Le moteur pas à pas et son circuit de commande

Le moteur pas à pas et son circuit de commande
Le moteur pas à pas et son circuit de commande
Le Club d'Astronomie de la Région Lilloise organise chaque mercredi soir une soirée à thème au profit de ses adhérents. Je me suis
proposé d'animer une de ces soirées afin d'expliquer le fonctionnement du moteur pas à pas et de décortiquer l'électronique qui pilote
un tel moteur. Voici le contenu de mon exposé.
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Introduction
Les types de moteurs
L'alimentation des bobinages
La conception des moteurs
Couple et vitesse
L'électronique
L'électronique de puissance
Le séquenceur
L'horloge
Réalisations de ces fonctions
La démultiplication
Cas de la planche existante
Cas d'un secteur lisse à construire
Introduction
Le moteur pas à pas est un moteur qui tourne en fonction des 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.
La précision en vitesse est utilisée pour suivre la rotation apparente des étoiles (un tour en 23H56mn)
La précision en amplitude est utilisée pour passer d'une étoile à l'autre.
Les types de moteurs
L'alimentation des bobinages
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>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.
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.
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.
Nota : on parle de fonctionnement biphasé quand 2 bobinages sont alimentés en même temps.
La conception des moteurs
Il existe 3 technologies :
● Moteur à aimant permanent
● Moteur à réluctance variable
● Moteur hybrides combinant l'aimant et la réluctance variable
Principe du 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.
Principe du 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.
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Couple et vitesse
Le couple du moteur dépend
● de l'intensité traversant les bobines
● de sa position angulaire à un instant donné quand il
passe d'une bobine à l'autre
● de la vitesse de pilotage
On définit une vitesse limite au démarrage et une vitesse
limite de fonctionnement, vitesses au-delà desquelles le
moteur décroche. Cette limitation de vitesse est surtout due à
l'effet de self des bobines.
La valeur du couple est généralement donnée pour 5 pas à la
seconde
Le couple de maintien est le couple mesuré à l'arrêt, les
bobines étant alimentées.
Le couple de détente est le couple quand les bobines ne sont pas alimentées.
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Le couple dépend aussi du mode fonctionnement. En mode biphasé, le champ
créé dans les bobines est 1,4 fois plus grand quand mode monophasé, le couple
résultant est donc plus grand.
Le positionnement angulaire présente une oscillation à chaque pas. Le rotor
dépasse la position souhaitée puis revient en oscillant de part et d'autre de la
position. Ce défaut est gênant à certaines vitesses.
En astronomie, le moteur doit tourner à 2 vitesses pour permettre le suivi des
étoiles et se positionner rapidement sur un astre. Le fonctionnement rapide doit
se trouver dans la zone de démarrage.
L'électronique
L'électronique pilotant un moteur pas à pas peut se diviser en 3 fonctions :
● l'alimentation du moteur avec ses contraintes de tensions, courants et puissances à dissiper. C'est l'électronique de puissance.
● le séquenceur qui gère la chronologie des impulsions.
● l'oscillateur
L'électronique de puissance
L'électronique de puissance alimente depuis la tension d'utilisation les bobinages. Le courant consommé est souvent de l'ordre de 1 A. La
dissipation de l'énergie nécessite souvent la mise en place d'un radiateur.
Le courant dans les bobines a l'allure suivante :
Schéma de principe :
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Les interrupteurs sont en réalité des transistors.
Ces transistors sont généralement intégrés dans une puce avec une partie de la commande.
Les effets de la self
Les bobinages présentent un effet de self. La self s'oppose à la variation du courant qui la traverse.
A la fermeture des interrupteurs, l'intensité croit exponentiellement : i = U/R(1-e –tR/L)
A l'ouverture des interrupteurs, la self se comporte comme un générateur de tension e =-L di/dt.
Si le composant qui ouvre le circuit (interrupteur, transistor) est de bonne qualité, la tension créée est élevée. Cette surtension est utilisée
pour la création d'étincelles dans les moteurs à explosion ou pour les clôtures électriques, elle est par contre néfaste pour le circuit ouvrant le
circuit.
On protège habituellement les transistors par des diodes branchées convenablement.
On utilise parfois cet effet de self, appelé effet roue libre, pour ré alimenter les autres bobinages.
Le champ magnétique créé est proportionnel au courant qui traverse la bobine
(B=4π x10-7 NI/l). Il croit donc exponentiellement comme le courant.
L'intensité nominale n'est atteinte qu'au bout d'un certain temps.
Au bout du temps θ =L/R, l'intensité est égale au 2/3 de l'intensité nominale.
Pour limiter ce retard il faut augmenter R en rajoutant une résistance en série
avec la bobine tout en maintenant le courant nominal, il faut donc aussi
augmenter la tension d'alimentation. Il y a perte d'énergie dans les résistances
additionnelles.
On améliore parfois la montée en courant en faisant décharger un condensateur
dans la bobine.
Une autre solution consiste à augmenter la tension et à contrôler
électroniquement le courant.
Ce contrôle de I permet d'obtenir le couple nécessaire sans perte d'énergie
inutile.
Indépendamment du circuit de commande, le bobinage est successivement
alimenté puis isolé par un circuit oscillateur interne au circuit intégré. Le
courant traversant la bobine est mesuré et réagit sur le circuit oscillateur.
L'allure du courant est représentée sur le graphe
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