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CNC STI2D < Duvignau P/2020

DéfinitionLe moteur pas à pas constitue un convertisseur électromécanique destiné à

transformer le signal électrique (impulsion) en déplacement angulaire (“pas”).

Utilisation• Positionnement de commandes numériques, imprimantes et tables à dessiner.

• Entraînement en rotation de tables circulaires de machines-outils.

Moteur pas à pas(stepping motor en anglais)


ConstitutionLa rotation du moteur se fait via l’excitation des bobines (phases) du stator.

Phase du stator

Pôle du rotor

Le nombre de pas dépend :• Du nombre de phases (groupe de bobine).• Du nombre de pôles du rotor.• De la séquence des commutations des phases du moteur.

W

Contrôleur

Signaux

de commande

Moteur pas à pas

Un contrôleur (controller) gère les différentes séquences d’alimentation des bobines.


Différents types de commandes et de moteurs Pas à Pas

On distingue :

• La commande unipolaire.

• La commande bipolaire.

• La commande en pas entier une phase à fois.

• La commande en pas entier deux phases à fois.

• La commande en demi pas.

• La commande en micro pas.

• Les moteurs pas-à-pas à aimants permanents.

• Les moteurs pas-à-pas à reluctance variable.

• Les Moteur pas-à-pas hybride.


La commande unipolaire

Un moteur unipolaire à deux phases statoriques présente par phase

deux bobines reliées pour créer un point milieu.

L’inversion du flux est crée en alimentant l’un ou l’autre des demi bobines.

L’électronique de commande est plus simple, mais les performances

(couple et puissance ) sont moindres pour un même encombrement.


La commande bipolaire

Un moteur bipolaire à deux phases statoriques présente deux bobines au

stator ( A et B) sans point milieu .

L’inversion du flux est réalisée par une inversion du sens du courant au niveau

du système de commande. Chaque bobine voit une tension positive et négative

(d’où le nom bipolaire).

Bien que la structure de commande soit plus complexe les performances

électromécaniques sont meilleures.


Commande pas entier une phase à fois

Cette commande est connue sous le nom de « one phase on full ». A tout moment il

n’y a qu’une phase alimentée et on obtient un déplacement par « pas » entier


Commande pas entier deux phases à fois

Cette séquence est connue sous le nom de « two phase on full ». A tout moment

deux phases sont alimentées et on obtient un déplacement par « pas » entier.

C’est dans ce mode de fonctionnement que le couple est le plus élevé.


Commande en demi pas

En combinant les deux précédents

mode de commande on obtient une

commande en demi pas.

On obtient plus de « pas » (donc une

précision de positionnement plus grande)

mais un couple plus irrégulier.


Fonctionnement en micro-pas

Le fonctionnement en demi-pas implique que les courants traversant les deux pôles sont de même intensité. Le rotor prend donc une position médiane.

Si les courants ne sont pas de même intensité, l’angle du rotor sera fonction du rapport entre ces deux courants. On parle de alors de commande en micro-pas,

Inconvénient:

• Le couple disponible est diminué, car les courants sont inférieurs aux courants nominaux.

Avantage:

• Gain en résolution.


Moteur pas-à-pas à aimants permanents

Le stator présente un certain nombre de dents ayant un bobinage. Le rotor est un aimant qui s’alignera avec les pôles du stator qui sont alimentés.


Moteur pas-à-pas à réluctance variable

• Le stator présente un certain nombre de dents ayant un bobinage.

• Le rotor (en matériau magnétique) possède un nombre différent de dents, mais sans bobinage.

• Lorsque le stator produit un champ magnétique, le rotor est en fer doux feuilleté se positionne

pour que la réluctance du circuit magnétique soit minimum .

Explication du phénomène :

Lorsqu'on excite une bobine du stator elle attire le pôle de fer doux le plus proche d'elle, ce qui

fait tourner le rotor. Cette attraction est de même nature que celle de l'armature en fer doux d'un

relais dans un électroaimant. Les deux systèmes diminuent l'entrefer afin de faciliter le passage du flux

magnétique produit par la bobine, d'où le nom de réluctance variable.

3 phases 4 pôles 12 pas 360/12=30°4 phases 6pôles 24 pas 360/24=15°


Moteur pas-à-pas hybride.

• En combinant les structures des deux moteurs précédents, c’est à dire en

plaçant les aimants du moteur à aimants permanents dans un circuit

ferromagnétique on crée un nouveau type de moteur appelé moteur réluctant

polarisé ou moteur hybride (Hybrid motor).


Le couple du moteur en fonction de

l’angle du rotor.

Le couple est fonction de l’angle mécanique du rotor (ϴ):

L’approximation par un couple sinusoïdal permet une bonne approximation du couple

moteur réel (à 5%).


Réponse à un pas

Lorsque le moteur avance d’un pas, la réponse du rotor est celle que le système aurait à un

échelon. Il s’agit généralement d’une réponse du deuxième ordre.

En fonction de la vitesse de sollicitation et de la charge et du moteur la réponse peut

devenir oscillatoire. On parle alors de résonnance.

Avance d’un pas de 90°.


La résonance

Pour certaines vitesse la résonance fait que le moteur perd des pas. La vitesse de résonance dépend de la charge et du moteur.

Pour amortir la résonanceL’utilisation d’élément de couplage présentant une certaine élasticité introduit un amortissement

permettant de réduire la résonance.


Caractéristique des moteur pas à pas

Mécaniques:

• Angle (ou « pas »)

• Accouplement

• Fixation

• Encombrement

• Masse

• Inertie du rotor

Electriques:

• Résistance et inductance d'une phase

• Intensité par phase

• Tension d’alimentation

• Tension d'isolement

• Températures stockage/fonctionnement

Caractéristique couple /fréquence • La zone de fonctionnement nominale est la zone B (jaune).

• Une rampe d'accélération est nécessaire pour passer de la

zone D (démarrage) à la zone de fonctionnement.

• En fonctionnement nominale, une rampe de décélération

est nécessaire pour s'arrêter.

Si ces deux conditions sont remplies on ne perd aucun pas.


Comparaison des différents moteur pas à pas


• Des circuits de commande ont été développés pour faciliter la mise en œuvre des

moteurs pas à pas piloté par des unités de traitement numériques. Le ULN2003A est un

circuit qui permet la commande de moteur pas à pas unipolaire. Ce dernier regroupe les

transistors de puissance et les diodes de roue libre.

• Schéma

Circuit de commande


• Des circuits de commande ont été développés pour faciliter la mise en œuvre des

moteurs pas à pas piloté par des unités de traitement numériques. Le L297 est un des plus

courants. Il devra être utilisé avec un étage de puissance, par exemple le L298. Le L298 est

un circuit qui permet la commande de moteur pas à pas bipolaire (double pont en H) .

• Schéma

Circuit de commande

L’étage de puissance (driver L298) regroupe les

transistors de puissance mais pas les diodes de roue

libre. permet piloter des moteurs pas à pas bipolaires

(tension max 46V absorbant absorbé max 2A


• La structure ci-dessous est celle d’un double pont en H parfaitement adaptée à la commande

de moteurs pas à pas bipolaire . Elle est intégrée dans des circuits tels le L298.

• Elle permet d’appliquer aux enroulements du stator des tensions positives ou négatives en

fonction des phases de fonctionnement.

Le double pont en H

+

- +

-


SimulationProtéus est un logiciel adapté pour la simulation électrique des moteurs pas à pas. Sa bibliothèque

possède le circuit de commande L297 et l’étage de puissance L298.


Piloter un moteur pas à pas avec arduino

La génération des signaux doit être réalisée dans la bonne

séquence, pour que le mouvement soit fluide, il faut que les

changements soient régulier. Pour cela il faut une gestion du temps

correcte.

L’objet Stepper est développé pour piloter les moteurs pas à pas

(unipolaires et bipolaires).

La fonction step(x) est bloquante. Cela signifie qu’elle agit

comme un délai. Tant que le moteur n’a pas fait les x pas demandés,

le reste du programme est en attente.

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