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

L'une des décisions les plus critiques que les ingénieurs peuvent prendre lors de la conception de tout type de processus de contrôle de mouvement consiste à choisir le moteur. Obtenir le bon moteur, tant en termes de type que de taille, est impératif pour 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 auxquelles il faut répondre avant de prendre une décision est la suivante : quel type de moteur serait le meilleur ? L'application nécessite-t-elle un servomoteur haute performance ? Un stepper à faible coût serait-il préférable ? Ou peut-être existe-t-il une troisième option intermédiaire à considérer ?

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 couple est nécessaire ? Quelle est la vitesse de pointe requise ?

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

La puissance 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.

Cependant, en raison de la nature de ce calcul, il existe de nombreuses combinaisons différentes de couple et de vitesse qui produiront une puissance spécifique. Ainsi, différents moteurs ayant des puissances nominales similaires peuvent fonctionner différemment en raison de la combinaison de vitesse et de couple qu’ils offrent.

Les ingénieurs doivent savoir à quelle vitesse une charge d’une certaine taille doit se déplacer avant de choisir en toute confiance le moteur qui fonctionnera le mieux. Le travail effectué doit également correspondre à la courbe couple/vitesse du moteur. Cette courbe montre comment le couple d'un moteur varie pendant le fonctionnement. En utilisant les hypothèses du « pire des cas » (en d’autres termes, en déterminant le couple et la vitesse maximum/minimum que le travail nécessitera), les ingénieurs peuvent être sûrs que le moteur choisi a une courbe couple/vitesse suffisante.

L'inertie de la charge est un autre facteur à prendre en compte avant de se lancer dans le processus décisionnel lié au choix d'un moteur. Il faut calculer le taux d'inertie, qui est la comparaison entre l'inertie de la charge et l'inertie du moteur. Une règle empirique dit que si l'inertie de la charge dépasse 10 fois celle du rotor, le réglage du moteur peut être plus difficile et les performances peuvent en souffrir. Mais cette règle varie non seulement d’une technologie à l’autre, mais aussi d’un fournisseur à l’autre et même d’un produit à l’autre. Le degré de critique d’une demande affectera également cette décision. Certains produits gèrent des rapports allant jusqu'à 30 pour 1, tandis que les entraînements directs fonctionnent jusqu'à 200 pour 1. Beaucoup de gens n'aiment pas dimensionner un moteur qui dépasse un rapport de 10 pour 1.

Enfin, existe-t-il des limitations physiques qui limitent un moteur par rapport à un autre. Les moteurs se présentent sous différentes formes et tailles. Dans certains cas, les moteurs sont gros et encombrants, et certaines opérations ne peuvent pas accueillir un moteur d’une certaine taille. Avant qu'une décision éclairée puisse être prise sur le meilleur type de moteur, ces spécifications physiques doivent être reconnues et comprises.

Une fois que les ingénieurs auront répondu à toutes ces questions (vitesse, couple, puissance, inertie de charge et limitations physiques), ils pourront se concentrer sur la taille de moteur la plus efficace. Mais le processus décisionnel ne s’arrête pas là. Les ingénieurs doivent également déterminer quel type de moteur correspond le mieux à l’application. Pendant des années, le choix du type se résumait à l'une des deux options suivantes pour la plupart des applications : un servomoteur ou un moteur pas à pas en boucle ouverte.

Servos 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 clés entre les deux que les ingénieurs doivent comprendre avant de décider quel moteur est idéal pour une application donnée.

Dans les systèmes d'asservissement traditionnels, un contrôleur envoie des commandes au variateur du moteur via une impulsion et une direction ou une commande analogique liée à la position, à la vitesse ou au couple. Certaines commandes peuvent utiliser une méthode basée sur le bus, qui, dans les commandes les plus récentes, est généralement une méthode de communication basée sur Ethernet. Le variateur envoie ensuite le courant approprié à chaque phase du moteur. Le retour du moteur revient au variateur du moteur et, si nécessaire, au contrôleur. Le variateur s'appuie sur ces informations pour commuter correctement le moteur et envoyer de bonnes informations sur la position dynamique de l'arbre du moteur. Ainsi, les servomoteurs sont considérés comme des moteurs en boucle fermée et contiennent des encodeurs intégrés, et les données de position sont fréquemment transmises au contrôleur. Ce retour donne au contrôleur plus de contrôle sur le moteur. Le contrôleur peut apporter des ajustements aux opérations, à des degrés divers, si quelque chose ne fonctionne pas comme il le devrait. Ce type d’informations cruciales constitue un avantage que les moteurs pas à pas en boucle ouverte ne peuvent pas offrir.

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

Par exemple, si le couple d'un moteur n'est pas suffisant pour supporter la charge, le moteur peut caler ou rater certaines étapes. Lorsque cela se produit, la position cible ne sera pas atteinte. Compte tenu des caractéristiques en boucle ouverte du moteur pas à pas, ce positionnement inexact ne sera pas correctement relayé au contrôleur afin qu'il puisse effectuer des ajustements.

Le servomoteur semble présenter des avantages évidents en termes d’efficacité et de performances, alors pourquoi choisirait-on un moteur pas à pas ? Il y a plusieurs raisons. Le plus courant est le prix ; les budgets opérationnels sont des considérations importantes dans la prise de toute décision de conception. À mesure que les budgets se resserrent, des décisions doivent être prises pour réduire les coûts inutiles. Non seulement cela fait référence au coût du moteur lui-même, mais la maintenance de routine et d'urgence a tendance à être moins coûteuse pour les moteurs pas à pas que pour les servos. Ainsi, si les avantages d’un servomoteur ne justifient pas ses coûts, un moteur pas à pas standard peut suffire.

D'un point de vue purement opérationnel, les moteurs pas à pas sont nettement plus faciles à utiliser que les servomoteurs standards. Le fonctionnement d'un moteur pas à pas est beaucoup plus simple à comprendre et à configurer. La plupart des employés conviendraient que s’il n’y a aucune raison de compliquer excessivement les opérations, il faut garder les choses simples.

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 qui ne nécessite que des vitesses de quelques centaines de tr/min ou moins, un servomoteur n'est pas toujours le meilleur choix. Les servomoteurs peuvent être excessifs pour les applications à basse vitesse.

Les applications à basse vitesse sont celles où les moteurs pas à pas constituent la meilleure solution possible. Les moteurs pas à pas sont non seulement reproductibles en matière d'arrêt, mais sont également conçus pour fonctionner à faible vitesse tout en fournissant un couple élevé. De par la nature même de cette conception, les moteurs pas à pas peuvent être contrôlés et exécutés jusqu'à leurs limites de vitesse. La limite de vitesse des moteurs pas à pas typiques est généralement inférieure à 1 000 tr/min, tandis que les servomoteurs peuvent avoir des vitesses nominales allant jusqu'à 3 000 tr/min et plus, parfois même supérieures à 7 000 tr/min.

Si un stepper est correctement dimensionné, il peut être le choix parfait. Cependant, lorsqu'un moteur pas à pas fonctionne dans une configuration en boucle ouverte et que quelque chose ne va pas, les opérateurs peuvent ne pas obtenir toutes les données dont ils ont besoin pour résoudre le problème.

Résoudre le problème de la boucle ouverte

Au cours des dernières décennies, plusieurs approches différentes ont été proposées pour résoudre les problèmes traditionnels des moteurs pas à pas en boucle ouverte. Référer le moteur à un capteur à la mise sous tension, ou même plusieurs fois au cours d'une application, était une méthode. Bien que simple, cela ralentit les opérations et ne résout pas les problèmes qui surviennent au cours des processus opérationnels normaux.

L'ajout d'un retour d'information pour détecter si le moteur cale ou n'est pas en position est une autre approche. Les ingénieurs des sociétés de contrôle de mouvement ont créé des fonctionnalités de « détection de décrochage » et de « maintien de la position ». Il existe même quelques approches qui vont encore plus loin et qui traitent les moteurs pas à pas comme des servos, ou du moins les imitent avec des algorithmes sophistiqués.

Dans le grand spectre des moteurs, entre les servos et les moteurs pas à pas en boucle ouverte, se trouve une technologie quelque peu nouvelle connue sous le nom de moteur pas à pas en boucle fermée. Il s'agit du moyen le meilleur et le plus économique de résoudre le problème des applications qui nécessitent une précision de positionnement et de faibles vitesses. En appliquant des dispositifs de retour haute résolution pour boucler 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 de fonctionner de manière constante à basse vitesse avec un arrêt précis. De plus, ils offrent toujours les capacités de rétroaction des servomoteurs. Heureusement, il ne présente pas nécessairement le plus gros inconvénient d'un servo : son prix plus élevé.

La clé a toujours été dans le fonctionnement des moteurs pas à pas en boucle ouverte. Ils ont généralement deux bobines, parfois cinq, avec un équilibre magnétique entre elles. Le mouvement perturbe cet équilibre, provoquant un retard électrique de l'arbre du moteur, mais l'opérateur ne peut pas savoir à quelle distance il se situe. Le point d'arrêt est reproductible pour les moteurs pas à pas en boucle ouverte mais pas pour toutes les charges. Mettre un encodeur sur le stepper et en faire une boucle fermée offre un certain contrôle dynamique. Cela permet aux opérateurs de s'arrêter à un endroit précis sous des charges variables.

Ces avantages liés à l'utilisation de moteurs pas à pas en boucle fermée pour certaines applications ont considérablement accru la popularité de ces moteurs dans la communauté du contrôle de mouvement. Plus précisément, dans deux des secteurs les plus importants, à savoir les fabricants de semi-conducteurs et de dispositifs médicaux, on constate une nette augmentation de l'utilisation de moteurs pas à pas en boucle fermée. Les ingénieurs de ces industries doivent savoir exactement où les moteurs ont positionné les charges ou les actionneurs, qu'ils alimentent une courroie ou une vis à billes. Le retour en boucle fermée de ces moteurs leur permet de savoir exactement où ils se trouvent. Ces moteurs pas à pas peuvent également offrir de meilleures performances que les servos à des vitesses inférieures.

Généralement, 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.

Gardez à l’esprit que les opérateurs doivent s’assurer que le variateur ou les commandes prennent en charge les moteurs pas à pas en boucle fermée. Historiquement, vous pouviez obtenir un moteur pas à pas avec un encodeur à l'arrière, mais le lecteur était un lecteur pas à pas standard et ne prenait pas en charge les encodeurs. L'encodeur devait être ramené au contrôleur et une vérification de position devait être mise en œuvre à la fin d'un mouvement donné. Ceci n'est pas nécessaire avec les nouveaux entraînements pas à pas en boucle fermée. Les entraînements pas à pas en boucle fermée peuvent gérer dynamiquement et automatiquement le contrôle de position et de vitesse sans impliquer de contrôleurs.