Les moteurs pas à pas en boucle fermée peuvent être le meilleur choix pour les tâches généralement effectuées par des servos, car les moteurs pas à pas traditionnels ne peuvent pas les gérer.

Le choix du moteur est l'une des décisions les plus cruciales que les ingénieurs doivent prendre lors de la conception de tout processus de contrôle de mouvement. Choisir le bon moteur, tant en termes de type que de taille, est essentiel à l'efficacité opérationnelle de la machine finale. De plus, s'assurer que le moteur ne dépasse pas le budget est toujours une préoccupation majeure.

L'une des premières questions à se poser lors du choix d'un moteur est : quel type de moteur serait le plus adapté ? L'application nécessite-t-elle un servomoteur hautes performances ? Un moteur pas à pas économique serait-il préférable ? Ou peut-être existe-t-il une troisième option, intermédiaire ?

Les réponses commencent par les besoins de l'application spécifique. De nombreux facteurs doivent être pris en compte avant de déterminer le type de moteur idéal pour une application donnée.

Les exigences

Combien de cycles par minute le moteur doit-il effectuer ? Quel est le couple nécessaire ? Quelle est la vitesse de pointe requise ?

Ces questions cruciales ne peuvent pas être résolues simplement en choisissant un moteur avec une puissance donnée.

La puissance de sortie d'un moteur est la combinaison du couple et de la vitesse qui peut être calculée par une multiplication de la vitesse, du couple et d'une constante.

Cependant, en raison de la nature de ce calcul, de nombreuses combinaisons de couple et de vitesse permettent d'obtenir une puissance spécifique. Ainsi, des moteurs de puissance similaire peuvent fonctionner différemment en raison de la combinaison de vitesse et de couple qu'ils offrent.

Les ingénieurs doivent connaître la vitesse de déplacement d'une charge d'une certaine taille avant de choisir avec certitude le moteur le plus performant. La tâche à effectuer doit également correspondre à la courbe couple/vitesse du moteur. Cette courbe montre les variations de couple du moteur en fonctionnement. En se basant sur les hypothèses du « pire des cas » (c'est-à-dire en déterminant le couple et la vitesse maximum/minimum requis pour la tâche), les ingénieurs peuvent être certains que le moteur choisi présente une courbe couple/vitesse suffisante.

L'inertie de la charge est un autre facteur à prendre en compte avant de se lancer dans le choix d'un moteur. Il faut calculer le rapport d'inertie, qui correspond à la comparaison entre l'inertie de la charge et celle du moteur. En règle générale, si l'inertie de la charge est supérieure à 10 fois celle du rotor, le réglage du moteur peut être plus difficile et les performances peuvent en pâtir. Cependant, cette règle varie non seulement d'une technologie à l'autre, mais aussi d'un fournisseur à l'autre, voire d'un produit à l'autre. L'importance de l'application influence également ce choix. Certains produits gèrent des rapports allant jusqu'à 30 pour 1, tandis que les entraînements directs peuvent atteindre 200 pour 1. Nombreux sont ceux qui n'apprécient pas de dimensionner un moteur dont le rapport dépasse 10 pour 1.

Enfin, il existe des limitations physiques qui limitent l'utilisation d'un moteur par rapport à un autre. Les moteurs existent sous différentes formes et tailles. Dans certains cas, les moteurs sont volumineux et encombrants, et certaines applications ne peuvent pas accueillir un moteur d'une certaine taille. Avant de prendre une décision éclairée sur le type de moteur le plus adapté, il est important de connaître et de comprendre ces spécifications physiques.

Une fois que les ingénieurs ont répondu à toutes ces questions – vitesse, couple, puissance, inertie de charge et limitations physiques – ils peuvent déterminer la taille de moteur la plus efficace. Cependant, le processus de décision ne s'arrête pas là. Les ingénieurs doivent également déterminer le type de moteur le mieux adapté à l'application. Pendant des années, le choix du type de moteur se résumait à deux options pour la plupart des applications : un servomoteur ou un moteur pas à pas en boucle ouverte.

Servomoteurs et moteurs pas à pas

Les principes de fonctionnement des servomoteurs et des moteurs pas à pas en boucle ouverte sont similaires. Cependant, il existe des différences essentielles entre les deux, que les ingénieurs doivent comprendre avant de choisir le moteur idéal pour une application donnée.

Dans les systèmes servo traditionnels, un contrôleur envoie des commandes au variateur du moteur par impulsions et direction, ou par une commande analogique liée à la position, à la vitesse ou au couple. Certaines commandes utilisent une méthode basée sur un bus, généralement une méthode de communication Ethernet pour les commandes les plus récentes. Le variateur envoie ensuite le courant approprié à chaque phase du moteur. Le retour d'information du moteur est transmis au variateur et, si nécessaire, au contrôleur. Le variateur s'appuie sur ces informations pour commuter correctement le moteur et transmettre des informations fiables sur la position dynamique de l'arbre moteur. Les servomoteurs sont donc considérés comme des moteurs en boucle fermée et intègrent des codeurs. Les données de position sont fréquemment transmises au contrôleur. Ce retour d'information confère à ce dernier un meilleur contrôle sur le moteur. Il peut ajuster le fonctionnement, à des degrés divers, si un élément ne fonctionne pas correctement. Ce type d'information cruciale est un avantage que les moteurs pas à pas en boucle ouverte ne peuvent pas offrir.

Les moteurs pas à pas fonctionnent également sur commande envoyée au variateur pour dicter la distance parcourue et la vitesse. Ce signal est généralement une commande de pas et de direction. Cependant, les moteurs pas à pas en boucle ouverte ne peuvent pas fournir de retour d'information aux opérateurs ; leurs commandes ne peuvent donc pas évaluer correctement la situation et effectuer des ajustements pour améliorer le fonctionnement du moteur.

Par exemple, si le couple d'un moteur est insuffisant pour supporter la charge, il peut caler ou manquer certaines étapes. Dans ce cas, la position cible ne sera pas atteinte. Compte tenu des caractéristiques de boucle ouverte du moteur pas à pas, ce positionnement imprécis ne sera pas correctement transmis au contrôleur pour lui permettre d'effectuer les ajustements nécessaires.

Le servomoteur semble présenter des avantages évidents en termes d'efficacité et de performances. Alors, pourquoi choisir un moteur pas à pas ? Plusieurs raisons s'expliquent. La plus courante est le prix ; les budgets d'exploitation sont des facteurs importants à prendre en compte dans toute décision de conception. Face à la restriction budgétaire, il est nécessaire de réduire les coûts inutiles. Cela concerne non seulement le coût du moteur lui-même, mais aussi la maintenance courante et d'urgence, généralement moins coûteuse pour les moteurs pas à pas que pour les servomoteurs. Ainsi, si les avantages d'un servomoteur ne justifient pas son coût, un moteur pas à pas standard peut suffire.

D'un point de vue purement opérationnel, les moteurs pas à pas sont nettement plus simples à utiliser que les servomoteurs classiques. Leur fonctionnement est beaucoup plus simple à comprendre et à configurer. La plupart des utilisateurs s'accordent à dire que, s'il n'y a aucune raison de compliquer les opérations, il vaut mieux privilégier la simplicité.

Les avantages offerts par les deux types de moteurs sont très différents. Les servomoteurs sont idéaux si vous avez besoin d'un moteur avec des vitesses supérieures à 3 000 tr/min et un couple élevé. Cependant, pour une application ne nécessitant que quelques centaines de tr/min ou moins, un servomoteur n'est pas toujours le meilleur choix. Les servomoteurs peuvent s'avérer excessifs pour les applications à faible vitesse.

Les moteurs pas à pas constituent la solution idéale pour les applications à basse vitesse. Non seulement ils sont répétables à l'arrêt, mais ils sont également conçus pour fonctionner à basse vitesse tout en fournissant un couple élevé. De par leur conception, ils peuvent être contrôlés et fonctionner jusqu'à leurs limites de vitesse. La limite de vitesse des moteurs pas à pas classiques est généralement inférieure à 1 000 tr/min, tandis que les servomoteurs peuvent atteindre des vitesses nominales de 3 000 tr/min et plus, parfois même supérieures à 7 000 tr/min.

Un moteur pas à pas correctement dimensionné peut constituer un choix idéal. Cependant, lorsqu'un moteur pas à pas fonctionne en boucle ouverte et qu'un problème survient, les opérateurs risquent de ne pas disposer de toutes les données nécessaires à la résolution du problème.

Résoudre le problème de la boucle ouverte

Au cours des dernières décennies, plusieurs approches ont été proposées pour résoudre les problèmes classiques des moteurs pas à pas en boucle ouverte. L'une d'elles consistait à positionner le moteur sur un capteur à la mise sous tension, voire plusieurs fois au cours d'une application. Bien que simple, cette méthode ralentit les opérations et ne détecte pas les problèmes survenant en cours de fonctionnement normal.

L'ajout d'un retour d'information pour détecter si le moteur cale ou est hors position constitue une autre approche. Les ingénieurs des entreprises de contrôle de mouvement ont créé des fonctionnalités de « détection de calage » et de « maintien de la position ». Certaines approches sont même allées plus loin, traitant les moteurs pas à pas comme des servomoteurs, ou du moins les imitant grâce à des algorithmes sophistiqués.

Dans la vaste gamme des moteurs, entre les servomoteurs et les moteurs pas à pas en boucle ouverte, se trouve une technologie relativement nouvelle appelée moteur pas à pas en boucle fermée. C'est la solution la plus efficace et la plus économique pour résoudre les problèmes des applications exigeant une précision de positionnement et des vitesses faibles. En utilisant des dispositifs de rétroaction haute résolution pour fermer la boucle, les ingénieurs peuvent profiter du « meilleur des deux mondes ».

Les moteurs pas à pas en boucle fermée offrent tous les avantages des moteurs pas à pas : facilité d'utilisation, simplicité et capacité à fonctionner de manière constante à basse vitesse avec un arrêt précis. De plus, ils offrent les capacités de rétroaction des servomoteurs. Heureusement, ils n'ont pas à subir le principal inconvénient des servomoteurs : leur prix élevé.

La clé a toujours résidé dans le fonctionnement des moteurs pas à pas en boucle ouverte. Ils comportent généralement deux bobines, parfois cinq, entre lesquelles s'effectue un équilibrage magnétique. Le mouvement perturbe cet équilibre, provoquant un retard électrique de l'arbre du moteur, sans que l'opérateur puisse en connaître l'ampleur. Le point d'arrêt est répétable pour les moteurs pas à pas en boucle ouverte, mais pas pour toutes les charges. L'intégration d'un codeur sur le moteur pas à pas, transformant celui-ci en boucle fermée, offre un certain contrôle dynamique. Cela permet aux opérateurs de s'arrêter à un point précis sous des charges variables.

Les avantages de l'utilisation de moteurs pas à pas en boucle fermée pour certaines applications ont considérablement accru leur popularité auprès du secteur du contrôle de mouvement. Plus précisément, dans deux des secteurs les plus importants, les fabricants de semi-conducteurs et de dispositifs médicaux, on observe une nette augmentation de leur utilisation. Les ingénieurs de ces secteurs doivent savoir précisément où les moteurs positionnent les charges ou les actionneurs, qu'ils alimentent une courroie ou une vis à billes. La rétroaction en boucle fermée de ces moteurs leur permet de savoir précisément où ils se trouvent. Ces moteurs peuvent également offrir de meilleures performances que les servomoteurs à basse vitesse.

En règle générale, toute application nécessitant des performances garanties à un coût inférieur à celui d'un servomoteur et la capacité de fonctionner à des vitesses relativement faibles est un bon candidat pour les moteurs pas à pas en boucle fermée.

N'oubliez pas que les opérateurs doivent s'assurer que le variateur ou les commandes prennent en charge les moteurs pas à pas en boucle fermée. Auparavant, un moteur pas à pas était équipé d'un encodeur à l'arrière, mais le variateur était un variateur pas à pas standard et ne prenait pas en charge les encodeurs. L'encodeur devait être renvoyé au contrôleur et la vérification de la position devait être effectuée à la fin d'un mouvement donné. Ce n'est plus nécessaire avec les nouveaux variateurs pas à pas en boucle fermée. Ces derniers peuvent gérer dynamiquement et automatiquement le contrôle de la position et de la vitesse sans intervention de contrôleur.