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Moteur Industrie

Moteur Industrie produit des moteurs standards et spécialisés : brushless, moteur pas à pas, moteur continu, moteur asynchrone...

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Moteur pas à pas : La technique

I - Le moteur pas à pas

Les moteurs pas à pas sont très utilisés dans toutes les applications mécaniques ou l’on doit contrôler simplement la position ou la vitesse d’un système en boucle ouverte. Ces moteurs sont par exemple utilisés dans les imprimantes jet d’encre ou laser, pour positionner les têtes d’impression ou pour l’avancée du papier.

La commande des moteurs pas à pas est relativement simple car on n’a pas besoin d’accessoires tels que des codeurs pour connaître la position, chaque impulsion du système de commande les fait avancer d’un pas. Il existe 3 types de moteurs pas à pas, à aimants permanents, à réluctance variable ou hybrides.

   

II - Le moteur pas à pas à aimant permanent

C'est le modèle le plus simple dans son fonctionnement. Sa constitution est très simple, et la rotation est obtenue en contrôlant l'alimentation des bobines ainsi que le sens du courant dans celles ci.

Composition d’un moteur pas à pas à aimant permanent :

Composition d’un moteur pas à pas à aimant permanent

Composition d’un moteur pas à pas à aimant permanent

C’est le modèle le plus simple dans son fonctionnement. Le rotor est constitué d’un aimant permanent, et le stator comporte 2 bobinages (ou 2 groupes de bobinages). En contrôlant l’alimentation des bobines, et le sens du courant dans celles-ci, on peut faire varier le champ dans le moteur.

Les modes de commande d’un moteur pas à pas à aimant permanent

Fonctionnement en pas entier

Fonctionnement en pas entier

Fonctionnement en pas entier :

Dans ce mode de fonctionnement, les bobines sont alimentées l’une après l’autre dans un sens puis dans l’autre. L’aimant permanent suit le déplacement du champ magnétique créé par ces bobines et s’oriente selon une de ses 4 positions stables. Comme le rotor est aimanté, lorsque le moteur n’est pas alimenté le flux magnétique du à l’aimant permanent va à lui seul créer un couple résiduel ou couple de détente, en se mettant dans l’axe de l’une des bobines.

Fonctionnement en mode « High Torque »

Fonctionnement en mode « High Torque »

Fonctionnement en mode « High Torque » (fort couple) :

Pour augmenter l’intensité du flux magnétique créé par le stator, et donc le couple moteur, on peut alimenter les deux bobines en même temps, en faisant varier uniquement le sens du courant dans chacune d’entre elles. Le rotor prendra donc également l’une des 4 positions de la vidéo suivante, suivant le sens d’alimentation de chacune des bobines.

Fonctionnement en mode demi-pas

Fonctionnement en mode demi-pas

Fonctionnement en mode demi-pas :

Pour augmenter le nombre de positions stables et donc de pas du moteur à aimant permanent, on peut combiner les 2 modes précédents dans un mode de commande appelé « demi-pas ». L’animation suivante montre le fonctionnement de ce mode.

Les moteurs pas à pas à aimant permanent ont un couple moteur important, mais une résolution (nombre de pas par tour) faible, et une fréquence de rotation faible. La commande de ces moteurs pas à pas nécessite de contrôler le sens du courant dans chaque bobine.

   

III - Le moteur pas à pas à réluctance variable

Un moteur pas à pas a réluctance variable comporte un rotor à encoches non aimanté se positionnant dans la direction de la plus faible réluctance.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.

Composition dun moteur pas à pas à réluctance variable

Composition d'un moteur pas à pas à réluctance variable

Composition d’un moteur pas à pas à réluctance variable :

Un moteur pas à pas à réluctance variable est composé d’un rotor feuilleté en fer doux comportant un certain nombre de dents, et d’un stator également en fer doux feuilleté comportant un certain nombre de bobines. Le nombre de bobines doit être différent du nombre de paires de dents du rotor. L’alimentation de chacune des bobines va permettre la création d’un champ magnétique dans le stator, et le rotor s’oriente suivant les lignes de champ. On peut noter que lorsque le moteur n’est pas alimenté, comme il n’y a pas d’aimant permanent, le rotor peut prendre n’importe quelle position : un moteur pas à pas à réluctance variable n’a pas de couple résiduel ou couple de détente.

Les modes de commande d’un moteur pas à pas à réluctance variable :

Fonctionnement en pas entier

Fonctionnement en pas entier

Fonctionnement en pas entier :

Comme pour le moteur pas à pas à aimant permanent, on alimente successivement les différentes bobines. Par contre, ici le sens d’alimentation n’a pas d’importance car le rotor n’est pas polarisé. Le rotor va prendre une position telle qu’une des paires de dents soit alignée avec la bobine alimentée.

Fonctionnement en mode « High Torque »

Fonctionnement en mode « High Torque »

Fonctionnement en mode « High Torque » (fort couple) :

De même, on peut utiliser un moteur pas à pas à réluctance variable en mode « High torque » en alimentant 2 bobines. Le rotor prendra donc les positions intermédiaires, et comme pour le moteur à aimant permanent, le couple sera plus élevé dans ce mode que dans le mode précédent.

Fonctionnement en mode demi-pas

Fonctionnement en mode demi-pas

Fonctionnement en mode demi-pas :

En combinant les deux modes précédents, on obtient un fonctionnement en 24 pas, et donc une résolution de 15°. Le fonctionnement est illustré par l’animation ci-contre. Globalement le nombre de pas (en fonctionnement pas entier) d’un moteur pas à pas à réluctance variable est donné par la formule suivante :



avec

Np nombre de pas

Ns nombre de dents du stator

Nr nombre de dents du rotor

   

IV - Le moteur pas à pas à hybride

Pour tirer profit des avantages des moteurs pas à pas à aimants permanents et à réluctance variable, on utilise des moteurs hybrides. La commande est similaire à un moteur pas à pas à aimant permanent mais la constitution du rotor permet d'obtenir beaucoup plus de pas.

Rotor de moteur pas à pas hybride

Rotor de moteur pas à pas hybride

Composition d’un moteur pas à pas hybride :

Le rotor présente plusieurs dents comme pour un moteur pas à pas à réluctance variable, mais chaque dent est polarisée comme pour un moteur pas à pas à aimants permanents. Physiquement le rotor est composé de deux éléments identiques à un rotor de moteur à réluctance variable (rouge et bleu ici), reliés ensemble par un aimant permanent (noir), avec un déphasage d’une 1/2 dent. De ce fait ces deux éléments ont une polarisation différente (nord et sud) et vont réagir à la polarisation de chacune des dents du stator. C’est cette polarisation qui permet de n’utiliser que 2 bobines, qui forment en réalité 4 états différents puisque le sens du courant entre ici en jeu.

Position 1 Position 2

Fonctionnement d’un moteur pas à pas hybride :

En mode pas entier, les bobines sont alimentées une par une alternativement, dans un sens puis dans l’autre. On voit bien ici l’intérêt d’avoir un rotor polarisé : quand on coupe l’alimentation de la bobine verte et qu’on alimente la bobine rose, en l’absence de polarisation du rotor on n’aurait aucun contrôle sur le sens de rotation, les deux dents bleues et rouges étant attirés de la même façon par la bobine. Avec un rotor polarisé, on peut choisir une de ces deux dents en agissant sur le sens du courant dans la bobine. Il en résulte le mouvement décrit sur l’animation suivante :

Moteur pas à pas hybride en fonctionnement

Moteur pas à pas hybride en fonctionnement

Commande d’un moteur pas à pas hybride :

Nous venons de voir que pour commander un moteur pas à pas hybride, comme pour un moteur à aimant permanent, on doit contrôler le sens courant dans chacune des bobines. En pratique, le bobinage est généralement réalisé sur une pièce en fer doux dentée, et polarise cette pièce suivant le sens du courrant. Pour cela, il existe 3 types de câblages pour les moteurs pas à pas :

Moteur pas à pas hybride 4 fils

Moteur pas à pas hybride 4 fils

Câblage 4 fils :

Il n’y a qu’une seule bobine pour chaque pôle. Ce type de configuration impose de pouvoir changer le sens du courant au niveau du système d’alimentation. Ces moteurs sont appelés moteurs pas à pas bipolaires, car lors de leur rotation chacune des bobines va être polarisée de deux façons différentes.

Moteur pas à pas hybride 6 fils

Moteur pas à pas hybride 6 fils

Câblage 6 fils :

Un point milieu est créé sur chacun des bobinages. Généralement ces deux points milieux (2 et 5) sont reliés à une borne du dispositif d’alimentation. En alimentant un des 4 autres points on peut choisir le sens du courant sans avoir d’inversion de polarité. L’inconvénient est qu’on n’utilise que la moitié du cuivre, ces moteurs pas à pas unipolaires ont donc un rendement massique plus faible.

Moteur pas à pas hybride 8 fils

Moteur pas à pas hybride 8 fils

Câblage 8 fils :

Cette configuration de moteur pas à pas permet de choisir entre les deux configurations précédentes au moment du câblage. On peut relier les bobines de chaque groupe en série ou en parallèle pour utiliser le moteur en bipolaire, ou les relier en série en gardant le point milieu pour l’utiliser en unipolaire.

   

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