Les moteurs pas à pas sont un choix privilégié pour de nombreuses applications de contrôle de mouvement et de position. Disponibles dans une large gamme de tailles et de couples, ils sont nettement moins chers que les servomoteurs haut de gamme. Voyons donc comment améliorer les performances des moteurs pas à pas pour les rapprocher de celles des servomoteurs grâce à l'ajout de dispositifs de rétroaction. Si les moteurs pas à pas équipés de rétroaction ne remplacent pas totalement les servomoteurs, ils constituent une alternative fiable pour de nombreuses applications concrètes. Ces solutions de conception de mouvement optimisent les performances des machines à moindre coût.

Avantages et inconvénients des moteurs pas à pas à prendre en compte

Les moteurs pas à pas sont des moteurs électriques à courant continu sans balais qui se déplacent par incréments discrets plutôt que par un mouvement de rotation continu. Ces mouvements pas à pas sont générés par les variations du champ magnétique produites par des ensembles de bobines électromagnétiques dans le stator. Le fonctionnement d'un moteur pas à pas dépend de…contrôleur— Un dispositif électronique qui alimente les bobines du stator du moteur en courant selon une séquence qui génère des mouvements par paliers. Les capacités du contrôleur ont un impact significatif sur les performances du moteur.

Il existe plusieurs types de moteurs pas à pas, mais les plus courants offrent une bonne résolution (200 pas par tour ou plus), un couple respectable à basse vitesse, une construction robuste, une longue durée de vie et un coût relativement faible. Ils présentent toutefois des limitations. Le couple diminue à haute vitesse de rotation et, avec des contrôleurs simples, les moteurs pas à pas peuvent être sujets à des oscillations (vibrations à haute fréquence). Leur principal inconvénient est que, même pour les applications de positionnement, les systèmes de base fonctionnent en boucle ouverte.

Les moteurs pas à pas répondent aux instructions du contrôleur pour effectuer un certain nombre de pas, mais ne renvoient aucun retour d'information au contrôleur quant à la réalisation de ce mouvement. Par conséquent, si le moteur ne parvient pas à effectuer les mouvements de pas demandés, un écart croissant peut apparaître entre ce que le contrôleur indique et ce qu'il attend.supposecomme la position de rotation de l'arbre moteur et levraiLa position de l'arbre (et de toute charge ou mécanisme entraîné qui y est fixé) peut engendrer des désalignements. Ces désalignements surviennent lorsque le couple du moteur est insuffisant pour vaincre la résistance mécanique. À haut régime, ces désalignements peuvent devenir un problème majeur, car c'est à ce niveau que les capacités de couple du moteur sont limitées. C'est pourquoi les ingénieurs concepteurs surdimensionnent souvent les moteurs pas à pas, afin d'éviter les pertes de pas, même si cela implique de choisir des moteurs trop volumineux et trop lourds pour la plupart des applications, sauf les plus exigeantes.

Un autre inconvénient est que, lorsqu'un moteur pas à pas classique s'arrête, un courant doit circuler dans ses enroulements pour maintenir l'arbre du moteur en position. Cela consomme de l'énergie électrique et provoque un échauffement des enroulements et des sous-composants environnants.

Retour d'information sur les systèmes de moteurs pas à pas pour un positionnement fiable

L'ajout d'encodeurs à un système de moteur pas à pas pour obtenir un retour d'information sur la position de l'arbre boucle la boucle de contrôle. Bien que ces dispositifs de retour d'information augmentent le coût global du système, ce coût est moindre que celui associé au passage à un servomoteur.

Une approche pour ajouter un retour d'information d'encodeur consiste à opérer endéplacer et vérifierEn mode pas à pas, un simple codeur incrémental est ajouté à l'arbre de sortie du moteur pas à pas. Lorsque le contrôleur envoie des commandes de pas au moteur, le codeur vérifie en continu auprès du contrôleur que les mouvements commandés ont bien été effectués. Si le moteur ne réalise pas le nombre de pas demandé, le contrôleur peut en commander davantage jusqu'à ce qu'il atteigne la position souhaitée. Des contrôleurs plus sophistiqués augmentent également le courant de phase du moteur afin d'accroître le couple nécessaire à l'exécution de ces pas supplémentaires.

Les encodeurs utilisés dans de tels systèmes de déplacement et de vérification ont généralement des résolutions qui sont un multiple de 200 positions par révolution.

Notez que les configurations utilisant des modes de déplacement et de vérification peuvent encore bénéficier de l'inclusion de moteurs surdimensionnés, mais pas surdimensionnés au degré requis par les systèmes simples en boucle ouverte.

Il convient également de noter que ce mode peut aider les contrôleurs intelligents à ajuster avec précision les courants de maintien du moteur pour de légères améliorations d'efficacité lors de l'arrêt… bien que la consommation d'énergie globale ait tendance à rester élevée.

Commande de moteur pas à pas en boucle fermée avec codeurs absolus

Une autre option, un peu plus sophistiquée, pour les applications de contrôle de position critiques consiste en une commande en boucle fermée complète utilisant des codeurs absolus multitours. Les codeurs utilisés ici sont fixés à l'arbre de sortie d'un moteur pas à pas pour surveiller :

1. La position angulaire du moteur pas à pas ainsi que
2. Le nombre de tours complets du moteur pas à pas.

Dans cette configuration, le moteur pas à pas est piloté comme un moteur BLDC (Brushless DC) à grand nombre de pôles… et l'encodeur fournit en continu un retour d'information de position au contrôleur. Le courant de maintien fourni au moteur est alors précisément adapté à la valeur nécessaire pour maintenir la position dans une tolérance donnée. Un moteur pas à pas piloté comme un servomoteur BLDC est économe en énergie et moins coûteux qu'un véritable servomoteur BLDC. Alors, pourquoi ne pas utiliser des moteurs pas à pas économiques pour toutes les applications de servomoteurs BLDC ?

Les moteurs pas à pas utilisés dans les systèmes d'asservissement en boucle fermée présentent une limitation physique absente des servomoteurs BLDC. Plus précisément, dans ce cas, ils fonctionnent comme des moteurs sans balais à 50 pôles et ne peuvent donc pas atteindre les mêmes vitesses de rotation que les servomoteurs. De plus, l'inertie des rotors des moteurs pas à pas est supérieure à celle des servomoteurs BLDC de puissance équivalente, ce qui limite leurs accélérations.

Lorsqu'un moteur pas à pas est utilisé en mode BLDC, l'encodeur joue un rôle essentiel.commutationLeur rôle consiste à signaler la position de rotation exacte de l'arbre moteur, ce qui permet au contrôleur d'alimenter les électroaimants du stator nécessaires à une rotation continue. De plus, les codeurs absolus de précision aident les contrôleurs de micropas avancés à ajuster finement le courant de phase afin de réduire les oscillations (vibrations) qui se produisent dans les systèmes de moteurs pas à pas plus simples.