Moteurs pas à pas expliqués : types, construction, fonctionnement et applications

Types de moteurs pas à pas – Construction, fonctionnement et applications

L'invention de cartes de commande dédiées pour moteurs pas à pas et d'autres technologies de contrôle numérique pour interfacer un moteur pas à pas à des systèmes basés sur PC est la raison de l'acceptation généralisée des moteurs pas à pas ces dernières années. Les moteurs pas à pas deviennent le choix idéal pour les systèmes d'automatisation nécessitant un contrôle précis de la vitesse ou un positionnement précis, ou les deux.

Comme nous le savons, de nombreux moteurs électriques industriels sont utilisés avec un contrôle en boucle fermée pour atteindre un positionnement précis ou un contrôle précis de la vitesse. En revanche, un moteur pas à pas peut fonctionner sur un contrôleur en boucle ouverte. Cela réduit le coût total du système et simplifie la conception de la machine par rapport au contrôle par servomoteur. Discutons brièvement du moteur pas à pas et de ses types.

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Qu'est-ce qu'un moteur pas à pas ?

Un moteur pas à pas est un dispositif électromécanique sans balais qui convertit une série d'impulsions électriques appliquées à ses enroulements d'excitation en une rotation mécanique précise de l'arbre, pas à pas. L'arbre du moteur tourne d'un angle fixe pour chaque impulsion discrète. Cette rotation peut être linéaire ou angulaire. Il effectue un mouvement d'un pas pour une seule impulsion d'entrée.

Lorsqu'une série d'impulsions est appliquée, il tourne d'un certain angle. L'angle par lequel l'arbre du moteur pas à pas tourne pour chaque impulsion est appelé l'angle de pas, généralement exprimé en degrés.

Le nombre d'impulsions d'entrée données au moteur détermine l'angle de pas et donc la position de l'arbre du moteur est contrôlée en contrôlant le nombre d'impulsions. Cette caractéristique unique rend le moteur pas à pas bien adapté aux systèmes de contrôle en boucle ouverte où la position précise de l'arbre est maintenue avec un nombre exact d'impulsions sans utiliser de capteur de rétroaction.

Si l'angle de pas est plus petit, plus grand sera le nombre de pas par révolution et plus élevée sera la précision de la position obtenue. Les angles de pas peuvent être aussi grands que 90 degrés et aussi petits que 0,72 degré ; cependant, les angles de pas couramment utilisés sont 1,8°, 2,5°, 7,5° et 15°.

Le sens de rotation de l'arbre dépend de la séquence d'impulsions appliquées au stator. La vitesse de l'arbre ou la vitesse moyenne du moteur est directement proportionnelle à la fréquence (le taux d'impulsions d'entrée) des impulsions appliquées aux enroulements d'excitation. Par conséquent, si la fréquence est faible, le moteur pas à pas tourne par pas ; pour une fréquence élevée, il tourne continuellement comme un moteur à courant continu en raison de l'inertie.

Comme tous les moteurs électriques, il possède un stator et un rotor. Le rotor est la partie mobile qui n'a ni enroulements, ni balais, ni collecteur. Habituellement, les rotors sont soit à réluctance variable, soit à aimant permanent. Le stator est souvent construit avec des enroulements multipolaires et multiphasés, généralement à trois ou quatre phases, bobinés pour un nombre de pôles requis décidé par le déplacement angulaire souhaité par impulsion d'entrée.

Contrairement aux autres moteurs, il fonctionne sur des impulsions de contrôle discrètes programmées appliquées aux enroulements du stator via un driver électronique. La rotation se produit en raison de l'interaction magnétique entre les pôles des enroulements du stator séquentiellement excités et les pôles du rotor.

Il existe plusieurs types de moteurs pas à pas disponibles aujourd'hui sur le marché dans une large gamme de tailles, de nombre de pas, de constructions, de câblages, de réducteurs et d'autres caractéristiques électriques. Comme ces moteurs sont capables de fonctionner de manière discrète, ils sont bien adaptés pour s'interfacer avec des dispositifs de contrôle numérique comme les ordinateurs.

En raison du contrôle précis de la vitesse, de la rotation, de la direction et de la position angulaire, ils suscitent un intérêt particulier dans les systèmes de contrôle de processus industriels, machines CNC, robotique, systèmes d'automatisation de fabrication et instrumentation.

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Types de moteurs pas à pas

Il existe trois catégories de base de moteurs pas à pas :

Moteur pas à pas à aimant permanent
Moteur pas à pas à réluctance variable
Moteur pas à pas hybride

Dans tous ces moteurs, des enroulements d'excitation sont employés dans le stator où le nombre d'enroulements fait référence au nombre de phases.

Une tension continue est appliquée comme excitation aux bobines des enroulements et chaque borne d'enroulement est connectée à la source via un interrupteur à état solide. Selon le type de moteur pas à pas, son rotor est conçu différemment : rotor en acier doux avec pôles saillants, rotor en aimant permanent cylindrique, et aimant permanent avec dents en acier doux. Examinons ces types en détail.

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Moteur pas à pas à réluctance variable

C'est le type de base de moteur pas à pas qui existe depuis longtemps et qui assure le moyen le plus simple de comprendre le principe de fonctionnement d'un point de vue structurel. Comme son nom l'indique, la position angulaire du rotor dépend de la réluctance du circuit magnétique formé entre les pôles (dents) du stator et les dents du rotor.

Construction du moteur pas à pas à réluctance variable

Il se compose d'un stator bobiné et d'un rotor en fer doux multi-dents. Le stator a une pile de lames en acier au silicium sur lesquelles les enroulements du stator sont bobinés. Habituellement, il est bobiné pour trois phases réparties entre les paires de pôles.

Le nombre de pôles sur le stator ainsi formé est égal à un multiple pair du nombre de phases pour lesquelles les enroulements sont bobinés sur le stator. Dans la figure ci-dessous, le stator a 12 pôles saillants équidistants où chaque pôle est bobiné avec une bobine d'excitation. Ces trois phases sont alimentées par une source continue via des interrupteurs à état solide.

Le rotor ne porte pas d'enroulements et est de type à pôles saillants, fait entièrement de lames d'acier rainurées. Les dents projetées des pôles du rotor ont la même largeur que celles des dents du stator. Le nombre de pôles sur le stator diffère de celui des pôles du rotor, ce qui confère la capacité d'auto-démarrage et de rotation bidirectionnelle au moteur.

La relation des pôles du rotor en termes de pôles du stator pour un moteur pas à pas triphasé est donnée par : Nr = Ns ± (Ns / q). Ici Ns = 12, q = 3, donc Nr = 12 ± (12 / 3) = 16 ou 8. Une construction de rotor à 8 pôles sans excitation est illustrée ci-dessous.

Fonctionnement du moteur pas à pas à réluctance variable

Le moteur pas à pas fonctionne sur le principe que le rotor s'aligne dans une position particulière avec les dents du pôle d'excitation dans un circuit magnétique où existe un chemin de réluctance minimale. Chaque fois que l'alimentation est appliquée au moteur et qu'un enroulement particulier est excité, il produit son champ magnétique et développe ses propres pôles magnétiques.

En raison du magnétisme résiduel dans les pôles magnétiques du rotor, cela amène le rotor à se déplacer dans une position pour atteindre la position de réluctance minimale, alignant ainsi un ensemble de pôles du rotor avec l'ensemble de pôles excités du stator. À cette position, l'axe du champ magnétique du stator correspond à l'axe passant par deux pôles magnétiques quelconques du rotor.

Lorsque le rotor s'aligne avec les pôles du stator, il a assez de force magnétique pour maintenir l'arbre immobile, l'empêchant de passer à la position suivante, que ce soit dans le sens horaire ou antihoraire.

Considérons le schéma d'un moteur pas à pas triphasé à 6 pôles stator et 4 dents rotor. Lorsque la phase A-A' est alimentée en continu en fermant l'interrupteur 1, l'enroulement devient un aimant, ce qui fait qu'une dent devient Nord et l'autre Sud. L'axe magnétique du stator se trouve le long de ces pôles.

En raison de la force d'attraction, le pôle Nord du stator attire la dent de rotor la plus proche de polarité opposée (Sud) et le pôle Sud attire la dent de rotor de polarité opposée (Nord). Le rotor s'ajuste alors à sa position de réluctance minimale où l'axe magnétique du rotor correspond exactement à l'axe magnétique du stator.

Lorsque la phase B-B' est excitée en fermant l'interrupteur 2 tout en gardant la phase A-A' désexcitée en ouvrant l'interrupteur 1, l'enroulement B-B' produit le flux magnétique et l'axe magnétique du stator se déplace le long des pôles ainsi formés. Le rotor se déplace alors vers la réluctance minimale avec les dents du stator aimantées et tourne d'un angle de 30 degrés dans le sens horaire.

Lorsque l'interrupteur 3 est excité après l'ouverture de l'interrupteur 2, la phase C-C' est excitée, les dents du rotor s'alignent sur la nouvelle position en se déplaçant d'un angle additionnel de 30 degrés. De cette façon, le rotor se déplace dans le sens horaire ou antihoraire en excitant successivement les enroulements du stator dans une séquence particulière. L'angle de pas de ce moteur pas à pas triphasé à 4 dents rotor est exprimé par : 360 / (4 × 3) = 30 degrés (car angle de pas = 360 / Nr × q).

L'angle de pas peut être encore réduit en augmentant le nombre de pôles sur le stator et le rotor ; dans ce cas, les moteurs sont souvent bobinés avec des enroulements de phases supplémentaires. Cela peut aussi être réalisé en adoptant différentes constructions de moteurs pas à pas telles que l'arrangement multi-étages et le mécanisme de réduction d'engrenage.

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Moteur pas à pas à aimant permanent

Le moteur à conception à aimant permanent est peut-être le plus courant parmi les différents types de moteurs pas à pas. Comme son nom l'indique, il ajoute des aimants permanents à la construction du moteur. Ce type de moteurs pas à pas est également appelé moteur can-stack ou moteur tin-can. L'avantage principal de ce moteur est son faible coût de fabrication. Ce type de moteur a 48 à 24 pas par révolution.

Construction du moteur pas à pas à aimant permanent

Dans ce moteur, le stator est multipolaire et sa construction est similaire à celle du moteur pas à pas à réluctance variable discuté ci-dessus. Il se compose d'une périphérie rainurée sur laquelle les bobines du stator sont bobinées. Il a des pôles projetés sur la structure rainurée où les enroulements bobinés peuvent être à deux, trois ou quatre phases.

Les bornes d'extrémité de tous ces enroulements sont sorties et connectées à l'excitation continue via des interrupteurs à état solide dans le circuit de commande.

Le rotor est constitué d'un matériau aimant permanent comme une ferrite, qui peut être de forme cylindrique ou à pôles saillants, mais généralement de type cylindrique lisse. Le rotor est conçu pour avoir un nombre pair de pôles magnétiques permanents avec des polarités Nord et Sud alternées.

Fonctionnement du moteur pas à pas à aimant permanent

Le fonctionnement de ce moteur repose sur le principe que les pôles contraires s'attirent et les pôles semblables se repoussent. Lorsque les enroulements du stator sont excités avec une alimentation continue, ils produisent un flux magnétique et établissent les pôles Nord et Sud. En raison de la force d'attraction et de répulsion entre les pôles du rotor à aimant permanent et les pôles du stator, le rotor commence à se déplacer jusqu'à la position pour laquelle des impulsions sont données au stator.

Considérons un moteur pas à pas biphasé avec deux pôles de rotor à aimant permanent comme montré dans la figure ci-dessous.

Lorsque la phase A est excitée positivement par rapport à A', les enroulements établissent les pôles Nord et Sud. En raison de la force d'attraction, les pôles du rotor s'alignent avec les pôles du stator de sorte que l'axe du pôle magnétique du rotor s'ajuste à celui du stator comme montré dans la figure.

Lorsque l'excitation est commutée vers la phase B et que la phase A est coupée, le rotor s'ajuste davantage à l'axe magnétique de la phase B, et tourne ainsi de 90 degrés dans le sens horaire.

Ensuite, si la phase A est excitée avec un courant négatif par rapport à A', la formation des pôles du stator amène le rotor à se déplacer de 90 degrés supplémentaires dans le sens horaire.

De la même manière, si la phase B est excitée avec un courant négatif en fermant l'interrupteur de la phase A, le rotor tourne de 90 degrés supplémentaires dans la même direction. Ensuite, si la phase A est excitée avec un courant positif, le rotor revient à la position d'origine, effectuant ainsi une révolution complète de 360 degrés. Cela implique que chaque fois que le stator est excité, le rotor a tendance à tourner de 90 degrés dans le sens horaire.

L'angle de pas de ce moteur à rotor à aimant permanent biphasé à 2 pôles est exprimé par : 360 / (2 × 2) = 90 degrés. La taille du pas peut être réduite en excitant deux phases simultanément ou selon une séquence de modes 1 phase ON et 2 phases ON avec une polarité appropriée.

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Moteur pas à pas hybride

C'est le type de moteur pas à pas le plus populaire car il offre de meilleures performances que le rotor à aimant permanent en termes de résolution de pas, de couple de maintien et de vitesse. Cependant, ces moteurs sont plus chers que les moteurs pas à pas PM. Il combine les meilleures caractéristiques des moteurs pas à pas à réluctance variable et à aimant permanent. Ces moteurs sont utilisés dans les applications nécessitant un angle de pas très petit, comme 1,5°, 1,8° et 2,5°.

Construction du moteur pas à pas hybride

Le stator de ce moteur est le même que son homologue à aimant permanent ou à réluctance. Les bobines du stator sont bobinées sur des pôles alternés. Dans ce cas, les bobines de différentes phases sont bobinées sur chaque pôle, généralement deux bobines par pôle, ce qui est appelé une connexion bifilaire.

Le rotor se compose d'un aimant permanent aimanté dans la direction axiale pour créer une paire de pôles magnétiques (pôles N et S). Chaque pôle est recouvert de dents uniformément espacées. Les dents sont en acier doux et les deux sections, sur chaque pôle, sont décalées l'une par rapport à l'autre d'un demi-pas.

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Fonctionnement du moteur pas à pas hybride

Ce moteur fonctionne de manière similaire au moteur pas à pas à aimant permanent. La figure ci-dessus montre un moteur pas à pas hybride biphasé, 4 pôles, 6 dents rotor. Lorsque la phase A-A' est excitée avec une alimentation continue, en gardant B-B' non excitée, le rotor s'aligne de sorte que le pôle Sud du rotor fasse face au pôle Nord du stator tandis que le pôle Nord du rotor fait face au pôle Sud du stator.

Maintenant, si la phase B-B' est excitée, en gardant A-A' coupée de telle sorte que le pôle supérieur devienne Nord et le pôle inférieur Sud, alors le rotor s'alignera sur une nouvelle position en se déplaçant dans le sens antihoraire. Si la phase B-B' est excitée en sens inverse de sorte que le pôle supérieur devienne Sud et le pôle inférieur Nord, alors le rotor tournera dans le sens horaire.

Par une séquence appropriée d'impulsions au stator, le moteur tournera dans la direction désirée. Pour chaque excitation, le rotor se verrouillera dans une nouvelle position, et même si l'excitation est supprimée, le moteur maintient encore sa condition verrouillée en raison de l'excitation à aimant permanent. L'angle de pas de ce moteur biphasé, 4 pôles, 6 dents rotor est donné par 360 / (2 × 6) = 30 degrés. En pratique, les moteurs hybrides sont construits avec un plus grand nombre de pôles rotor pour obtenir une haute résolution angulaire.

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Moteurs pas à pas unipolaires et bipolaires

Les moteurs discutés ci-dessus peuvent être unipolaires ou bipolaires en fonction des arrangements de bobinage des enroulements. Un moteur unipolaire utilise deux enroulements par phase et donc le sens du courant traversant ces enroulements change la rotation du moteur. Dans cette configuration, le courant circule dans un sens dans une bobine et en sens inverse dans l'autre bobine.

La figure ci-dessous montre un moteur pas à pas unipolaire biphasé où les bobines A et C sont pour une phase et B et D pour l'autre phase. Dans chaque phase, chaque bobine porte le courant en sens opposé à l'autre bobine. Une seule bobine portera le courant à la fois dans chaque phase pour obtenir une direction de rotation particulière. Ainsi, simplement en commutant les bornes vers chaque bobine, la direction de rotation est contrôlée.

Dans le cas d'un moteur pas à pas bipolaire, chaque phase consiste en un seul enroulement au lieu de deux comme dans le cas unipolaire. Ici, la direction de rotation est contrôlée en inversant le courant à travers les enroulements. Par conséquent, il nécessite un circuit de commande plus complexe pour l'inversion du courant.

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Modes de pas d'un moteur pas à pas

Une action de pas typique amène le moteur à passer par une séquence de positions d'équilibre en réponse aux impulsions de courant qui lui sont données. Il est possible de varier l'action de pas de différentes manières simplement en changeant la séquence par laquelle les enroulements du stator sont excités. Voici les modes de fonctionnement ou d'entraînement les plus courants des moteurs pas à pas.

Pas à vague (Wave step)
Pas complet (Full step)
Demi-pas (Half step)
Micro-pas (Microstepping)

Mode pas à vague

Le mode pas à vague est le plus simple de tous les autres modes, dans lequel un seul enroulement est excité à un moment donné. Chaque bobine de la phase est connectée à l'alimentation alternativement. Le tableau ci-dessous montre l'ordre par lequel les bobines sont excitées dans un moteur pas à pas quadriphasé.

Dans ce mode, le moteur donne l'angle de pas maximal comparé à tous les autres modes. C'est le mode le plus simple et le plus couramment utilisé pour le pas ; cependant, le couple produit est moindre car il utilise seulement une partie de l'enroulement total à un moment donné.

Mode pas complet

Dans ce mode d'entraînement, deux phases du stator sont excitées simultanément à tout moment. Lorsque deux phases sont excitées ensemble, le rotor subit le couple des deux phases et atteint la position d'équilibre, qui sera intercalée entre deux positions adjacentes de pas à vague ou d'excitations mono-phase. Ce pas fournit donc un meilleur couple de maintien que le pas à vague. Le tableau ci-dessous montre l'entraînement en pas complet pour un moteur pas à pas quadriphasé.

Mode demi-pas

C'est la combinaison des modes pas à vague et pas complet. Dans ce mode, les excitations mono-phase et bi-phase sont effectuées alternativement : une phase ON, deux phases ON, et ainsi de suite. L'angle de pas dans ce mode devient la moitié de l'angle de pas complet. Ce mode d'entraînement a le couple et la stabilité les plus élevés comparés à tous les autres modes. Le tableau contenant la séquence d'impulsions de phase pour un moteur quadriphasé en demi-pas est donné ci-dessous.

Mode micro-pas

Dans ce mode, chaque pas du moteur est subdivisé en plusieurs petits pas, même des centaines de positions fixes, obtenant ainsi une plus grande résolution de positionnement. Dans ce mode, les courants à travers les enroulements sont continuellement variés pour obtenir des pas très petits. Ici, deux phases sont excitées simultanément, mais avec des courants inégaux dans chaque phase.

Par exemple, le courant à travers la phase 1 est maintenu constant tandis que le courant à travers la phase 2 est incrémenté par paliers jusqu'à la valeur maximale de courant, qu'elle soit négative ou positive. Le courant dans la phase 1 est ensuite diminué ou augmenté par paliers jusqu'à zéro. Ainsi, le moteur produira une petite taille de pas.

Tous ces modes de pas peuvent être obtenus par chaque type de moteur pas à pas discuté ci-dessus. Cependant, la direction du courant dans chaque enroulement pendant ces pas peut varier selon le type de moteur et s'il est unipolaire ou bipolaire.

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Avantages du moteur pas à pas

À l'arrêt, le moteur a un couple maximal. Peu importe s'il n'y a pas de mouvement ou de changement de position.
Il a une bonne réponse au démarrage, à l'arrêt et à l'inversion de position.
Comme il n'y a pas de balais de contact dans le moteur pas à pas, il est fiable et l'espérance de vie dépend des roulements du moteur.
L'angle de rotation du moteur est directement proportionnel aux signaux d'entrée.
Il est simple et moins coûteux à contrôler car le moteur fournit un contrôle en boucle ouverte en répondant aux signaux d'entrée numériques.
La vitesse du moteur est directement proportionnelle à la fréquence des impulsions d'entrée, ce qui permet d'atteindre une large gamme de vitesses de rotation.
Lorsque la charge est couplée à l'arbre, il est encore possible de réaliser une rotation synchrone à basse vitesse.
Le positionnement exact et la répétabilité du mouvement sont bons car il a une précision de 3 à 5 % d'un pas où l'erreur n'est pas cumulative d'un pas à l'autre.
Les moteurs pas à pas sont plus sûrs et moins coûteux (par rapport aux servomoteurs), avec un couple élevé à basse vitesse, une haute fiabilité avec une construction simple qui fonctionne dans n'importe quel environnement.

Inconvénients des moteurs pas à pas

Les moteurs pas à pas ont un faible rendement.
Ils ont une faible précision.
Leur couple diminue très rapidement avec la vitesse.
Comme le moteur pas à pas fonctionne en contrôle en boucle ouverte, il n'y a pas de rétroaction pour indiquer d'éventuels pas manqués.
Ils ont un faible rapport couple/inertie, ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas accélérer la charge très rapidement.
Ils sont bruyants.

Applications des moteurs pas à pas

Les moteurs pas à pas sont utilisés dans les équipements de production automatisés, les jauges automobiles et les machines industrielles comme l'emballage, l'étiquetage, le remplissage et la découpe, etc.
Ils sont largement utilisés dans les dispositifs de sécurité tels que les caméras de sécurité et de surveillance.
Dans l'industrie médicale, les moteurs pas à pas sont largement utilisés dans les échantillonneurs, la photographie dentaire numérique, les respirateurs, les pompes à fluide, les machines d'analyse sanguine et les scanners médicaux, etc.
Ils sont utilisés dans l'électronique grand public : scanners d'image, photocopieuses, imprimantes et dans les appareils photo numériques pour les fonctions de zoom et de mise au point automatiques et le positionnement.
Les moteurs pas à pas sont également utilisés dans les ascenseurs, les tapis roulants et les diverteurs de voie.