Explication Et Mesure Du Couple De Décrochage Et De Traction D'un Moteur Pas-a-pas

Par définition, les moteurs pas-à-pas sont des moteurs sans balais ; en tant que tels, ils peuvent offrir de nombreux avantages par rapport aux moteurs à courant continu, notamment pour les applications nécessitant un système de positionnement plus rentable et plus précis. Pour choisir le bon moteur pas-à-pas pour une application, il est essentiel que l'ingénieur concepteur comprenne et prenne en compte les courbes de couple de décrochage et de traction du moteur pas-à-pas.

COMPARAISON ENTRE LES MOTEURS BLDC ET PAS-À-PAS

La Figure 1 montre le couple développé par un moteur BLDC triphasé avec une commutation en six étapes. Le retour d’information des capteurs à effet Hall intégrés au moteur est utilisé pour suivre la position du rotor. Cette information permet la commutation des trois phases au bon moment pour maintenir un angle de 90° +/- 30° entre le champ magnétique du rotor et du stator. Malgré une petite ondulation du courant, le couple développé par le moteur est plutôt stable et ne dépend pas significativement de la position du rotor. L'utilisation d'un codeur à haute résolution pour un retour d'information plus précis de la position du rotor éliminerait presque totalement l'ondulation du couple.

La Figure 2 montre une version simple d'un moteur pas-à-pas : un aimant avec une paire de pôles servant de rotor et deux phases séparées situées dans le stator. Cette conception fournit quatre étapes complètes sur une révolution mécanique. Les courbes de couple résultantes montrant un courant continu appliqué à chaque phase sont illustrées sur la Figure 3 (graphiques bleu et orange). Si le moteur est entraîné en pas entier en activant une seule phase à la fois, un courant sera appliqué dans l'ordre suivant : A, B, -A, -B.

Les graphiques verts de la Figure 3 illustrent le couple résultant sur l'arbre du moteur. Contrairement à un moteur BLDC, le couple moteur d'un moteur pas-à-pas dépend de manière significative de la position du rotor. Un moteur pas-à-pas est généralement entraîné en mode boucle ouverte, sans retour d'information concernant la position du rotor, afin d'obtenir une conception simple et rentable. La commutation se fait donc avec un signal externe (pas par seconde) sans connaître la position actuelle du rotor. Une commutation « idéale » autoriserait le courant dans la phase lorsque le rotor est positionné exactement entre deux phases. Cependant, en boucle ouverte (c'est-à-dire sans retour d'information sur la position du rotor), le rotor ne se trouve pas toujours dans la position idéale. Cette incertitude doit être prise en compte lors du dimensionnement d'un moteur pas-à-pas en appliquant un facteur de sécurité sur le couple de décrochage.

Maintenant que nous avons abordé les différences entre les moteurs BLDC triphasés et les moteurs pas-à-pas, voyons comment comprendre le couple de décrochage et de traction des moteurs pas-à-pas.

EXPLORATION DU COUPLE DE DÉCROCHAGE D'UN MOTEUR PAS-À-PAS

Comment mesure-t-on le couple de décrochage ?

Pour mieux comprendre comment est défini le couple de décrochage maximal, il est important d'examiner comment il est mesuré. En général, le couple de décrochage est mesuré dans les conditions suivantes :

  • Aucune charge sur le moteur
  • Mode boucle ouverte
  • Avec un variateur spécifique

La Figure 4 présente la configuration permettant de mesurer le couple de décrochage. Le moteur sera connecté à un variateur, qui définit le sens de rotation, ainsi que la vitesse du moteur en envoyant un signal pulsé. L'arbre du moteur est relié à un système de freinage variable (par exemple, un frein par courants de Foucault) qui permet d'appliquer une charge variable au moteur.

La mesure proprement dite est effectuée comme suit :

1. Le moteur est démarré sans aucune charge et amené à une vitesse donnée, plutôt faible, de 100 impulsions par seconde (ou IPS) pour démarrer.
2. Une charge croissante est appliquée sur l'arbre du moteur en utilisant le système de freinage jusqu'à ce que le moteur perde sa synchronisation.
3. La charge maximale à laquelle le moteur peut tourner avec 100 IPS sans perdre la synchronisation est mémorisée.out losing synchronization is stored.
4. Les étapes 1 à 3 sont répétées mais à une vitesse plus élevée, par exemple 200 IPS et ainsi de suite.

Les valeurs de charge maximale pour chaque vitesse mesurée au cours de l'étape 3 représentent la courbe de couple de décrochage du moteur et sont illustrées sur la Figure 5. En raison de la résonance, certaines vitesses peuvent entraîner un mouvement erratique du moteur et doivent être évitées, ce qui peut aussi être montré dans le diagramme de couple de décrochage.

Couple de décrochage dans la pratique

Dans la pratique, la courbe du couple de décrochage sert à définir la plage de couple et de vitesse dans laquelle les moteurs peuvent être entraînés en toute sécurité en boucle ouverte. Pour le couple de charge maximal, un facteur de sécurité de 30 % est généralement pris en compte (représenté sur la Figure 6 par la ligne bleue pointillée), par rapport au couple de décrochage maximal disponible (représenté sur la Figure 6 par la ligne bleue pleine)..

En outre, le couple de décrochage sert à déterminer le profil d'accélération optimal pour le moteur. Dans l'exemple illustré sur la Figure 6, le moteur doit atteindre un point de fonctionnement représenté par la croix rouge. Il existe deux méthodes pour accélérer le moteur jusqu'à la vitesse requise :

1. Si l'on prend uniquement en compte le couple de décrochage maximal disponible au point de fonctionnement souhaité, le moteur accélère linéairement avec un couple constant. Une plage minimale du couple de décrochage disponible est utilisée, représentée par le rectangle bleu.
2. Une méthode plus sophistiquée consiste à adapter le couple d'accélération en fonction du couple de décrochage disponible. À faible vitesse, un couple de décrochage plus élevé peut être utilisé pour accélérer plus rapidement. Cela conduit à une accélération non linéaire, qui permet d'atteindre plus rapidement la vitesse souhaitée. Toute la plage du couple de décrochage disponible est utilisée, représentée par les rectangles orange.

EXPLORATION DU COUPLE DE TRACTION D'UN MOTEUR PAS-À-PAS

Comment mesure-t-on le couple de traction ?

Le couple de traction peut, par exemple, être mesuré à l'aide du dispositif illustré sur la Figure 7. Un disque est monté sur l'arbre du moteur et une corde est enroulée autour. Les forces de tension F1 et F2 dans la corde sont mesurées, et la différence entre ces forces crée un couple de charge sur le moteur, qui dépend du diamètre du disque. La charge résultante sur l'arbre du moteur consiste en un couple de friction pur avec une inertie de charge négligeable. La seule inertie présente lors de la mesure sera donc l'inertie du rotor du moteur. Le moteur est connecté à un variateur en mode boucle ouverte et l'ensemble de la mesure est effectué sans rampe d'accélération.

La mesure est généralement effectuée comme suit :

1. Une faible charge est appliquée sur le moteur.
2. Le variateur est réglé sur une faible vitesse et activé. Si le moteur peut démarrer, la même étape est répétée à une vitesse plus élevée.
3. Lorsque le moteur ne parvient pas à démarrer, la fréquence de démarrage maximale pour la charge donnée a été atteinte.
4. Les étapes 1 à 3 sont ensuite répétées avec une charge plus élevée.

Les valeurs de vitesse maximale capturées au cours de l'étape 3 représentent la courbe de couple de traction illustrée sur la Figure 8. En règle générale, les fournisseurs de moteurs (y compris Portescap) indiquent la courbe de couple de traction du moteur à vide et la mesure avec un variateur spécifique. En situation réelle, l'inertie de la charge doit également être prise en compte, car en agissant sur l'arbre du moteur, cette dernière en diminuera le couple de traction disponible. Pour récapituler, les facteurs qui influencent le couple de traction d'un moteur pas-à-pas sont les suivants :

Les caractéristiques du moteur, par exemple l'inertie du rotor
L'inertie de la charge fixée à l'arbre du moteur
Le couple total de charge sur le moteur

LE COUPLE DE TRACTION DANS LA PRATIQUE

Dans la pratique, il existe deux situations clés où le couple de traction est utilisé pour dimensionner un moteur pas-à-pas :

Pour les mouvements lents ne nécessitant aucune accélération du moteur, le moteur sera démarré directement à la vitesse désirée en utilisant un nombre fixe de pas par seconde.
Dans certains cas, la fréquence de résonance naturelle d'un moteur pas-à-pas peut être évitée en le démarrant à une vitesse supérieure à cette fréquence de résonance, mais il convient alors de connaître le couple de traction.

CONCLUSION

Lors du choix du moteur pas-à-pas adéquat pour une application, il est essentiel de comprendre les courbes de couple de décrochage et de traction de celui-ci. La courbe de couple de décrochage définit le couple maximal que le moteur peut fournir lorsqu'il est entraîné à une certaine vitesse, sans perdre sa synchronisation. Si le couple de décrochage est dépassé, le moteur perdra sa synchronisation, ce qui entraînera un mouvement erratique ; c'est pourquoi il convient de prendre en compte un facteur de sécurité d'environ 30 % pour le couple de charge maximal. L'accélération non linéaire utilisant le couple de décrochage maximal disponible permet d'atteindre plus rapidement la vitesse souhaitée, optimisant ainsi le moteur pour les applications nécessitant un mouvement hautement dynamique. L'entraînement du moteur en boucle fermée à l'aide d'un codeur permet d'ignorer le facteur de sécurité et d'utiliser le couple de décrochage maximal disponible du moteur. Dans ce cas, le moteur est entraîné tel un BLDC.

De nombreux fournisseurs de moteurs donnent la courbe de couple de traction, qui définit toutefois la vitesse et le couple maximum auxquels le moteur peut démarrer sans rampe d'accélération. Généralement, ces fournisseurs (y compris Portescap) indiquent la courbe de couple de traction du moteur sans couple de charge ou inertie et est mesurée avec un variateur spécifique. Pour les applications avec une inertie de charge supplémentaire agissant sur le moteur, il est préférable de prendre contact avec le prestataire pour calculer le couple de traction disponible. Dans certains cas, la fréquence de résonance naturelle d'un moteur pas-à-pas peut être évitée en le démarrant à une vitesse supérieure à cette fréquence de résonance, pour laquelle le couple de traction doit être connu.

CONTACTEZ UN INGÉNIEUR

Figure 1 - Couple de phase et couple moteur d'un moteur BLDC
Figure 2 - Moteur pas-à-pas avec une paire de pôles
Figure 3 - À gauche : commutation « idéale » d'un moteur pas-à-pas biphasé - À droite : commutation réaliste d'un moteur pas-à-pas biphasé (boucle ouverte)
Figure 4 - Configuration pour mesurer le couple de décrochage
Figure 5 - Exemple d'une courbe de couple de décrochage
Figure 6 - Accélération constante comparée à l'accélération basée sur le couple de décrochage disponible
Figure 7 - Configuration pour mesurer le couple de traction
Figure 8 - Exemple d'une courbe de couple de traction