Chapitre 3 Moteurs électriques
3.5 Moteurs pas à pas
3.5.1 Généralités et utilisations
Le moteur pas à pas est apparu vers les années 1970. Il doit en effet être alimenté par des impulsions élec-triques, ce qui n’était réalisable avec des composants électroniques de puissance qui ne sont devenus dispo-nibles qu’à cette époque.
Figure 4.4.1: Exemples de moteurs pas-à-pas
(Source : fr.nanotec.com)
Cette technologie est intéressante pour les mouvements dont on souhaite contrôler la position à tout instant, mais qui ne doivent pas être trop coûteux. Il n’est pas nécessaire d’ajouter de capteur de position, car le mo-teur lui-même se comporte comme un capmo-teur incrémental. De tels momo-teurs ne sont cependant disponibles que pour des puissances inférieures à ~200 W. On les trouve donc que sur des machines qui requièrent des mouvements point à point de faible puissance et pour lesquels une précision de ~10 degrés angulaires suffit, comme dans certaines machines d’assemblage.
De fabrication relativement simple, ces moteurs peuvent être fabriqués à des prix dérisoires, de l’ordre de quelques francs. C’est pourquoi on les trouve aussi pour tous les petits systèmes automatiques des automo-biles, par exemple pour le réglage des rétroviseurs.
C’est aussi le moteur qui est utilisé dans les montres et pendules à quartz.
3.5.2 Principe de fonctionnement
Le moteur pas à pas peut être considéré comme une variante du moteur synchrone. Au lieu d’être alimenté à tension alternative triphasée de fréquence constante, les enroulements du stator sont connectés à un généra-teur d’impulsions. Chaque impulsion électrique reçue se traduit par la rotation d’un pas du rotor.
Définition 3.16 Le pas p d’un moteur pas-à-pas est la plus petite distance angulaire qu’il est possible de faire parcourir au moteur. Il se mesure en degrés.
De tels moteurs présentent jusqu’à 200 pas par tour. En fonctionnement normal, leur vitesse de rotation ne dépend que de la fréquence des impulsions électriques fpulse, ainsi que du nombre de pas par tour pstep :
Équation 3.35 𝜔𝜔(𝑡𝑡) =𝑓𝑓𝑝𝑝𝑚𝑚𝑙𝑙𝑒𝑒𝑝𝑝(𝑡𝑡)∙ 2∙ 𝜋𝜋
𝑝𝑝𝑒𝑒𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 [rad/s] ou 𝑁𝑁(𝑡𝑡) =𝑓𝑓𝑝𝑝𝑚𝑚𝑙𝑙𝑒𝑒𝑝𝑝(𝑡𝑡)∙ 60
𝑝𝑝𝑒𝑒𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 [tr/min]
où 𝑓𝑓𝑝𝑝𝑚𝑚𝑙𝑙𝑒𝑒𝑝𝑝(𝑡𝑡) et la fréquence des impulsions, en [Hz]
Il existe 3 technologies de moteurs pas-à-pas, se différencient par la présence ou non d’aimants au rotor :
• Le moteur pas-à-pas à réluctance variable comporte deux structures dentées, au stator et au rotor, conçues de manière à ce que l’entrefer varie en fonction de la position angulaire du rotor. Fonctionnant selon le même principe que les électroaimants (chapitre 3.7.1), le rotor se déplace de manière à ce que le champ magnétique créé par les enroulements statoriques circule dans l’air sur une distance totalisée aussi courte que possible.
Lorsque la phase no 1 est alimentée, le rotor se place comme indiqué dans la à gauche dans la Figure 3-35, car c’est ainsi que les lignes de champ magnétique peuvent circuler dans du fer avec un chemin à l’air libre le plus court possible. Lorsque ce courant est interrompu et celui de la phase 2 est activé, le ro-tor pivote de 60º dans le sens horaire 2, car c’est ainsi que le parcours dans l’air des nouvelles lignes de champs est le plus faible. Et ainsi de suite.
Figure 3-35 Principe de fonctionnement d’un moteur pas-à-pas à réluctance variable comportant 2 bobines en série par phase à 12 pas par tours.
Tant que le courant est stable, dans une seule phase, il exerce un couple de rappel sur le rotor. En effet, si celui-ci s’écarte de sa position d’équilibre sous l’action d’un couple extérieur, le chemin à l’air libre par-couru par le champ magnétique augment, et un couple électromagnétique de rappel apparait. Si le couple extérieur est trop important cependant, le moteur décroche, et cherche à se stabiliser sur la position d’équilibre suivante, donc sur le pas suivant.
Pour les moteurs pas-à-pas réluctants, le couple de rappel est indépendant du sens du courant.
Il est possible de diminuer le nombre de pas par tour en modifiant la structure dentée du stator et /ou du rotor, comme le montre la Figure 3-36.
Figure 3-36 Principe de fonctionnement d’un moteur pas-à-pas à réluctance variable comportant 2 bobines en série par phase à 48 pas par tours.
Alimentation
Une autre manière de modifier le nombre de pas par tour consiste à modifier le nombre de phases au sta-tor. Au lieu des 3 phases montrées à la Figure 3-35 et à la Figure 3-36, les moteurs pas-à-pas peuvent comporter 2 ou 4 phases. En fait, ce sont les moteurs à 2 phases qui sont les plus courants, car l’électronique de génération des impulsions s’en trouve simplifiée.
• Le moteur pas à pas à aimants permanents comporte un rotor aimanté. Son principe de fonctionne-ment est très similaire de celui du moteur réluctant. Toutefois, le sens du courant influence le sens du couple produit.
Pour les moteurs pas-à-pas réluctants, le couple de maintien subsiste même si l’alimentation est désacti-vée ou déconnectée (aucune phase alimentée).
Figure 4.83 Exemples constructifs de moteurs pas à pas à aimants permanents
Il existe plusieurs variantes constructives du moteur pas à pas à aimants permanents. Certaines sont par-ticulièrement économiques à produire (moins de 2.00 CHF).
• Le moteur pas à pas hybride combine les deux technologies et en cumule les avantages. C’est actuel-lement le plus utilisé des moteurs pas à pas.
Figure 3-37 Exemple constructif d’un moteur pas à pas hybride Le Tableau 3-2 permet de comparer ces 3 types de moteurs pas à pas.
réluctance variable aimants permanents hybride Résolution
(nb. de pas par tour)
bonne moyenne élevée
Influence du sens des cou-rants sur le sens de rotation
non oui oui
Fréquence des impulsions grande faible grande
Puissance quelques W ~10 à~50 W ~1 kW
Maintien sans courant non oui oui
3.5.3 Alimentation des moteurs pas-à-pas
La performance des moteurs pas à pas dépend en grande partie de leur alimentation. Les modèles les plus simples sont adaptés pour des moteurs à 2 bobines seulement, dits biphasés, et fonctionnent au pas (« full-step » en anglais). Ils permettent d’imposer un courant, généralement continu, sur une phase, puis sur la sui-vante, puis dans la 1ère phase, mais en sens inverse, puis dans la 2ème également en sens inverse.
Figure 4.85 Alimentation par pas « full-step »
Des alimentations à peine plus sophistiquées permettent de commuter le courant de manière à ce qu’il circule dans 1 ou dans 2 phases alternativement. On parle alors d’un système au demi-pas (« half-step » en anglais).
Fonctionnellement, tout se passe comme si le nombre de pas du moteur était multiplié par deux.
u
1, i
1u
2, i
2N
S
N S
N S
N
S
N
S
Rotor Stator
t
t
Figure 4.86 Alimentation par demi pas « half-step »
Des alimentations plus sophistiqués encore permettent de moduler l’amplitude du courant dans chaque phase, dans une relation sinus – cosinus. Par combinaison des champs magnétiques produits par ces courants dans les enroulements", il est ainsi possible d’immobiliser le rotor dans une multitude de pas intermédiaires.
On parle alors d’un système micro pas (« micro-step » en anglais). Tout se passe comme si le moteur avait encore plus de pas.
Figure 4.87 Alimentation par micro pas « micro-step »
u
1, i
1Les moteurs pas à pas sont extrêmement intéressants par leur coût et leur facilité de mise en œuvre. Ils per-mettent de réaliser des systèmes positionnés sans capteur ni régulateur, simplement par comptage des impul-sions générées et fournies au moteur. Ils souffrent cependant de trois inconvénients majeurs :
• La puissance disponible est faible, généralement pas plus de ~200 W.
• Leur couple diminue rapidement avec la vitesse. Il n’est ainsi pas exceptionnel qu’à 125 tours par mi-nute, le moteur ne puisse fournir que la moitié de son couple à l’arrêt.
• La position n’est pas réellement mesurée. Il peut survenir que, suite à une perturbation électrique ou mécanique, le moteur ne parvienne pas à maintenir un pas alors qu’il devrait rester arrêté, ou qu’il ne tourne pas du nombre de pas exact correspondant au nombre d’impulsions fournies. Le problème est qu’il n’existe pas de moyen de détecter une telle « perte de pas » sans ajouter un capteur externe de posi-tion, ce qui annule l’avantage du prix de cette technologie.
Ainsi, le moteur pas à pas peut être utilisé pour positionner différents organes de machines, mais il ne peut pas les déplacer avec la dynamique, c'est-à-dire avec les accélérations et la rapidité d’un servomoteur. Il est assez fréquent que des constructeurs de machines habitués à utiliser des moteurs pas-à-pas pour des mouve-ments simples se voient contraints de les remplacer par des servomoteurs DC ou brushless lorsqu’ils doivent augmenter la cadence de production de leurs machines.