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Tout, vous saurez tout sur les moteurs pas-à-pas…

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Introduction Objectif

Description

Les moteurs pas-à-pas à courant continu sont des moteurs qui bougent en effectuant des pas courts. On peut même parler de résolution du moteur en fonction du nombre de pas qu’il effectue sur un tour. La plupart des moteurs pas à pas ont une résolution de 200 pas/tours. Ces moteurs sont composés de plusieurs bobines organisées en groupes que l’on appelle des « phases ». En alimentant chacune des « phases » de manières séquentielles, le moteur va se mettre à tourner en effectuant 1 pas à la fois.

Objectifs

Ce guide vous aidera à comprendre comment ils fonctionnent et à choisir le bon moteur en fonction de votre projet.

Domaines de prédilections et limitations

Quels sont les domaines de prédilections des moteurs pas-à-pas ?

Positionnement – C’est le domaine d’excellence de ce type de moteur. Etant donné qu’ils se déplacent en effectuant des pas précis, ils sont utilisés dans toutes les applications qui requièrent des mouvements et positionnement extrêmement précis comme dans les imprimantes 3D, les CNCs, les plateformes pour appareils photos, … Certains lecteurs de disques utilisent également ce type de moteurs pour positionner leurs têtes de lecture/écriture.

Speed control – Les pas précis incrémentaux permettent un contrôle précis de la vitesse de rotation. Ce qui en fait d’excellent moteurs pour les applications robotiques ou d’automatisation.

Couple à basse vitesse – Les moteurs à courant continu ont en général un couple assez faible à basse vitesse. Les moteurs pas-à-pas possèdent leur couple maximum à faible vitesse. Ils sont donc d’excellent choix pour les applications qui requièrent une faible vitesse mais une grande précision.

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Quels sont les limitations de ces moteurs ?

Faible rendement – Au contraire des moteurs à courant continu classiques, les moteurs pas-à-pas consomment un maximum de courant quand ils ne font rien. A cause de cela, ils ont tendance à chauffer.

Couple limité à haute vitesse – En général, les moteurs pas-à-pas ont moins de couple à haute vitesse qu’ils n’en ont à basse vitesse. Certains moteurs sont optimisés pour avoir de meilleure performance à haute vitesse, mais ils demandent dans ce cas d’être couplés à un contrôleur approprié afin d’obtenir de telles performances.

Pas de retour – Au contraire des servos, la plupart des moteurs pas-à-pas n’ont pas de retour intégré sur leur position. Cela n’empêche nullement d’obtenir une grande précision en travaillant en boucle ouverte. Des interrupteurs de limites et des détecteurs de points initiaux sont en général utilisés pour établir un point de référence initial.

 

Les types de moteurs pas-à-pas

Il existe une grande variété de moteurs pas-à-pas, dont certains requièrent l’utilisation de contrôleurs spécifiques. Pour la simplicité de ce tutoriel, nous allons nous concentrer uniquement sur les moteurs qui utilisent des contrôleurs classiques que l’on peut facilement se procurer. Ceux-ci sont les moteurs pas-à-pas à aimants permanents ou hybrides, ceux-ci incluent à deux phases bipolaires ou à quatre phases unipolaires.

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Parce que la taille, ça compte…

Une des premières choses à considérer est le type de travail que le moteur devra accomplir. Comme vous vous en doutez, les plus gros moteurs seront capables de fournir plus de puissance. Les moteurs pas-à-pas ont des formats qui varient du plus petit au monstrueux format NEMA 57.

Ces moteurs ont un niveau de couple. C’est ce que vous devez regarder pour savoir si le moteur sera capable de fournir assez de force pour le travail qu’il aura à accomplir.

Le format NEMA 17 est la taille couramment utilisée dans les imprimantes 3D et les petites fraiseuses numériques. Les plus petits moteurs sont utilisés dans beaucoup de robots et d’animatronics. Les plus gros formats NEMA sont couramment utilisés dans les grosses fraiseuses et dans les applications industrielles.

Le format NEMA définit des tailles standards de façade pour la fixation des moteurs. Ce format ne définit aucunement les caractéristiques mécaniques de ceux-ci. Deux moteurs au format NEMA 17 peuvent avoir des caractéristiques électriques et mécaniques complètement différentes et ne sont pas forcément interchangeables.

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Le comptage des pas ou la résolution

Ce qu’il faut considérer lorsque vous choisissez un moteur pas-à-pas, c’est la précision de déplacement de celui-ci. La résolution d’un moteur pas-à-pas est le nombre de pas qu’il fait en une révolution. On trouve des moteurs qui vont de quatre pas à quatre cents pas. Les nombres de pas les plus communs sont 24, 48 et 200.

La résolution est souvent exprimée en degrés. Un moteur de 200 pas a, par exemple, une résolution de 1.8°.

La résolution est inversement proportionnelle à la vitesse et à la puissance délivrée. Il vous faudra donc faire un choix entre un moteur avec une haute résolution ou un couple et une vitesse maximale. Vous pouvez bien entendu toujours trouver des plus gros moteurs plus gourmands qui vous permettront de compenser cette faiblesse.

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Les engrenages

Un autre moyen d’augmenter la résolution d’un moteur pas-à-pas est d’utiliser un système d’engrenages. Un système d’engrenages avec un démultiplicateur de 32 :1 appliqué à un moteur à 8 pas, permet de passer à un moteur qui aurait une résolution de 512 pas.

Un système d’engrenages permet aussi d’augmenter le couple d’un moteur. Certains très petits moteurs sont capables de sortir de très gros couples. Néanmoins, cela se fait au détriment de la vitesse de rotation. C’est pourquoi les moteurs pas-à-pas avec engrenages sont généralement confinés dans des usages qui requièrent une faible vitesse de rotation.

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Après le gangnam style, le shaft style ou les différents types d’arbres

Un autre point à considérer : la manière dont le moteur va interagir avec le montage au sein du projet. Les moteurs sont disponibles avec une large variété d’arbres.

Arbre rond ou « D » – Ceux-ci sont disponibles dans une large variété de diamètre standard et il y a un grand nombre de poulies, engrenages et d’arbres peuvent s’y adapter. Les moteurs à arbres rond ont un côté plat qui évite que les montages glissent. Ce sont les arbres idéaux quand vous avez besoin de beaucoup de couples.

Arbres à engrenages – Certains arbres possèdent des crans d’engrenages directement sur leur arbre. Ils sont généralement conçus pour se greffer sur des systèmes complets d’engrenages.

Arbres à vis-mère – Les moteurs avec arbres à vis-mère sont utilisés pour créer des actionneurs linéaires. Des versions miniatures de ces moteurs sont utilisées comme positionneur de tête dans beaucoup de lecteurs de disques.

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Le câblage

Il y a beaucoup de variations dans le câblage des moteurs pas-à-pas. Dans le but de simplifier notre propos, nous allons nous concentrer sur les moteurs qui peuvent être pilotés avec des contrôleurs standards. Ce sont les moteurs à aimants permanents ou hybrides câblés en 2 phases bipolaires ou 4 phases unipolaires.

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Des bobines et des phases

Un moteur pas-à-pas peut avoir à peu près n’importe quel nombre de bobines. Mais elles sont généralement connectées par groupes qui sont appelées des phases. Toutes les bobines d’une phase sont alimentées ensemble.

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Unipolaire vs bipolaire

Alimentation unipolaire – Ils alimentent toujours les phases de la même manière. Une borne, la borne « commune », sera toujours la borne négative. L’autre borne sera toujours la borne positive. Un contrôleur de ce type peut être fabriqué à partir d’un simple circuit à transistors. L’inconvénient de ce type d’alimentation est que le moteur perd en couple étant donné que seule une moitié des bobines sont alimentées à la fois.

Alimentation bipolaire – Ce type d’alimentation utilise un pont H pour inverser le courant dans les phases. En alimentant les phases avec des polarités alternées, toutes les bobines peuvent être utilisées en même temps pour faire tourner le moteur.

Un moteur bipolaire à deux phases a deux groupes de bobines. Un moteur unipolaire à quatre phases en a quatre. Un moteur à deux phases bipolaires possède quatre fils (deux pour chaque phase). Certains moteurs sont fournis avec un système de câblage flexible qui permet de faire tourner le moteur soit en bipolaire ou en unipolaire.

Moteurs à 5 fils

Ce style de moteur est commun dans les petits moteurs unipolaires. Tous les fils de la bobine commune sont attachés ensemble à l’intérieur et sortent du moteur comme un 5ème fil. Ce type de moteur peut seulement être piloté en tant que moteur unipolaire.

Moteurs à 6 fils

Ce style de moteur attache les câbles des bobines ensemble par paire. Ces deux câbles peuvent être attachés ensemble pour créer un moteur unipolaire à 5 câbles.

Moteurs à 8 fils

Le moteur unipolaire à 8 fils est le plus flexible de tous. Il permet d’être câblé de plusieurs façons. 4 phases unipolaire – Tous les fils communs sont connectés ensemble – comme dans un moteur à 5-fils. 2 phases bipolaires en série – Toutes les phases sont connectées en séries. Comme dans un moteur à 6-fils. 2 phases bipolaires en parallèle – Les phases sont connectées en parallèle. Cela se traduit par la moitié de la résistance et de l’inductance – mais cela nécessite deux fois plus de courant. L’avantage de ce type de câblage est de maximiser le couple et la vitesse maximale.

Piloter un moteur pas-à-pas

Piloter un moteur pas-à-pas est légèrement plus compliqué que de piloter un moteur standard. Ces moteurs requièrent un contrôleur de pas capable de générer les phases d’alimentation de manière séquentielle dans le temps pour faire tourner le moteur.

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Contrôleur simple unipolaire

Le contrôleur le plus simple que l’on puisse construire avec une poignée de transistors. Ce sont de simples interrupteurs marche/arrêt qui sont alimentés phase par phase et qui font faire des pas au moteur. Les contrôleurs unipolaires sont relativement bon marché à fabriquer, mais ils fonctionnent uniquement avec des moteurs unipolaires. Il existe un excellent tutoriel sur la manière d’en piloter un sur le site Arduino (en anglais) en utilisant un petit moteur que l’on trouve sur les vieux lecteurs de disquettes.

Tutoriel

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Contrôleur simple en double pont H

Piloter un moteur bipolaire nécessite deux ponts H complets afin qu’il puisse inverser le courant dans les phases. Construire des ponts H à base depuis rien peut s’avérer difficile. Heureusement, il existe une pléthore de puces avec des ponts en H ce qui simplifie la tâche.

La puce L293D est l’une des puces les plus populaires et les plus économiques qui existe. Elles peuvent être trouvées au cœur de la plupart des premières générations de cartes, incluant le populaire Adafruit Motor Shield V1.

Il y a un excellent tutoriel sur la manière d’utiliser une puce L293D avec un Arduino sur le site d’apprentissage d’Adafruit (en anglais).

Tutoriel Adafruit

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Adafruit Motor Shield V2

L’Adafruit Motor Shield V2 est un grand pas depuis le contrôleur de base L293D. La carte V2 utilise deux contrôleurs TB6612 MOFSET. Comparer au L293D, le TB6612 offre deux fois plus de capacité d’alimentation et des chutes de tension bien moindre pendant le pilotage de vos moteurs. Ce qui devrait grandement vous faciliter la vie.

Avec un total de deux puces de pilotage et 4 ponts H complets. Chaque carte peut contrôler jusqu’à deux moteurs pas-à-pas. Chaque puce de pilotage est interfacée avec une puce de contrôle de modulateur de fréquence avec une interface I2C. Cela libère beaucoup de pins GPIO pour d’autres usages et cela permet aussi de pouvoir empiler les cartes. Vous pouvez empiler jusqu’à 32 cartes pour contrôler 64 moteurs avec juste 2 pins d’E/S.

Des détails complets sur ce pilote peuvent être trouvés sur le site d’apprentissage d’Adafruit (en anglais).

Tutoriel Adafruit

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Contrôleurs avancés pour fraiseuse numérique

Les cartes de contrôles pour fraiseuses numérique GShield et TinyG vous emmènent un pas plus près des performances des contrôleurs de type industriels. Ces cartes proposent des fonctionnalités de gestion du courant constant qui permettent de tirer le couple maximum et la meilleure vitesse de vos moteurs.

Les fonctionnalités du TinyG CNC (fraiseuse numérique) embarquent un interpréteur de G-Code et quatre sorties pour moteur. Cela permet d’embarquer ce type de solution dans des petites ou moyennes fraiseuses numériques à quatre axes.

Comme vous pouviez vous y attendre, ces cartes avancées et de hautes performances sont plus complexes à utiliser et sont recommandées aux utilisateurs avancés.

Des détails sur ces cartes et la manière de les utiliser peuvent être trouvés sur le Wiki de TinyG et les forums de Synthetos (en anglais).

Wiki Synthetos

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Faire correspondre le contrôleur et le moteur

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Nous arrivons maintenant à la partie la plus importante du tutoriel : être sûrs que le moteur et le contrôleur sont compatibles. Une erreur dans le choix du contrôleur et du moteur peut mener à des performances déplorables ou pires à endommager votre moteur ou votre contrôleur.

Si vous faites le mauvais choix, vous pourriez voire apparaître monsieur flamme bleu.

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Voici donc les commandements du parfait petit pilote de moteur pas-à-pas.

Apprend les capacités de ton contrôleur

Les deux caractéristiques principales à connaître au niveau d’un contrôleur sont :

  • Le voltage – Le voltage maximum que votre contrôleur est capable de fournir à vos moteurs.
  • L’ampérage maximum continu – Le courant maximum que le contrôleur peut fournir au moteur en continu.

Le courant de pointe n’est pas applicable aux moteurs pas-à-pas. Il faut toujours vous référer au courant fourni en continu.

Apprend les spécifications de ton moteur

Vous aurez toujours besoin de connaître deux paramètres concernant vos moteurs.

Ces deux paramètres importants sont :

  • L’ampérage par phase – C’est le courant maximum que le moteur peut recevoir sans surchauffer.
  • La résistance par phase – C’est la résistance de chaque phase.

Le voltage est souvent donné par le constructeur. Il est souvent calculé à partir des deux paramètres ci-dessus. Il est préférable de le calculer par vous-même via la formule de la loi d’Ohms avec les paramètres suivants :

ohms

Obéir à la Loi d’Ohm

Les moteurs pas-à-pas sont des inducteurs, ils vont donc résister aux changements rapides dans le flux du courant. Mais à la fin de chaque phase ou lorsque le moteur ne bouge pas, ils vont se comporter comme une résistance pure et vont agir en conformité avec la loi d’Ohms.

Rester en position statique est ce qui fait consommer le plus de courant à un moteur pas-à-pas. De ce fait, la loi d’Ohms permet de calculer la capacité demandée par le moteur.

Voltage = Courant x Résistance

Ou

Courant = Voltage / Résistance

Certains types de moteurs ont une très faible résistance au niveau de leur bobine. Ce qui fait que si vous suivez à la lettre les formules ci-dessus, vous vous retrouverez avec un courant de 5 volts voir moins et donc vos performances seront très mauvaises. Ce type de moteur n’est pas le bon choix pour des contrôleurs à voltage constant. Ces moteurs demandent des contrôleurs spécialisés.

Outrepasser la Loi d’Ohm

Il n’est pas possible de tricher avec la loi d’Ohm. Si vous essayez, vous rencontrerez l’ami flamme bleue. Néanmoins, il y a d’autres lois en jeu dans ce contexte. Connaître les lois de Lenz, Faraday et Ohm peut vous aider à augmenter les performances de vos moteurs.

Les bobines de moteur pas-à-pas créent un champ magnétique lorsqu’elles sont alimentées. Selon la loi de Faraday, les fluctuations dans le champ magnétique induisent un courant dans la bobine. Et selon la loi de Lenz, ce courant ira dans le sens contraire du courant qui a créé le champ. Ce courant connu sous le nom de « Contre force électromotrice » ou « Back EMF ».

Cette contre force augmente l’impédance (résistance) de la bobine. Bien que la loi d’Ohm s’applique maintenant non plus sur la résistance de phase mais bien sur l’impédance de phase + l’impédance de la force de contre-courant.

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Circuit à commande de découpage

Un circuit à découpage ou courant constant compense la contre force électromagnétique en pilotant le moteur à un plus haut voltage que celui pour lequel il est prévu. Il n’est pas inhabituel de piloter des moteurs pas-à-pas à des voltages plusieurs fois supérieurs à leur voltage nominal en utilisant un circuit de découpage.

Pour rester dans des marges de sécurité à ces voltages élevés, le circuit de découpage surveille le courant envoyé au moteur et le coup juste avant qu’il excède une valeur prédéfinie.

En démarrant à un voltage plus élevé, le découpeur est capable de fournir plus de courant aux bobines au moment du démarrage du pas, augmentant de ce fait le couple disponible. En plus de fournir plus de couple à faible vitesse, cela permet aussi d’obtenir des vitesses maximales plus élevées.

Choisir un découpeur de courant, et le configurer pour un moteur spécifique demande une très bonne connaissance à la fois du moteur et du contrôleur.

Ressources

Voici quelques ressources très utiles concernant les moteurs pas-à-pas (en anglais) :

Une réflexion au sujet de « Tout, vous saurez tout sur les moteurs pas-à-pas… »

  1. merci d’avoir fait ce cours en ligne.
    En retour, je vous adresserai les photos des applications issues de votre cours.

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