Laquelle convient le mieux à votre application ? Examinons les principaux critères de décision, notamment la vitesse, l’accélération et les objectifs de prix.

Moteurs pas à pas

Les moteurs pas à pas sont composés d'un rotor muni d'aimants permanents et d'un stator fixe qui supporte les enroulements. Lorsqu'un courant traverse les enroulements du stator, il génère un flux magnétique qui interagit avec le champ magnétique du rotor pour appliquer une force de rotation. Les moteurs pas à pas possèdent un très grand nombre de pôles, généralement 50 ou plus. Le circuit de commande du moteur alimente chaque pôle successivement, de sorte que le rotor tourne par incréments successifs, ou pas. Grâce à ce très grand nombre de pôles, le mouvement paraît continu.

En théorie, un réducteur pourrait permettre d'augmenter le couple, mais la faible vitesse des moteurs pas à pas pose problème. Ajouter un réducteur 10:1 à un moteur pas à pas de 1 200 tr/min pourrait certes augmenter le couple d'un ordre de grandeur, mais réduirait également la vitesse à 120 tr/min. Si le moteur est utilisé pour entraîner un actionneur à vis à billes ou un dispositif similaire, il est probable qu'il ne fournisse pas une vitesse suffisante pour répondre aux besoins de l'application.

Les moteurs pas à pas ne sont généralement pas disponibles dans des tailles supérieures à NEMA 34, la plupart des applications se situant dans les tailles NEMA 17 ou NEMA 23. Par conséquent, il est rare de trouver des moteurs pas à pas capables de produire un couple supérieur à 1 000 à 2 000 onces-pouces.

Les moteurs pas à pas présentent également des limitations de performance. On peut les considérer comme un système masse-ressort. Le moteur doit vaincre le frottement pour se mettre en rotation et déplacer la charge ; à ce stade, le rotor n'est pas totalement contrôlé. Par conséquent, une commande d'avancement de cinq pas peut n'entraîner que quatre, voire six, pas de rotation.

Si le variateur commande à un moteur d'avancer de 200 pas, il le fera à quelques pas près, ce qui représente alors une erreur de quelques pourcents. Bien que nous commandions les moteurs pas à pas avec une résolution typique de 25 000 à 50 000 impulsions par tour, la résolution typique d'un moteur, système masse-ressort sous charge, est de 2 000 à 6 000 impulsions par tour. Malgré ces résolutions, même un déplacement de 200 pas correspond à une fraction de degré.

L'ajout d'un codeur permettra au système de suivre les mouvements avec précision, mais ne pourra pas s'affranchir des lois physiques fondamentales du moteur. Pour les applications exigeant une précision et une résolution de positionnement accrues, les servomoteurs constituent une meilleure solution.

servomoteurs

À l'instar des moteurs pas à pas, les servomoteurs se déclinent en de nombreuses versions. Prenons l'exemple de la conception la plus courante, qui intègre un rotor à aimants permanents et un stator fixe comportant les enroulements. Ici aussi, le courant crée une distribution de champ magnétique qui agit sur le rotor pour générer un couple. Cependant, les servomoteurs possèdent un nombre de pôles nettement inférieur à celui des moteurs pas à pas. De ce fait, ils doivent fonctionner en boucle fermée.

Le fonctionnement en boucle fermée permet au contrôleur/variateur de commander le maintien de la charge dans une position spécifique, le moteur effectuant alors des ajustements continus pour la maintenir. Ainsi, les servomoteurs peuvent fournir un couple de maintien effectif. Il convient toutefois de noter que le couple à l'arrêt dépend du dimensionnement correct du moteur pour contrôler la charge et éviter les oscillations autour de la position de consigne.

Les servomoteurs utilisent généralement des aimants en terres rares, tandis que les moteurs pas à pas emploient plus fréquemment des aimants conventionnels, moins coûteux. Les aimants en terres rares permettent de développer un couple plus élevé dans un format plus compact. Les servomoteurs bénéficient également d'un couple supérieur grâce à leur taille réduite. Leur diamètre varie généralement de NEMA 17 jusqu'à 220 mm. Grâce à ces caractéristiques combinées, les servomoteurs peuvent fournir un couple allant jusqu'à 339 Nm (250 ft-lbs).

La combinaison de vitesse et de couple permet aux servomoteurs d'offrir une meilleure accélération que les moteurs pas à pas. Ils assurent également une précision de positionnement accrue grâce à leur fonctionnement en boucle fermée.

Réflexions finales

Les servomoteurs offrent un avantage indéniable en termes de performances. Cependant, en matière de répétabilité, les moteurs pas à pas peuvent se révéler très compétitifs. Ce point soulève une idée reçue courante concernant les moteurs pas à pas : le mythe des pertes de mouvement. Comme nous l'avons déjà évoqué, le système masse-ressort d'un moteur pas à pas peut entraîner quelques pertes de pas. Toutefois, comme le variateur commande le déplacement angulaire du moteur, ces pertes ne se répercutent pas d'une rotation à l'autre. Ainsi, les moteurs pas à pas offrent une excellente répétabilité. Un article de blog approfondira ce sujet prochainement.

La discussion précédente nous amène à une dernière différence majeure entre les axes pas à pas et les axes servo : le coût. Les moteurs pas à pas ne nécessitent généralement pas de retour d'information, utilisent des aimants moins onéreux et intègrent rarement de réducteurs. Grâce à leur grand nombre de pôles et à leur capacité à générer un couple de maintien, ils consomment moins d'énergie à l'arrêt. De ce fait, un moteur pas à pas peut coûter jusqu'à dix fois moins cher qu'un servomoteur comparable.

En résumé, les moteurs pas à pas sont une solution adaptée aux applications nécessitant une faible vitesse, une faible accélération et une précision modérée. De plus, ils sont généralement compacts et peu coûteux. Ces caractéristiques les rendent particulièrement adaptés aux applications médicales, biotechnologiques, de sécurité et de défense, ainsi qu'à la fabrication de semi-conducteurs. Les servomoteurs, quant à eux, sont plus performants pour les systèmes exigeant une vitesse, une accélération et une précision élevées. En contrepartie, ils sont plus coûteux et plus complexes. On les retrouve généralement dans les secteurs du conditionnement, de la transformation, du traitement en continu et autres applications similaires.

Si votre application est tolérante mais que votre budget est limité, envisagez un moteur pas à pas. Si la performance est primordiale, un servomoteur fera l'affaire, mais prévoyez un budget plus important.