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

L'une des décisions les plus cruciales que les ingénieurs doivent prendre lors de la conception d'un système de commande de mouvement est le choix du moteur. Choisir le bon moteur, tant en termes de type que de taille, est essentiel à l'efficacité opérationnelle de la machine. De plus, veiller à respecter le budget est toujours une priorité.

L'une des premières questions à se poser pour prendre cette décision est la suivante : quel type de moteur est le plus adapté ? L'application nécessite-t-elle un servomoteur haute performance ? Un moteur pas à pas économique serait-il préférable ? Ou existe-t-il une troisième option, intermédiaire, à envisager ?

Les réponses dépendent avant tout des besoins spécifiques de l'application. 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 être résolues simplement en choisissant un moteur d'une puissance donnée.

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

De par la nature de ce calcul, il existe de nombreuses combinaisons de couple et de vitesse permettant d'obtenir une puissance de sortie spécifique. Ainsi, des moteurs de puissances nominales similaires peuvent fonctionner différemment selon la combinaison de vitesse et de couple qu'ils offrent.

Avant de choisir un moteur adapté, les ingénieurs doivent connaître la vitesse de déplacement requise pour une charge donnée. La tâche à effectuer doit également se situer sur la courbe couple/vitesse du moteur. Cette courbe illustre la variation du couple moteur en fonctionnement. En considérant les cas les plus défavorables (c'est-à-dire en déterminant les valeurs maximales et minimales de couple et de vitesse nécessaires), les ingénieurs peuvent s'assurer que le moteur choisi possède une courbe couple/vitesse suffisante.

L'inertie de la charge est un autre facteur à prendre en compte avant de choisir un moteur. Le rapport d'inertie, qui compare l'inertie de la charge à celle du moteur, doit être calculé. Une règle empirique stipule que si l'inertie de la charge dépasse 10 fois celle du rotor, le réglage du moteur peut s'avérer plus complexe et ses performances peuvent être affectées. Cependant, cette règle varie non seulement selon la technologie, mais aussi selon le fournisseur et même le produit. L'importance de l'application influence également ce choix. Certains produits supportent des rapports d'inertie jusqu'à 30:1, tandis que les entraînements directs peuvent atteindre 200:1. Il est généralement déconseillé de dimensionner un moteur avec un rapport d'inertie supérieur à 10:1.

Enfin, existe-t-il des limitations physiques qui restreignent le choix d'un moteur plutôt qu'un autre ? Les moteurs se déclinent en différentes formes et tailles. Certains sont volumineux et encombrants, et certaines applications ne permettent pas d'utiliser un moteur de certaines dimensions. Avant de choisir le moteur le plus adapté, il est essentiel de connaître et de comprendre ces spécifications physiques.

Une fois que les ingénieurs ont répondu à toutes ces questions (vitesse, couple, puissance, inertie de la charge et limitations physiques), ils peuvent déterminer le moteur le plus adapté. 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 se résumait à deux options pour la plupart des applications : un servomoteur ou un moteur pas à pas à 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 le plus adapté à 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 relative à la position, la vitesse ou le couple. Certains systèmes de contrôle utilisent un bus de communication, généralement Ethernet pour les systèmes les plus récents. Le variateur alimente ensuite chaque phase du moteur avec le courant approprié. Un retour d'information est renvoyé au variateur et, si nécessaire, au contrôleur. Le variateur utilise ces informations pour assurer une commutation optimale du moteur et fournir des données précises sur la position dynamique de son arbre. Ainsi, les servomoteurs sont considérés comme des moteurs à boucle fermée ; ils intègrent des codeurs et les données de position sont régulièrement transmises au contrôleur. Ce retour d'information permet au contrôleur de mieux contrôler le moteur. Le contrôleur peut ainsi ajuster le fonctionnement, à différents degrés, en cas d'anomalie. Ce type d'information cruciale est un avantage que les moteurs pas à pas à boucle ouverte ne peuvent offrir.

Les moteurs pas à pas fonctionnent grâce à des commandes envoyées à leur variateur, qui déterminent la distance parcourue et la vitesse. Généralement, ce signal est une commande de déplacement (pas et direction). Cependant, les moteurs pas à pas en boucle ouverte ne fournissent aucun retour d'information à l'opérateur ; leur système de contrôle ne peut donc pas évaluer correctement la situation ni effectuer les ajustements nécessaires pour optimiser le fonctionnement du moteur.

Par exemple, si le couple d'un moteur est insuffisant pour supporter la charge, le moteur peut caler ou manquer certains pas. Dans ce cas, la position cible ne sera pas atteinte. Compte tenu du fonctionnement en boucle ouverte du moteur pas à pas, ce positionnement imprécis ne sera pas correctement transmis au contrôleur, l'empêchant ainsi d'effectuer des corrections.

Le servomoteur présente des avantages indéniables en termes d'efficacité et de performance. Dès lors, pourquoi opter pour un moteur pas à pas ? Plusieurs raisons l'expliquent. La plus courante est le prix : les budgets d'exploitation sont un facteur déterminant dans toute décision de conception. Face à des budgets plus serrés, il est impératif de réduire les coûts superflus. Cela concerne non seulement le prix du moteur lui-même, mais aussi les opérations de maintenance, courantes et d'urgence, généralement moins onéreuses 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 s'avérer suffisant.

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 bien plus simple à comprendre et à configurer. La plupart des utilisateurs s'accordent à dire que, s'il n'y a pas lieu 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 des vitesses de quelques centaines de tr/min ou moins, un servomoteur n'est pas toujours le meilleur choix. Les servomoteurs peuvent être surdimensionnés pour les applications à basse vitesse.

Dans les applications à basse vitesse, les moteurs pas à pas offrent une solution optimale. Non seulement leur arrêt est précis et régulier, mais ils sont également conçus pour fonctionner à basse vitesse tout en fournissant un couple élevé. De par leur conception, les moteurs pas à pas peuvent être contrôlés et fonctionner jusqu'à leurs vitesses limites. La vitesse limite 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, voire plus, parfois même supérieures à 7 000 tr/min.

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

Résolution du problème en 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 ramener le moteur à l'origine sur un capteur lors de la mise sous tension, voire à plusieurs reprises au cours d'une application. Bien que simple, cette méthode ralentit le fonctionnement et ne permet pas de détecter les problèmes survenant lors des processus de fonctionnement normaux.

L'ajout d'un système de retour d'information pour détecter le calage ou le déréglage du moteur est une autre approche. Les ingénieurs des entreprises spécialisées dans le contrôle de mouvement ont créé des fonctions de « détection de calage » et de « maintien de position ». Certaines approches vont même plus loin en traitant les moteurs pas à pas comme des servomoteurs, ou du moins en les imitant grâce à des algorithmes sophistiqués.

Dans la vaste gamme des moteurs, entre les servomoteurs et les moteurs pas à pas à boucle ouverte, se trouve une technologie relativement récente : le moteur pas à pas à boucle fermée. C’est la solution la plus performante et la plus économique pour les applications exigeant une grande précision de positionnement et de faibles vitesses. Grâce à l’utilisation de capteurs de haute résolution pour fermer la boucle, les ingénieurs bénéficient ainsi du meilleur des deux mondes.

Les moteurs pas à pas à 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 conservent les capacités de retour d’information des servomoteurs. Heureusement, ils n’en subissent pas l’inconvénient majeur : leur prix plus élevé.

Le secret réside dans le fonctionnement des moteurs pas à pas à boucle ouverte. Ils comportent généralement deux bobines, parfois cinq, entre lesquelles s'effectue un équilibrage magnétique. Tout mouvement perturbe cet équilibre, provoquant un déphasage électrique de l'arbre moteur, déphasage que l'opérateur ne peut quantifier. Le point d'arrêt est reproductible pour les moteurs pas à pas à boucle ouverte, mais pas pour toutes les charges. L'ajout d'un codeur sur le moteur, transformant ainsi le système en boucle fermée, offre un contrôle dynamique. Ceci permet aux opérateurs d'arrêter le moteur avec précision, même sous des charges variables.

Les avantages liés à l'utilisation de moteurs pas à pas en boucle fermée pour certaines applications ont considérablement accru leur popularité dans le domaine du contrôle de mouvement. Plus précisément, dans deux secteurs clés, la fabrication de semi-conducteurs et de dispositifs médicaux, on observe une nette augmentation de leur utilisation. Les ingénieurs de ces industries doivent connaître avec précision la position des charges ou des actionneurs actionnés par les moteurs, qu'il s'agisse d'entraînements par courroie ou par vis à billes. Le système de rétroaction en boucle fermée de ces moteurs pas à pas leur permet de connaître cette position exacte. Ces moteurs offrent également de meilleures performances que les servomoteurs à basse vitesse.

De manière 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 basses, est une bonne candidate pour les moteurs pas à pas en boucle fermée.

Il est important de noter que les opérateurs doivent s'assurer que le variateur ou la commande prend en charge les moteurs pas à pas en boucle fermée. Auparavant, il était possible d'utiliser un moteur pas à pas avec un codeur intégré, mais le variateur était un variateur standard et ne prenait pas en charge les codeurs. Le codeur devait alors être relié au contrôleur et une vérification de position devait être effectuée à la fin de chaque déplacement. Ce n'est plus nécessaire avec les nouveaux variateurs pas à pas en boucle fermée. Ces variateurs gèrent de manière dynamique et automatique la position et la vitesse sans intervention d'un contrôleur.