varier ni le sens, ni la vitesse.
b) Le montage commandé :
D1
Commande
VCC
M1
MOTOR DC
12
TR1
Le fonctionnement est en tout ou rien, mais avec une commande en signal carré avec un rapport cyclique variable (Modulation P.W.M. (Pulse Width Modulation)), on peut faire varier la tension moyenne aux bornes du moteur donc sa vitesse. Mais on ne peut pas faire varier le sens.
Moteurs 7 JFA05
T3
Tension Moyenne
tT7
Commande
T8
t
T2 T4 T5
Vitesse Moteur
t
T1 T6
La diode D1 est une diode dite « de roue libre », elle court-circuite la tension inverse induite aux bornes du moteur au moment du blocage du transistor T1, et protège donc celui-ci.
c) Le montage dit « Pont en H » :
Symbolisé par le schéma suivant :
SW4
12
SW3
12
VCC
M1
MOTOR DC
1 2
SW2
12
MarcheHoraire
Marche AntiHoraire
SW1
12
Fonctionnement :
Si on appuie sur le bouton marche Horaire, les interrupteurs SW1 et SW4 se ferment (SW2 et SW3 restent ouverts), le moteur est alimenté, et un courant circule de 1 vers 2.
Moteurs 8 JFA05
MarcheHoraire
SW4
12
VCC
M1 MOTOR DC
1 2SR
V MoteurSW1
12
Si on appuie sur le bouton marche Anti Horaire, les interrupteurs SW2 et SW3 se ferment (SW1 et SW4 restent ouverts), le moteur est alimenté, et un courant circule de 2 vers 1.
V Moteur
SR
SW2
12
VCC
SW31
2
Marche AntiHoraire
M1 MOTOR DC
1 2
Si on appuie sur les deux boutons, il y a court-circuit !
Moteurs 9 JFA05
En pratique :
Pour éviter le problème du court-circuit, on utilise le montage suivant :
R21
U1A23
R1
D2
R3
TR4
R4
Commande
D3
TR3
D4
VCC
D1
TR1
TR2
M1
MOTOR DC
1 2
Ou ce montage :
D3
TR4
&U2A
312
&U2D
111213
M1
MOTOR DC
1 2
EN
D21
U1A2 3
TR2
IN2
D41
U1A23
IN1
R4
D1
TR3
VCC
TR1
R3
R2&U2B
456
&U2C
1089R1
Moteurs 10 JFA05
Table de fonctionnement :
EN In2 In1 TR1 TR2 TR3 TR4 Etat du Moteur
0 0 0 B B B B Arrêt
0 0 1 B B B B Arrêt
0 1 0 B B B B Arrêt
0 1 1 B B B B Arrêt
1 0 0 B S B S Frein
1 0 1 S B B S Sens 1
1 1 0 B S S B Sens 2
1 1 1 S B S B Frein
Moteurs 11 JFA05
d) Les circuits intégrés disponibles : Référence L293E L298N L6202 L6203 L6219 PBL3717A UDN2916B Modèle Standard DMOS Avec limiteur de courant intégré. Désignation 2 ponts H 2 ponts H 1 pont H 1 pont H 2 ponts H 1 ponts H 2 ponts H Datasheet 1328.pdf
(194 Ko) 1773.pdf (185 Ko)
1373.pdf (230 Ko)
1377.pdf (107 Ko)
1430.pdf (188 Ko)
2916.pdf (190 Ko)
Prix Approxim. 5 à 6 € 7 à 11 € 10 à 19 € 14 à 20 € 7 à 12 € 4 à 5 € 7 à 12 € Popularité ** *** ** ** ** *** *** Tension Min - - 12V 12V 10V 10V - Tension Max 36V 46V 48V 48V 50V 46V 45V Courant Max 1A ( x 2 )
2A si t<2ms 2A ( x 2 )
2,5A si t<10mS 3A en parallèle
1,5A 5A si t<1mS
4A 5A si t<1ms
0,75A ( x 2 ) Impulsion démarrage
: 1A
1A 0,75A ( x 2 )
Puissance 5W 25W 5W - - - - Type Boîtier DIP20 Multiwatt15 DIP18 Multiwatt11 DIP24 DIP16 DIP24 Perte Tension 1,8V
2,6V à 1A 3,7V à 2A
1,8V 2,6V à 1A 3,7V à 2A 4,9V à 3A
Entre 0,3 * I et 0,55 * I
Entre 0,3 * I et 0,55 * I
1,4V 2V à 0,75A 2,6V à 1A
1,7V 2,1V à 1A 2,8V
1,8V à 0,5A
Utilisation 3 entrées par pont IN1, IN2 et ENABLE si ENABLE=0 le moteur est libre si IN1=1 et IN2=0 il tourne dans un sens si IN1=0 et IN2=1 il tourne dans l'autre sens si IN1=IN2 frein moteur
3 entrées par pont I0, I1 et PH I0, I1 Pour sélectionner le limite en courant. ( 0A,1/3 Imax, 2/3 Imax, Imax) PH sens de rotation.
Autres composants qui vous seront peut-être utiles : L6506 - 1392.pdf (76 Ko) - Protection courant pour 2 ponts H ( sans pont H ) 3 à 12 € - Popularité ** - DIP28 - S'intercale entre les 2 ponts en H et le microP. UC3637N - 18332.pdf (413 Ko) - Contrôleur moteur DC. 9 à 14 € - Popularité ** - DIP18 L297N - 1334.pdf (102 Ko) - Contrôleur pour moteur pas à pas ( sans pont H ) 13 à 15 € - Pop : *** - DIP20 - Contrôle 2 ponts en H pour moteur pas à pas.
MC3479 - mc3479.pdf (160 Ko) - Contrôleur pour moteur pas à pas avec 2 ponts H 7,5 à 12 € - Pop : ** - DIP16 - de 7,2 à 16,5V- 350mA - perte 2 à 2,8V
BYW98-200 - Pop : **** - Diode de redressement rapide - 1 €
Moteurs 12 JFA05
II ). Le moteur pas à pas :
1°). Introduction :
Le moteur pas à pas est un moteur qui tourne en fonction d’impulsions électriques reçues dans ses bobinages. L'angle de rotation minimal entre deux modifications des impulsions électriques s'appelle un pas. On caractérise un moteur par le nombre de pas par tour (c'est à dire pour 360°). Les valeurs courantes sont 48, 100 ou 200 pas par tour.
Analyse d'un moteur théorique composé d'un aimant permanent (boussole) et de 2 bobinages constitués chacun de 2 bobines.
Le passage d'un courant, successivement dans chaque bobinage, fait tourner l'aimant.
Nous avons créé un moteur de 4 pas par tour.
Les impulsions électriques sont du type tout ou rien c'est à dire passage de courant ou pas de passage de courant. Les tensions d'utilisation des moteurs sont de 3,3V à 48V continues. La consommation est de 0,2 A à 1,5 A. Le couple du moteur est de l'ordre de 5 N. Cm à 64 N. Cm.
L'électronique actuelle permet de piloter la chronologie de ces impulsions avec beaucoup de précision et d'en comptabiliser le nombre.
Le moteur pas à pas et son circuit de commande permettent donc la rotation d'un axe avec beaucoup de précision en vitesse et en amplitude.
Moteurs 13 JFA05
2°). Les types de moteurs
On définit 2 types de moteurs pas à pas en fonction de la polarité de l’alimentation des bobinages :
a) Le moteur bipolaire :
Les bobinages d'un moteur bipolaire sont alimentés une fois dans un sens, une fois dans l'autre sens. Ils créent une fois un pôle nord, une fois un pôle sud d'où le nom de bipolaire. Chaque bobine ne possède que deux fils. Cela complique un peu l'électronique de commande mais permet de renforcer le couple du moteur (ou de réduire son encombrement pour un même couple par rapport à un moteur unipolaire).
b) Le moteur unipolaire :
Les bobinages d'un moteur unipolaire sont alimentés toujours dans le même sens par une tension unique d'où le nom d'unipolaire. Il possède un POINT MILIEU qui est une connexion centrale sur chaque enroulement. Généralement, on relie ensemble les points milieu de chaque bobine. Cela permet une simplification de la commande des moteurs.
c) Les phases :
Les phases correspondent aux différentes sources d'énergies alimentant les bobinages. Généralement un moteur bipolaire est un moteur 2 phases, un moteur unipolaire est un moteur 4 phases.
Moteurs 14 JFA05
Nota : on parle de fonctionnement biphasé quand 2 bobinages sont alimentés en même temps.
3°). La technologie des moteurs pas à pas :
Il existe 3 technologies :
a) Moteur à aimant permanent :
Un aimant permanent est solidaire de l'axe du moteur (rotor). Des bobines excitatrices sont placées sur la paroi du moteur (stator) et sont alimentées chronologiquement. Le rotor s'oriente suivant le champ magnétique créé par les bobines.
Caractéristiques :
• Faible résolution : nombre de pas / tour peu important ;
• Couple d’utilisation plus élevé par rapport au moteur à reluctance variable ;
• Présence d’un couple résiduel lorsque le moteur est hors tension.
b) Moteur à réluctance variable :
Il s'agit d'un moteur qui comporte un rotor à encoches se positionnant dans la direction de la plus faible réluctance. Ce rotor, en fer doux, comporte moins de dents qu'il n'y a de pôles au stator.
Le fonctionnement du moteur est assuré par un pilotage du type unipolaire et l'avance du rotor est obtenue en excitant tour à tour une paire de pôles du stator.
Caractéristiques :
• Bonne résolution ;
• Construction simple mais délicate ;
• Couple développé faible ;
• Absence de couple résiduel avec le moteur hors tension.
c) Moteurs hybrides combinant l'aimant et la réluctance variable :
C’est un moteur qui superpose le principe de fonctionnement des moteurs à aimant permanent et à réluctance variable et combine leurs avantages.
• Bonne résolution ;
• Couple d’utilisation élevé ;
• Grande fréquence de commande ;
4°). Le mode de commande :
On a 4 modes de commande possibles :
a) Le mode 1 en pas entiers :
Pour un moteur unipolaire, on alimente successivement chaque demi-enroulement.
Moteurs 15 JFA05
Pour un moteur bipolaire, on alimente un seul enroulement.
On utilise ce mode à faible vitesse, et pour un couple faible.
b) Le mode 2 en pas entiers :
Pour un moteur unipolaire, on alimente successivement deux demi-enroulements.
Pour un moteur bipolaire, on alimente deux enroulements.
On utilise ce mode à forte vitesse, et pour un couple important.
c) Le mode en demi-pas :
En associant le mode 1 et le mode 2, on obtient un mode en demi-pas, cela permet de doubler la résolution du moteur.
Temps 1
Temps 2 Temps 3 Temps 4
Temps 1 Temps 2 Temps 3 Temps 4
Moteurs 16 JFA05
On utilise ce mode à forte précision, et pour un couple faible.
d) Fonctionnement en micro-pas :
Ce mode est surtout utilisé lors de déplacements de haute précision dans les machines à commande numériques pour des déplacements qui ont besoin d'être synchronisés. Il s'agit de commander les bobines en faisant varier les tensions de commande aux bornes de chaque bobine de façon à supprimer les saccades dues aux pas. Néanmoins, il est impossible d'arrêter le moteur entre deux demi-pas.
Pour ce fonctionnement, le circuit de puissance génère des courants variables dans les bobines durant chaque séquence. Le champ résultant est la composition des champs créés par les 2 bobines.
En faisant varier par échelon le courant dans les bobines, on crée un champ résultant qui semble glisser d'un pas à un autre.
La grandeur des pas est réduite. Les circuits pour micro-pas divisent les pas moteur jusqu'à 500 fois. Les courants dans les 2 bobines ressemblent à 2 courants alternatifs décalés de 90°.
5°). Les circuits intégrés disponibles :
Circuits disponibles SAA1027, LM297, PBD3517
Temps 5 Temps 6 Temps 7 Temps 8
Temps 1 Temps 2 Temps 3 Temps 4
Moteurs 17 JFA05
C). Exercices :
I ). Le montage :
Fort de toutes ces notions concernant les moteurs pas-à-pas, nous allons passer à l'étude du montage.
Le système expliqué ici fonctionne en mode pas entier.
Comme montré sur le schéma ci-dessous, le système est constitué de 4 parties :
Un compteur/décompteur
Un multiplexeur
Des portes NAND
Des transistors qui pilotent les bobines du moteur
VCC
D1
DIODE
VCC
R4
4.7k
Q1TIP110
3
2
1
VCC
R3
4.7k
&U3A
7400
12 3
&U3D
7400
1213 11
D3
DIODE
G2C3
CTRDIV10
[1]
CT=02+G11-
1CT=9
2CT=0
3D[2][4][8]
U1
74193
9101
15
7623
13
12
145
4
11
Q2TIP110
32
1
Q4TIP110
3
2
1
VCC
Sens Horaire
R1
4.7k
J2
CON3
123
0a1a2a3a0b1b2b3b
12
ENa
ENb
X/Y
&
&
U2
74155
7654910111215
14
313
12
Q3TIP110
3
2
1
D4
DIODE
VCC
R2
4.7k
VCC
D2
DIODE
VCC
&U3C
7400
910 8
J1
CON3
123&
U3B
7400
45 6
VCC
Sens Anti Horaire
Schéma
Contrôleur de moteur pas-à-pas sans circuit spécialisé
Le compteur/décompteur, selon l'entrée UP ou DOWN, compte ou décompte de 0 à 3 (ou de 3 à 0) en binaire sur 2 bits (les sorties QA et QB sur le chronogramme).
Le multiplexeur se sert des valeurs (états de QA et QB) que donne le compteur pour mettre à 0 l'une de ses 4 sorties. Chaque sortie sera mise à 0 successivement, les autres restant à 1 (sorties Y0, Y1, Y2 et Y3 sur le chronogramme).
Les portes NAND permettent de maintenir 2 sorties sur 4 à 1 tandis que les 2 autres sont à 0 et ceci dans un ordre bien précis (en quadrature sur les sorties Q1, Q2, Q3 et Q4).
Moteurs 18 JFA05
Les transistors sont directement pilotés par les portes NAND (via une résistance de 4k7) pour fournir un courant suffisant aux bobines du moteur pas-à-pas.
Chronogramme du montage
Moteurs 19 JFA05
LES MOTEURS
Principe de fonctionnement :
Stator :
Moteurs 20 JFA05
Rotor :
Balais et Collecteur :
C’est la puissance mécanique fournie par le moteur. Elle s’exprime par :
Moteurs 21 JFA05
Montage Commandé
Montage :
D1
Commande
VCC
M1
MOTOR DC
12
TR1
Chronogrammes :
Vitesse Moteur
T7
t
t
T2 T4
Commande
T1 T6
Tension Moyenne
T3 T8T5 t
Moteurs 22 JFA05
Pont en H
Schéma :
SW4
12
VCC
SW2
12
Marche AntiHoraire
SW1
12
SW3
12
M1
MOTOR DC
1 2
Marche sens Horaire :
SW4
12
VCC
M1 MOTOR DC
1 2SR
V MoteurSW1
12
Marche sens Anti Horaire :
V Moteur
SR
SW2
12
VCC
SW31
2
M1 MOTOR DC
1 2
Moteurs 22 JFA05
Montages Pratiques
Montage de Base :
R21
U1A23
R1
D2
R3
TR4
R4
Commande
D3
TR3
D4
VCC
D1
TR1
TR2
M1
MOTOR DC
1 2
Montage « évolué » :
D3
TR4
&U2A
312
&U2D
111213
M1
MOTOR DC
1 2
EN
D21
U1A2 3
TR2
IN2
D41
U1A23
IN1
R4
D1
TR3
VCC
TR1
R3
R2&U2B
456
&U2C
1089R1
Moteurs 23 JFA05
Table de fonctionnement :
EN In2 In1 TR1 TR2 TR3 TR4 Etat du Moteur
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
Moteurs 24 JFA05
Moteur pas à pas
Présentation d’un moteur de 4 pas par tour :
Types d’un moteur pas à pas :
Moteurs 25 JFA05
Mode de commande des Moteurs pas à pas
Le mode 1 en pas entiers :
Le mode 2 en pas entiers :
Le mode en demi-pas :
Temps 2 Temps 3 Temps 4
Temps 1 Temps 2 Temps 3 Temps 4
Temps 5 Temps 6 Temps 7 Temps 8
Temps 1 Temps 2 Temps 3 Temps 4
Temps 1
Moteurs 26 JFA05
Exercice
VCC
D1
DIODE
VCC
R4
4.7k
Q1TIP110
3
2
1
VCC
R3
4.7k
&U3A
7400
12 3
&U3D
7400
1213 11
D3
DIODE
G2C3
CTRDIV10
[1]
CT=02+G11-
1CT=9
2CT=0
3D[2][4][8]
U1
74193
910
115
7623
13
12
145
4
11
Q2TIP110
3
2
1
Q4TIP110
3
2
1
VCC
Sens Horaire
R1
4.7k
J2
CON3
123
0a1a2a3a0b1b2b3b
12
ENa
ENb
X/Y
&
&
U2
74155
7654910111215
14
313
12
Q3TIP110
3
2
1
D4
DIODE
VCC
R2
4.7k
VCC
D2
DIODE
VCC
&U3C
7400
910 8
J1
CON3
123&
U3B
7400
45 6
VCC
Sens Anti Horaire
Moteurs 27 JFA05
Chronogrammes