GUIDE DE LA TERMINOLOGIE ET DES PARAMÈTRES DES MOTEURS PAS-À-PAS

Le fonctionnement des moteurs pas-à-pas est moins intuitif que celui des moteurs CC avec ou sans balais. Par conséquent, ils sont souvent perçus comme plus difficiles à comprendre et à contrôler. Cependant, les moteurs pas-à-pas sont des dispositifs de positionnement par nature, ce qui permet de concevoir des systèmes motorisés plus simples, moins complexes et plus compacts, notamment dans les domaines médicaux et des sciences de la vie. Notre objectif est d'aider nos clients à comprendre ces moteurs en fournissant une brève présentation de la technologie et de la terminologie des moteurs pas-à-pas, en particulier en ce qui concerne la recherche dans le catalogue.

PRÉSENTATION DES MOTEURS PAS-À-PAS

Explication du fonctionnement des moteurs pas-à-pas

Les moteurs pas-à-pas transforment les impulsions électriques de l’entraînement électronique en pas mécaniques discrets, ou pas angulaires pour un moteur pas-àpas rotatif. Ils sont similaires aux moteurs sans balais synchrones, car ils sont dotés d’une conception sans balais dans laquelle les phases du moteur sont commutées électroniquement à l’aide d’un entraînement. Il s'agit d'une différence par rapport aux moteurs CC à balais, qui se caractérisent par un système de commutation mécanique complété par le contact mécanique des balais contre les collecteurs.

La conception des moteurs pas-à-pas est assez similaire à celle des moteurs CC sans balais, en particulier en ce qui concerne le rotor et le stator du moteur :

1. Rotor du moteur. Le rotor est constitué d’une partie dentée ferromagnétique (c’est-à-dire sans aimant), ce qui en fait un moteur pas-à-pas à réluctance variable. Il peut également tenir des aimants permanents, ce qui en fait un moteur pas-à-pas à aimant permanent. Les aimants ont en général plusieurs paires de pôles pour assurer une résolution élevée des pas.

2. Stator du moteur Le stator est composé des bobinages des phases, bien qu’il diffère d'un moteur sans balais par le nombre de phases. Un moteur pas-à-pas à aimant permanent type comporte deux phases, tandis qu’un moteur sans balais type en comporte trois. Il s’agit des types de moteurs les plus courants sur le marché, mais il est possible de concevoir des moteurs sans balais ou pas-à-pas avec un nombre de phases différent. À noter que les moteurs pasà-pas à réluctance variable ont au moins 3 phases ; si ce n'était pas le cas, le sens de rotation serait incertain. Les moteurs pas-à-pas à aimant disque et pas-à-pas Can Stack de Portescap sont tous deux des moteurs pas-à-pas à aimant permanent et ont donc une conception à 2 phases

La plupart du temps, un moteur pas-à-pas est piloté en boucle ouverte grâce à l’application du courant dans les phases indépendamment de la position du rotor. Le rotor reste verrouillé dans une position donnée tant que le courant est maintenu dans les phases et ne change pas. Pour une application nécessitant un mouvement angulaire incrémentiel, il est très commode d’utiliser un moteur pas-à-pas en boucle ouverte. Dans ce cas, le moteur n’a pas besoin de système de retour (comme un codeur) pour connaître la position du rotor. La position du rotor est directement connue en fonction du nombre de pas demandé par l’électronique. Cependant, il est essentiel de connaître précisément la charge appliquée sur le moteur pour assurer une puissance suffisante et éviter le calage et la perte de pas.

Remarque : L’ajout d’un codeur à un moteur pas-à-pas permet d’entraîner le moteur en boucle fermée comme un servomoteur sans balais. Il est ainsi possible de tirer le meilleur parti du moteur. Cependant, cette configuration est plus complexe et coûteuse en raison de l’ajout d’un codeur et de l’utilisation d’un variateur électronique plus avancé.

Technologie et applications des moteurs pas-à-pas

Le portefeuille de produits Portescap comprend trois technologies de moteurs pas-à-pas principales : les moteurs pas-à-pas Can Stack, les moteurs pas-à-pas à vérin linéaire et les moteurs pas-à-pas à aimant disque.

1. Moteurs pas à pas Can Stack. Les moteurs pas-à-pas Can Stack sont généralement proposés lorsqu’une précision raisonnable et un couple modéré sont nécessaires. Ce moteur pas-à-pas à aimant permanent utilise les techniques et les conceptions les plus simples pour créer une solution efficace ; les applications types qui utilisent cette technologie incluent les diagnostics cliniques et les vannes ou le positionnement d'antennes.

2. Moteurs pas-à-pas à vérin linéaire. Les moteurs pas-à-pas à vérin linéaire créent un mouvement de translation grâce au fonctionnement simple d'un moteur pas-à-pas, ce qui en fait une solution efficace et fiable. La variante de conception captive produit un mouvement de translation pure et réduit l'encombrement, tandis que la variante de conception linéaire non captive propose une plus longue course. Les applications courantes qui utilisent des vérins linéaires dans le domaine médical vont d’un pousse-seringue et de pipettes électroniques à différentes translations de composants dans les dispositifs de lieu d'intervention. Cette technologie est également utilisée dans les vannes de chauffage, ventilation et climatisation (CVC), l’automatisation industrielle pour les mécanismes de réglage et le positionnement des antennes dans le domaine des télécommunications.

3. Moteur pas-à-pas à aimant disque. Les moteurs pas-à-pas à aimant disque présentent une conception unique caractérisée par un disque aimanté fin. Cela permet une plus grande résolution des pas que celle des moteurs pasà-pas conventionnels, une accélération significativement supérieure due à la faible inertie et une plus grande vitesse maximale grâce à un circuit magnétique court qui réduit les pertes de fer. Par conséquent, ces moteurs pas-à-pas sont parfaits pour les applications qui nécessitent un mouvement incrémentiel rapide et excellent dans les applications qui nécessitent à la fois la précision de mouvement d’un moteur pas-à-pas et la vitesse et l’accélération d’un moteur CC sans balais. Ils conviennent également aux applications mobiles, aux dispositifs avec des limitations de taille et aux applications nécessitant un positionnement rapide et précis.

Ces moteurs sont généralement utilisés dans le domaine médical pour les pipettes électroniques et les systèmes d’administration de médicaments tels que les pompes à insuline, car le moteur permet de distribuer le volume ciblé avec exactitude et avec une excellente répétabilité. Ils sont utilisés pour les applications pick-and-place dans le secteur des semi-conducteurs, car le moteur permet une dynamique élevée et une grande précision pour une productivité optimale Le positionnement des lentilles optiques utilise également des moteurs à aimant disque, car ils sont très compacts, fournissent une haute résolution et une bonne dynamique pour positionner les lentilles. Cette technologie de moteur est également utilisée dans l’industrie textile pour les guide-fils, à la fois en boucle ouverte et fermée, car elle permet une dynamique très élevée pour déplacer le guide-fil d’avant en arrière.

Terminologie du moteur pas-à-pas

Comprendre la terminologie des moteurs pas-à-pas est essentiel pour avoir une solide connaissance pratique de cette technologie de moteur. Certains paramètres sont communs à différentes technologies de moteur, comme les paramètres électriques (résistance, inductance, courant nominal), les paramètres thermiques ou l’inertie. Cependant, il existe de nombreuses autres caractéristiques, comme le pas par tour, qui sont tout à fait spécifiques aux moteurs pas-à-pas.

Remarque : Des paramètres spécifiques liés aux performances des moteurs pas-à-pas en mode statique et en mode dynamique sont fournis dans le catalogue Portescap pour aider le client à faire le bon choix.

Paramètres intrinsèques

Ils permettent d’évaluer la compatibilité des caractéristiques de conception du moteur avec les performances de l’application ou leur impact sur les performances de l’application.

1. Pas par tour. Il s’agit du nombre de pas complets que le moteur peut effectuer sur un tour complet. Cela correspond également au nombre de positions stables que le rotor peut atteindre lors de l’entraînement du moteur en mode pas complet. Ils peuvent être calculés à partir du nombre de paires de pôles et du nombre de phases : pas par tour = nombre de phases x nombre de paires de pôles.

2. Angle de pas.Il s’agit de la rotation angulaire pendant un pas complet, généralement exprimée en degrés. Il peut être calculé à partir du nombre de pas par tour : angle de pas = 360°/pas par tour.

3. Inertie du rotor. Il s’agit de l’inertie du rotor en kilogramme x mètre carré [kg^m²].

Paramètres électriques

Ces paramètres sont utiles pour sélectionner le contrôleur et régler correctement le paramètre électronique pour l’instance.

4. Résistance par phase, type. Résistance électrique du bobinage en ohms [Ω]. Ce paramètre dépend de la longueur et du diamètre du fil de bobinage utilisé pour enrouler une bobine de phase.

5. Inductance par phase, type. Inductance électrique du bobinage en millihenry [mH]. Elle dépend principalement du circuit magnétique et est proportionnelle au carré du nombre de tours de la bobine. Elle est généralement mesurée à une fréquence de 1 kHz.

6. Constante de temps électrique. Il s’agit de la constante de temps L/R (inductance divisée par la résistance) en seconde [s], qui caractérise l’augmentation exponentielle du courant dans la phase moteur de 1er ordre.

Ce paramètre est important pour les moteurs pas-à-pas, car il joue un rôle significatif dans les performances du moteur à haute vitesse. Étant donné que les moteurs pas-à-pas ont un nombre élevé de pôles magnétiques, la fréquence de commutation est élevée ; par conséquent, le pas de temps qui permet au courant de monter dans la phase devient trop petit pour permettre au courant d’établir complètement sa valeur maximale U/R.

7. Tension de fonctionnement. Également appelée tension nominale en volt [V], la tension de fonctionnement indique généralement l’entraînement du moteur avec une tension de commande. Il s’agit de la tension maximale pouvant être appliquée à une phase du moteur pour atteindre le courant nominal du moteur. Nous pouvons utiliser la loi d’Ohm pour vérifier cette relation en connaissant la résistance de phase : U = R x I.

8. Courant de phase nominal (2 phases On) et courant de phase nominal (1 phase On).. Il s’agit du courant maximal en ampères [A] qui peut être fourni en permanence au moteur. En général, la valeur du courant est limitée par des contraintes thermiques. Les pertes maximales en joules tolérées par le moteur sont égales à ∆T⁄R_th.

Voici un exemple :

• R_th = 50°C/W and ∆T = 100°C, so P_joules = 100⁄50=2W
• La résistance de phase du moteur est R = 1Ω

En pas complet de 1 phase On :

Cependant, en pas complet de 2 phases On :

Nous voyons maintenant que :

Paramètres thermiques

Les paramètres thermiques permettent de connaître les limites thermiques et de vérifier que le moteur peut fonctionner en toute sécurité sans surchauffer.

9. Température maximale de la bobine. Il s’agit de la température maximale en degrés Celsius [°C] que la bobine peut supporter sans être endommagée. Le dépassement de cette limite pourrait brûler la bobine et provoquer des dommages irréversibles.

10. Résistance thermique bobine-air ambiant. Il s’agit de la résistance thermique en degrés Celsius par watt [°C/W] entre la bobine et l’air ambiant autour du moteur, en tenant compte du fait que le moteur est en suspension dans l’air. Cette valeur reflète l’aptitude du moteur à dissiper la chaleur dans l’air ambiant et diminue en cas de refroidissement actif (dissipateur thermique, ventilateur). L’accouplement du moteur à une pièce métallique réduira également la résistance thermique du moteur.

11. Plage de températures de fonctionnement. Plage de températures ambiantes, en degrés Celsius [°C], dans lesquelles le moteur peut fonctionner en toute sécurité. Veuillez noter que lorsque le moteur fonctionne à une température supérieure à 25 °C, le courant doit être réglé pour éviter que la bobine ne surchauffe

Performance du moteur en mode statique

Les moteurs pas-à-pas peuvent être utilisés comme dispositifs de positionnement. Cette section décrit les performances du moteur dans de telles conditions et les principaux paramètres à prendre en compte.

12. Couple de maintien, courant nominal. Il s’agit du couple statique maximal en Newton.mètre [N.m] généré par le moteur lorsqu’il est alimenté à un courant nominal. En pratique, ce couple peut être mesuré en alimentant une phase au courant nominal et en chargeant le moteur progressivement jusqu’à ce qu’il perde le pas ; il peut également être complété en alimentant les deux phases à l’aide du courant nominal de 2 phases On. Le couple de charge maximal atteint correspond au couple de maintien du moteur.

Lorsque le courant appliqué est supérieur au courant nominal, un facteur de service doit être appliqué pour maintenir la température de la bobine en dessous de la valeur nominale maximale. La saturation se produit lorsque le matériau ferromagnétique ne peut pas conduire plus de champ malgré l’augmentation du courant. Cela signifie qu’au-delà d’un certain niveau de courant de phase, le couple généré par le moteur n’augmente plus proportionnellement au courant. Cependant, les pertes Joule générées dans la bobine augmentent proportionnellement au carré du courant : P_Joule = R x I ^2.

Pour certains moteurs, le couple de maintien peut également être donné à un courant nominal de 1,5 pour apprécier la saturation du circuit magnétique et la possibilité de « booster » le moteur. À partir de la valeur du couple de maintien, on peut définir la constante de couple moteur avec la formule suivante : Kt = T_maintien / I_nominal. La constante de couple n’est habituellement pas définie pour les moteurs pas-à-pas, car le couple de maintien n’est pas un couple censé être atteint.

Même si nous ne parlons pas de constante de couple, la force contre-électromotrice (back-EMF) est indiquée dans de nombreux catalogues. La constante de couple peut être dérivée de la force contre-électromotrice avec la formule suivante : Kt [Nm/A] = Back-EMF [V/rpm] * PI / 30.

13. Amplitude de la force contre-électromotrice. La force contre-électromotrice est le pic de 0 V qui peut être mesuré sur une phase du moteur lorsque celui-ci est repoussé à une vitesse/fréquence de pas donnée (Schéma 4).

Elle est indiquée en volts / 1 000 pas / seconde [V/kpas/s]. Elle peut être convertie en V/ktr/min avec la formule suivante : Back-EMF [V/ktr/min] = Back-EMF [V/kpas/s] x 2 x 2 x N / 60, où N = nombre de paires de pôles.

14. Couple de détente. Également appelé couple résiduel, il est exprimé en Newton.mètre [N.m]. Le couple de détente indiqué dans les catalogues est habituellement une combinaison du couple résiduel dû au circuit magnétique et du couple de friction (friction des roulements à billes ou des roulements à palier). Le couple de détente sans friction est généralement dû à l’attraction des pôles magnétiques du rotor devant les encoches du stator lorsque le moteur est hors tension. Il s’agit d’une 4e harmonique du couple générée par une des phases du moteur.

Le couple de détente peut être utile pour maintenir la position sans mettre le moteur sous tension, ce qui permet d’économiser sur la consommation d’énergie. D’autre part, le couple de détente créera une distorsion du couple total disponible, ce qui n’est pas souhaitable en cas de conduite par micropas.

15. Point de fonctionnement du moteur pas-à-pas et angle de charge. Dans cet exemple, le couple de friction du moteur est négligé. À vide, le moteur ne génère pas de couple, car l’angle électrique entre le champ magnétique du rotor et le champ magnétique du stator est de 0°. Le couple maximal, également appelé couple de maintien, sera généré lorsque l’angle entre ces deux champs sera égal à 90°. Lors du chargement du moteur, il atteint une position d’équilibre où T_moteur = T_charge. .

L’angle de charge entre la position d’équilibre du rotor sous charge et la position d’équilibre théorique du rotor à vide est égal à :

Pour un moteur à N paires de pôles, l’angle mécanique sera égal à :

16. Précision absolue 2 ph. On, mode pas à pas complet. Il s’agit de la déviation angulaire maximale possible par pas complet, par rapport à la valeur d’angle de pas théorique, lorsque le moteur est alimenté en 2 phases On. Il est exprimé en pourcentage [%] de l’angle de pas complet. La précision dépend de plusieurs paramètres, tels que la friction, la distorsion du couple due au couple de détente, la saturation ou les tolérances des pièces mécaniques. Cette erreur n’est pas cumulative.

Performance du moteur en mode dynamique

Il n’est pas aussi facile de déterminer le couple du moteur en conditions dynamiques à une vitesse donnée par calcul littéral qu’avec d’autres technologies de moteur. Comme mentionné précédemment, lorsque le moteur fonctionne en boucle ouverte (c.-à-d. que les impulsions sont envoyées à l'entraînement, une impulsion signifiant un pas ou un micropas), la fréquence d’impulsion représentera la vitesse moteur et nous supposons que le rotor exécutera le mouvement. Pour nous assurer que notre supposition est correcte, nous devons nous assurer que le couple de charge n’excède pas les limites. Pour ce faire, des courbes de couple d'accrochage et de décrochage sont généralement fournies pour chaque moteur pas-à-pas. Veuillez noter que ces courbes sont toujours définies pour un moteur et pour un entraînement spécifique, car les caractéristiques de l'entraînement auront un impact sur les performances du moteur.

17. Couple de décrochage. Le couple de décrochage, ou couple dynamique, est le couple maximal que le moteur peut fournir à une vitesse donnée. Étant donné qu’il n’est pas possible de calculer facilement les performances du moteur à un couple et une vitesse donnés, Portescap fournit une courbe montrant le couple dynamique maximal par rapport à la vitesse. Pour le mesurer, nous atteignons d’abord la vitesse sans charge en augmentant la fréquence de pas. Ensuite, le moteur est chargé jusqu’à ce qu’il perde le synchronisme. Une bonne règle de base consiste à tenir compte d'une marge de sécurité de 30 % basée sur le couple de charge maximal de l’application. Veuillez noter que cette courbe de couple de décrochage dépendra du type de moteur utilisé.

18. Couple d'accrochage. Le couple d'accrochage est la charge de couple maximale qui peut être appliquée au moteur lorsqu'il démarre à une fréquence de pas donnée. Contrairement au couple de décrochage, aucune rampe d’accélération n’est générée pour atteindre la vitesse désirée. Pour mesurer le couple d'accrochage :

a. Le moteur est verrouillé dans une position.
b. Une charge est appliquée au moteur
c. On tente de démarrer à différentes vitesses en générant une fréquence d’impulsion constante (pas de rampe).
d. La vitesse la plus élevée à laquelle le moteur peut démarrer sera la valeur sélectionnée pour créer la courbe.

Le couple d’accrochage dépend de l’entraînement utilisé. Une bonne règle empirique consiste à prendre en compte une marge de sécurité de 30 %.

19. Fréquence de résonance naturelle. Cela correspond à la fréquence de pas complète en pas par seconde ou Hertz [Hz] à laquelle le moteur sera soumis à une instabilité due au phénomène de résonance. Après chaque pas, le rotor oscille et se stabilise à la position angulaire cible en oscillant à sa fréquence naturelle. Faire fonctionner le moteur à la fréquence de résonance peut entraîner une perte de pas voire un recul. Plusieurs options permettent d’éviter la résonance du moteur :

• Il est parfois facile de démarrer à une fréquence plus élevée pour éviter une résonance.
• Si le moteur traverse la fréquence de résonance fondamentale, il est possible de réduire ou d'augmenter le courant pour modifier la fréquence.
• L’entraînement du moteur par micropas permet un fonctionnement plus fluide en diminuant l’amplitude des oscillations, ce qui rend le moteur moins sujet à la résonance. Il est également important de noter que cette fréquence dépend de l’inertie de la charge, selon la formule ci-dessous :

20. Accélération angulaire (courant nominal).Il s’agit principalement d’un facteur de mérite, car il s’agit purement d’un calcul théorique. Il s’agit de l’accélération angulaire maximale en radian/seconde au carré [rad/s^²] du rotor lorsque le moteur est alimenté au courant nominal à vide. Elle peut être calculée à l’aide de la formule suivante : A_max = T_maintien / J_moteur

Conclusion

Même si les moteurs pas-à-pas peuvent être moins intuitifs que d’autres technologies de moteur, ils constituent néanmoins une excellente option pour alimenter un large éventail d’applications. Nous espérons que l’exposé ci-dessus permettra de mieux comprendre les moteurs pas-à-pas, en particulier en ce qui concerne leur technologie, les paramètres clés de performance et la terminologie unique qui les entoure. Les spécialistes du mouvement de Portescap possèdent des dizaines d’années d’expérience dans l’ingénierie de moteurs pas-à-pas destinés aux secteurs médical et industriel. Contactez-nous dès aujourd’hui pour obtenir de l’aide.

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