Les systèmes de moteurs pas à pas constituent un pilier de l'industrie du contrôle de mouvement. Nous examinerons les différences entre les systèmes à boucle ouverte et les systèmes à boucle fermée, et nous expliquerons également les dernières innovations qui rendent les systèmes de moteurs pas à pas encore plus rapides, silencieux et économes en énergie.

Les systèmes de moteurs pas à pas ont considérablement évolué depuis leurs débuts, avec les variateurs de tension et le fonctionnement en pas complet. Ont d'abord émergé les variateurs PWM et le micropas, puis les processeurs de signaux numériques (DSP) et les algorithmes anti-résonance. Aujourd'hui, la nouvelle technologie de moteurs pas à pas en boucle fermée garantit que ces derniers resteront un élément fondamental de l'industrie du contrôle de mouvement pour les années à venir.

Que le mouvement soit linéaire ou rotatif, le couple et le rendement sont deux critères essentiels pour choisir le moteur et le système d'entraînement les plus adaptés. Ceci est valable pour toutes les applications, qu'il s'agisse d'un système d'assemblage automatisé, d'une machine de manutention, d'une imprimante 3D, d'un positionneur cartésien, d'une pompe péristaltique ou de l'une des innombrables autres applications où les moteurs pas à pas sont privilégiés.

La dernière évolution des systèmes de moteurs pas à pas réside dans l'utilisation de dispositifs de rétroaction à faible coût et haute résolution, ainsi que de processeurs de signal numérique (DSP) avancés, pour boucler la boucle de contrôle du mouvement. Ces systèmes de contrôle optimisent les performances des moteurs pas à pas en boucle fermée, surpassant ainsi celles des systèmes en boucle ouverte. Comme nous le verrons, un tel système en boucle fermée est implémenté sur un moteur intégré comprenant un dispositif de rétroaction, des cartes de commande et de contrôle, l'électronique d'alimentation, de communication et d'E/S, ainsi que des connecteurs système situés sur les côtés et à l'arrière du moteur.

Systèmes de moteurs pas à pas en boucle ouverte vs en boucle fermée
Commençons par examiner comment les systèmes pas à pas à boucle fermée haute performance se comparent aux systèmes pas à pas à boucle ouverte traditionnels en termes de couple et d'efficacité.

Les systèmes pas à pas en boucle fermée offrent des performances supérieures aux systèmes en boucle ouverte, comme le démontrent les résultats de tests en laboratoire comparant l'accélération (couple), le rendement (consommation d'énergie), l'erreur de position (précision), la génération de chaleur et le niveau sonore des deux systèmes. Il suffit de considérer la relation entre le couple et l'accélération. Les courbes couple-vitesse illustrent les plages de couple maximal et continu d'un système pas à pas en boucle fermée, ainsi que la plage de couple utile d'un système pas à pas en boucle ouverte. Très souvent, en pratique, le couple se traduit par une accélération : un moteur à couple plus élevé peut donc accélérer une charge donnée plus rapidement.

Pour tester cette différence de couple en laboratoire, des systèmes de moteurs pas à pas en boucle ouverte et en boucle fermée de même taille reçoivent des charges inertielles identiques. La programmation commande aux deux systèmes d'effectuer des profils de mouvement identiques, à l'exception de l'accélération et de la vitesse maximale, qui sont augmentées progressivement dans chaque système jusqu'à ce qu'ils commettent des erreurs de positionnement.

Supposons que le système en boucle ouverte atteigne un taux d'accélération maximal de 1 000 tr/min.²et une vitesse de pointe de 10 tr/s (600 tr/min). Cette vitesse de pointe de 10 tr/s correspond à la fin de la partie plate de la courbe couple-vitesse. Le système en boucle fermée (grâce à sa capacité de production de couple plus élevée) atteint une accélération maximale de 2 000 tr/min.²et une vitesse de pointe de 20 tr/min (1 200 tr/min). Cela représente le double des performances du système en boucle ouverte et réduit le temps de réaction de près de moitié, passant de 110 ms à 60 ms.

Pour les applications nécessitant un débit élevé (telles que l'indexation, le positionnement par guide de bord et les systèmes de prélèvement et de placement), le système en boucle fermée offre un net avantage en termes de performances.

Rendement en boucle ouverte par rapport au rendement en boucle fermée

Pour mesurer l'efficacité relative d'un système en boucle ouverte par rapport à un système en boucle fermée, supposons que nous répétions le même test avec les deux mêmes moteurs de taille identique. Cette fois-ci, les moteurs en boucle fermée et en boucle ouverte fonctionnent simultanément avec les mêmes charges inertielles, mais avec une programmation qui maintient les profils de mouvement constants et identiques, de sorte que les deux systèmes effectuent le même travail.

Pendant que les deux moteurs reproduisent le même profil de mouvement de manière répétée, la consommation de courant de l'alimentation CC alimentant les deux systèmes est mesurée et la consommation électrique est calculée. Comme le montrent les graphiques, la consommation électrique moyenne du système pas à pas en boucle ouverte est de 43,8 watts, tandis que celle du système en boucle fermée est trois fois moindre, soit 14,2 watts en moyenne. Cette différence significative de consommation électrique démontre clairement le rendement supérieur du système en boucle fermée. Tout utilisateur souhaitant améliorer le rendement de son système pas à pas en boucle ouverte peut désormais envisager une simple mise à niveau vers un système en boucle fermée et s'attendre à une consommation nettement inférieure.

Comment remédier à l'échauffement du moteur

Le prolongement naturel des tests de consommation électrique consiste à étudier l'échauffement du moteur. Les systèmes pas à pas en boucle ouverte sont d'une grande simplicité. Il suffit de régler le variateur sur le courant nominal du moteur ; celui-ci s'efforcera alors de fournir ce courant en permanence, que le couple résultant soit nécessaire ou non. Ceci entraîne souvent une production de chaleur plutôt que d'énergie pour l'application, ce qui explique pourquoi les systèmes pas à pas en boucle ouverte chauffent généralement plus que leurs homologues en boucle fermée. Par conséquent, les concepteurs de machines doivent prendre des mesures supplémentaires pour gérer cette chaleur, notamment en intégrant des protections spécifiques autour des moteurs pas à pas fonctionnant à proximité d'opérateurs, ou en installant des systèmes de refroidissement additionnels tels que des ventilateurs.

Considérons les résultats d'un test d'échauffement moteur réalisé en laboratoire avec les mêmes systèmes à boucle ouverte et à boucle fermée que précédemment. Lors de ce test, les deux systèmes produisent à nouveau la même quantité de travail en entraînant les mêmes charges inertielles et fonctionnent jusqu'à l'atteinte de l'équilibre thermique. Le système à boucle ouverte atteint une température de carter de 76,0 °C, tandis que le système à boucle fermée atteint l'équilibre thermique à une température de carter de seulement 36,9 °C, soit moins de la moitié de celle du système à boucle ouverte. Cette réduction significative de l'échauffement du moteur peut se traduire par une diminution des coûts des composants pour les constructeurs de machines, qui peuvent ainsi se passer de sous-systèmes de protection et de refroidissement supplémentaires.

Fini les moteurs bruyants

Un autre reproche fréquemment formulé à l'encontre des systèmes pas à pas en boucle ouverte est leur niveau sonore élevé. Dans certains environnements, comme les laboratoires, les hôpitaux et les bureaux, ce bruit peut constituer un véritable problème pour les concepteurs de machines.

Le bruit émis par les moteurs pas à pas provient de la haute fréquence électrique et des variations rapides du flux magnétique dans les dents du stator, et du fait que les systèmes à boucle ouverte fonctionnent à leur courant nominal maximal quelle que soit la charge. En revanche, les systèmes pas à pas à boucle fermée alimentent le moteur avec le courant nécessaire pour contrôler la charge, ce qui réduit considérablement le bruit audible.

Pour obtenir les résultats de test présentés dans le graphique du bruit acoustique accompagnant cet article, le bruit acoustique de chaque système est mesuré dans une chambre insonorisée. Le système en boucle fermée est nettement plus silencieux que le système en boucle ouverte à des vitesses comprises entre 0 et 20 tr/min. Cette plage de vitesses correspond à la plage de vitesses réelles des applications où les moteurs pas à pas sont le plus souvent utilisés ; ainsi, la grande majorité des applications de moteurs pas à pas pourraient bénéficier d'une réduction du bruit moteur grâce à l'adoption de systèmes en boucle fermée.

Une meilleure précision du moteur pour éliminer les erreurs de position

Les systèmes de moteurs pas à pas en boucle ouverte sont appréciés pour leur capacité à positionner précisément les charges sans mécanisme de rétroaction ni système de contrôle en boucle fermée, à condition toutefois que le système en boucle ouverte dispose d'une marge de couple suffisante pour éviter les erreurs de positionnement en fonctionnement normal. Pour une précision accrue et une conception plus robuste, la fermeture de la boucle de positionnement du servomoteur autour de la rétroaction de l'encodeur haute résolution permet aux systèmes en boucle fermée de compenser automatiquement les augmentations de la demande de couple qui, dans les systèmes en boucle ouverte, entraîneraient des erreurs de positionnement. Ceci améliore considérablement la précision globale du système, notamment pour les applications très dynamiques telles que les systèmes de prélèvement et de placement et les imprimantes 3D, qui nécessitent des déplacements courts et rapides ainsi que des changements de direction fréquents.

Modernisation des systèmes de moteurs pas à pas existants

Dans un système de moteur pas à pas intégré, le coût du moteur, de l'amplificateur de puissance et des communications reste généralement inchangé lors du passage d'une commande en boucle ouverte à une commande en boucle fermée. L'électronique de commande peut nécessiter une puissance de traitement ou une mémoire légèrement supérieure pour le servocommande du moteur, mais cela n'a généralement pas d'incidence sur le prix catalogue. La différence de coût entre les systèmes pas à pas en boucle ouverte et en boucle fermée provient en grande partie de l'ajout d'un capteur de rétroaction haute résolution, mais les progrès réalisés en matière de fabrication ont rendu ces capteurs de plus en plus abordables. Ainsi, les systèmes pas à pas en boucle fermée conservent les avantages économiques des systèmes en boucle ouverte par rapport à d'autres types de systèmes de positionnement, comme un servomoteur traditionnel, tout en offrant des performances nettement supérieures à tous les niveaux. En règle générale, les économies d'énergie et l'augmentation du débit d'un système en boucle fermée compensent rapidement le léger surcoût du capteur de rétroaction.

Outre une augmentation de coût minime, la mise à niveau d'un système pas à pas à boucle ouverte vers un système à boucle fermée est simplifiée grâce à la disponibilité de châssis NEMA. Un moteur pas à pas NEMA 23 à boucle fermée possède les mêmes dimensions de châssis, de diamètre de guidage, d'entraxe et de diamètre de perçage qu'un moteur pas à pas NEMA 23 à boucle ouverte ; les supports de montage restent donc identiques. Le couple plus élevé disponible avec le système à boucle fermée implique un diamètre d'arbre potentiellement plus important, mais ce problème se résout généralement facilement par un simple changement d'accouplement.