Moteurs 1 JFA05

LES MOTEURS

A). Présentation :

I ). Schéma fonctionnel :

Un moteur est un élément qui permet de transformer une énergie Electrique (Tension, Courant) en énergie Mécanique (Rotation) caractérisée par son couple utile (T) et sa vitesse ().

II ). Principe de fonctionnement :

On place une spire de fil de cuivre dans le champ d’un aimant. Lorsque les conducteurs sont parcourus par un courant, ils sont soumis à des forces F1 et F2 qui tendent à faire tourner la spire. Le collecteur permet d'inverser le sens du courant dans les conducteurs lorsque ceux-ci passent le plan vertical. Ainsi le sens du couple des forces F1 et F2 et donc le sens de rotation du moteur est conservé.

Moteur

(Transformation Electrique -> Mécanique)

Energie Electrique Fournie

Energie Mécanique Utilisable

Moteurs 2 JFA05

III ). Description interne :

Le stator est la partie fixe ("statique") du moteur: il est constitué d'un électro-aimant alimenté en courant continu, dont le rôle est de produire un champ magnétique. Le stator, fixé sur la carcasse cylindrique du moteur, entoure le rotor. Le stator est aussi appelé "inducteur".

Le rotor, placé à l'intérieur du stator, est la partie tournante ("rotative") du moteur. Il est constitué d'un cylindre portant des bobinages (conducteurs), disposés latéralement sur sa surface. Les extrémités des fils de ces bobinages sont reliées au collecteur, qui entoure l'arbre moteur. Le rotor est aussi appelé "induit".

Le collecteur, monté sur l'arbre du moteur, ressemble à une couronne. Il comporte des contacts métalliques isolés les uns des autres, qui assurent la distribution du courant continu aux bobinages du rotor par l'intermédiaire de deux "balais" (contacts glissants). Ces balais, parfois appelés "charbons", sont reliés à la source de tension continue. L'ensemble collecteur-balais, est la partie la plus fragile d'un moteur.

Moteurs 3 JFA05

On alimente à la fois le stator, qui crée un champ magnétique, et les bobinages du rotor, qui sont donc parcourus par un courant électrique. Or, un conducteur placé perpendiculairement à un champ magnétique et parcouru par un courant est soumis à une force électromagnétique : il se déplace en "fauchant" le champ magnétique. Ce conducteur (ou bobinage) étant solidaire du rotor, celui-ci tourne autour de son axe, ou arbre: il peut alors entraîner une roue, une poulie, une hélice, etc...

IV ). Définitions et caractéristiques générales :

1°). Vitesse :

Elle s’exprime soit en tours par minute (notée n en tr/min), soit en radian par seconde (notée en rd/s).

On a donc :

602.n

avec en rd/s ; n en tr/min

Pour un moteur à courant continu, elle est proportionnelle à la tension d’alimentation.

Moteurs 4 JFA05

n.KE

Les vitesses peuvent varier de 0 jusqu’à 10000 tr/min.

2°). Sens de rotation :

Si le moteur le permet, pour un moteur à courant continu, le sens de rotation dépend du sens d’alimentation du moteur.

3°). Couple utile :

C’est la somme du moment des couples de forces électromagnétiques qui agissent sur la partie tournante. Il s’exprime en newton.mètre (N.m).

d.FT

Pour un moteur à courant continu, il est proportionnel au courant consommé.

I.KT

Exemple : vous êtes en vélo sur du terrain plat; pour avancer à 20km/h, vous appuyez sur les 2 pédales. Vous exercez alors un couple noté Tu sur l'axe du pédalier, puis via la chaîne sur l'axe de la roue arrière, le pédalier oppose un couple résistant Tr.

Si vous tirez une remorque, toujours sur la même route et si vous exercez le même couple, vous irez moins vite car du fait de la remorque, le couple résistant est plus important. Pour rouler à cette même vitesse de 20 km/h il vous faudra appuyer plus fort sur les pédales, donc fournir un couple plus important. Il en va de même pour un moteur de train : plus il y a de wagons, plus le couple résistant Tr est important, plus le moteur devra fournir un couple Tu important pour rouler à la même vitesse. Quand Tr augmente, on dit que la charge du moteur augmente.

4°). Puissance utile :

C’est la puissance mécanique fournie par le moteur. Elle s’exprime par :

.TPu

avec Pu en Watt ; T en Newton.mètre ; en radian par seconde.

5°). Puissance absorbée :

C’est la puissance électrique absorbée par le moteur. Elle s’exprime par :

I.UPa (en continu)

avec Pa en Watt ; U en Volt ; I en Ampère.

La puissance absorbée peut aller de quelques mW à quelques centaines de MW (TGV).

6°). Rendement :

C’est le rapport de la puissance utile sur la puissance absorbée.

Moteurs 5 JFA05

I.U.T

PaPu

η est compris entre 0 et 1 ou s'exprime en % (sa valeur est alors comprise entre 0 et 100 %). Il représente la « qualité » de la transmission de l’énergie électrique en énergie mécanique. Plus il se rapproche de 1, plus le moteur est performant. Il représente indirectement les pertes par frottement et par effet Joule.

Le rendement d’un moteur peut aller jusqu ‘à 90 à 95 %.

V ). Modèle électrique :

Pour faire une étude, il est possible de remplacer un moteur électrique par son schéma équivalent :

R

E

L

IU

En régime permanent, le courant est pratiquement constant, on peut donc simplifier le schéma précédent, par le schéma suivant :

IEU

R

On a donc l’équation suivante :

I.REU

oû E représente la force contre électromotrice du moteur en volts.

R : la résistance équivalente du moteur (Quelques ohms).

VI ). Mesure de courant consommé par le moteur :

On met une résistance en série avec le moteur, pour pouvoir mesurer le courant consommé, donc le couple fourni. Cette résistance doit-être de faible valeur pour ne pas perturber le montage, et de forte puissance pour pouvoir supporter le courant qui traverse le moteur.

RVi

M1MOTOR DC

12

Moteurs 6 JFA05

B). Les différents types de moteurs :

I ). Le moteur à courant continu :

1°). Présentation :

C’est un moteur que l’on alimente avec une tension continue. Il peut être de 2 types :

Soit c’est un moteur à aimant permanent,

Le stator est constitué par un aimant.

Soit c’est un moteur universel.

Le stator est constitué par un bobinage, et il est alimenté en série avec l’induit. Ce moteur fonctionne aussi en alternatif.

2°). Montages de base :

a) Le montage simple :

VCC

SW

12

M1MOTOR DC

12

Le fonctionnement est en tout ou rien. On ne peut pas faire varier ni le sens, ni la vitesse.

b) Le montage commandé :

D1

Commande

VCC

M1

MOTOR DC

12

TR1

Le fonctionnement est en tout ou rien, mais avec une commande en signal carré avec un rapport cyclique variable (Modulation P.W.M. (Pulse Width Modulation)), on peut faire varier la tension moyenne aux bornes du moteur donc sa vitesse. Mais on ne peut pas faire varier le sens.

Moteurs 7 JFA05

T3

Tension Moyenne

tT7

Commande

T8

t

T2 T4 T5

Vitesse Moteur

t

T1 T6

La diode D1 est une diode dite « de roue libre », elle court-circuite la tension inverse induite aux bornes du moteur au moment du blocage du transistor T1, et protège donc celui-ci.

c) Le montage dit « Pont en H » :

Symbolisé par le schéma suivant :

SW4

12

SW3

12

VCC

M1

MOTOR DC

1 2

SW2

12

MarcheHoraire

Marche AntiHoraire

SW1

12

Fonctionnement :

Si on appuie sur le bouton marche Horaire, les interrupteurs SW1 et SW4 se ferment (SW2 et SW3 restent ouverts), le moteur est alimenté, et un courant circule de 1 vers 2.

Moteurs 8 JFA05

MarcheHoraire

SW4

12

VCC

M1 MOTOR DC

1 2SR

V MoteurSW1

12

Si on appuie sur le bouton marche Anti Horaire, les interrupteurs SW2 et SW3 se ferment (SW1 et SW4 restent ouverts), le moteur est alimenté, et un courant circule de 2 vers 1.

V Moteur

SR

SW2

12

VCC

SW31

2

Marche AntiHoraire

M1 MOTOR DC

1 2

Si on appuie sur les deux boutons, il y a court-circuit !

Moteurs 9 JFA05

En pratique :

Pour éviter le problème du court-circuit, on utilise le montage suivant :

R21

U1A23

R1

D2

R3

TR4

R4

Commande

D3

TR3

D4

VCC

D1

TR1

TR2

M1

MOTOR DC

1 2

Ou ce montage :

D3

TR4

&U2A

312

&U2D

111213

M1

MOTOR DC

1 2

EN

D21

U1A2 3

TR2

IN2

D41

U1A23

IN1

R4

D1

TR3

VCC

TR1

R3

R2&U2B

456

&U2C

1089R1

Moteurs 10 JFA05

Table de fonctionnement :

EN In2 In1 TR1 TR2 TR3 TR4 Etat du Moteur

0 0 0 B B B B Arrêt

0 0 1 B B B B Arrêt

0 1 0 B B B B Arrêt

0 1 1 B B B B Arrêt

1 0 0 B S B S Frein

1 0 1 S B B S Sens 1

1 1 0 B S S B Sens 2

1 1 1 S B S B Frein

Moteurs 11 JFA05

d) Les circuits intégrés disponibles : Référence L293E L298N L6202 L6203 L6219 PBL3717A UDN2916B Modèle Standard DMOS Avec limiteur de courant intégré. Désignation 2 ponts H 2 ponts H 1 pont H 1 pont H 2 ponts H 1 ponts H 2 ponts H Datasheet 1328.pdf

(194 Ko) 1773.pdf (185 Ko)

1373.pdf (230 Ko)

1377.pdf (107 Ko)

1430.pdf (188 Ko)

2916.pdf (190 Ko)

Prix Approxim. 5 à 6 € 7 à 11 € 10 à 19 € 14 à 20 € 7 à 12 € 4 à 5 € 7 à 12 € Popularité ** *** ** ** ** *** *** Tension Min - - 12V 12V 10V 10V - Tension Max 36V 46V 48V 48V 50V 46V 45V Courant Max 1A ( x 2 )

2A si t<2ms 2A ( x 2 )

2,5A si t<10mS 3A en parallèle

1,5A 5A si t<1mS

4A 5A si t<1ms

0,75A ( x 2 ) Impulsion démarrage

: 1A

1A 0,75A ( x 2 )

Puissance 5W 25W 5W - - - - Type Boîtier DIP20 Multiwatt15 DIP18 Multiwatt11 DIP24 DIP16 DIP24 Perte Tension 1,8V

2,6V à 1A 3,7V à 2A

1,8V 2,6V à 1A 3,7V à 2A 4,9V à 3A

Entre 0,3 * I et 0,55 * I

Entre 0,3 * I et 0,55 * I

1,4V 2V à 0,75A 2,6V à 1A

1,7V 2,1V à 1A 2,8V

1,8V à 0,5A

Utilisation 3 entrées par pont IN1, IN2 et ENABLE si ENABLE=0 le moteur est libre si IN1=1 et IN2=0 il tourne dans un sens si IN1=0 et IN2=1 il tourne dans l'autre sens si IN1=IN2 frein moteur

3 entrées par pont I0, I1 et PH I0, I1 Pour sélectionner le limite en courant. ( 0A,1/3 Imax, 2/3 Imax, Imax) PH sens de rotation.

Autres composants qui vous seront peut-être utiles : L6506 - 1392.pdf (76 Ko) - Protection courant pour 2 ponts H ( sans pont H ) 3 à 12 € - Popularité ** - DIP28 - S'intercale entre les 2 ponts en H et le microP. UC3637N - 18332.pdf (413 Ko) - Contrôleur moteur DC. 9 à 14 € - Popularité ** - DIP18 L297N - 1334.pdf (102 Ko) - Contrôleur pour moteur pas à pas ( sans pont H ) 13 à 15 € - Pop : *** - DIP20 - Contrôle 2 ponts en H pour moteur pas à pas.

MC3479 - mc3479.pdf (160 Ko) - Contrôleur pour moteur pas à pas avec 2 ponts H 7,5 à 12 € - Pop : ** - DIP16 - de 7,2 à 16,5V- 350mA - perte 2 à 2,8V

BYW98-200 - Pop : **** - Diode de redressement rapide - 1 €

Moteurs 12 JFA05

II ). Le moteur pas à pas :

1°). Introduction :

Le moteur pas à pas est un moteur qui tourne en fonction d’impulsions électriques reçues dans ses bobinages. L'angle de rotation minimal entre deux modifications des impulsions électriques s'appelle un pas. On caractérise un moteur par le nombre de pas par tour (c'est à dire pour 360°). Les valeurs courantes sont 48, 100 ou 200 pas par tour.

Analyse d'un moteur théorique composé d'un aimant permanent (boussole) et de 2 bobinages constitués chacun de 2 bobines.

Le passage d'un courant, successivement dans chaque bobinage, fait tourner l'aimant.

Nous avons créé un moteur de 4 pas par tour.

Les impulsions électriques sont du type tout ou rien c'est à dire passage de courant ou pas de passage de courant. Les tensions d'utilisation des moteurs sont de 3,3V à 48V continues. La consommation est de 0,2 A à 1,5 A. Le couple du moteur est de l'ordre de 5 N. Cm à 64 N. Cm.

L'électronique actuelle permet de piloter la chronologie de ces impulsions avec beaucoup de précision et d'en comptabiliser le nombre.

Le moteur pas à pas et son circuit de commande permettent donc la rotation d'un axe avec beaucoup de précision en vitesse et en amplitude.

Moteurs 13 JFA05

2°). Les types de moteurs

On définit 2 types de moteurs pas à pas en fonction de la polarité de l’alimentation des bobinages :

a) Le moteur bipolaire :

Les bobinages d'un moteur bipolaire sont alimentés une fois dans un sens, une fois dans l'autre sens. Ils créent une fois un pôle nord, une fois un pôle sud d'où le nom de bipolaire. Chaque bobine ne possède que deux fils. Cela complique un peu l'électronique de commande mais permet de renforcer le couple du moteur (ou de réduire son encombrement pour un même couple par rapport à un moteur unipolaire).

b) Le moteur unipolaire :

Les bobinages d'un moteur unipolaire sont alimentés toujours dans le même sens par une tension unique d'où le nom d'unipolaire. Il possède un POINT MILIEU qui est une connexion centrale sur chaque enroulement. Généralement, on relie ensemble les points milieu de chaque bobine. Cela permet une simplification de la commande des moteurs.

c) Les phases :

Les phases correspondent aux différentes sources d'énergies alimentant les bobinages. Généralement un moteur bipolaire est un moteur 2 phases, un moteur unipolaire est un moteur 4 phases.

Moteurs 14 JFA05

Nota : on parle de fonctionnement biphasé quand 2 bobinages sont alimentés en même temps.

3°). La technologie des moteurs pas à pas :

Il existe 3 technologies :

a) Moteur à aimant permanent :

Un aimant permanent est solidaire de l'axe du moteur (rotor). Des bobines excitatrices sont placées sur la paroi du moteur (stator) et sont alimentées chronologiquement. Le rotor s'oriente suivant le champ magnétique créé par les bobines.

Caractéristiques :

• Faible résolution : nombre de pas / tour peu important ;

• Couple d’utilisation plus élevé par rapport au moteur à reluctance variable ;

• Présence d’un couple résiduel lorsque le moteur est hors tension.

b) Moteur à réluctance variable :

Il s'agit d'un moteur qui comporte un rotor à encoches se positionnant dans la direction de la plus faible réluctance. Ce rotor, en fer doux, comporte moins de dents qu'il n'y a de pôles au stator.

Le fonctionnement du moteur est assuré par un pilotage du type unipolaire et l'avance du rotor est obtenue en excitant tour à tour une paire de pôles du stator.

Caractéristiques :

• Bonne résolution ;

• Construction simple mais délicate ;

• Couple développé faible ;

• Absence de couple résiduel avec le moteur hors tension.

c) Moteurs hybrides combinant l'aimant et la réluctance variable :

C’est un moteur qui superpose le principe de fonctionnement des moteurs à aimant permanent et à réluctance variable et combine leurs avantages.

• Bonne résolution ;

• Couple d’utilisation élevé ;

• Grande fréquence de commande ;

4°). Le mode de commande :

On a 4 modes de commande possibles :

a) Le mode 1 en pas entiers :

Pour un moteur unipolaire, on alimente successivement chaque demi-enroulement.

Moteurs 15 JFA05

Pour un moteur bipolaire, on alimente un seul enroulement.

On utilise ce mode à faible vitesse, et pour un couple faible.

b) Le mode 2 en pas entiers :

Pour un moteur unipolaire, on alimente successivement deux demi-enroulements.

Pour un moteur bipolaire, on alimente deux enroulements.

On utilise ce mode à forte vitesse, et pour un couple important.

c) Le mode en demi-pas :

En associant le mode 1 et le mode 2, on obtient un mode en demi-pas, cela permet de doubler la résolution du moteur.

Temps 1

Temps 2 Temps 3 Temps 4

Temps 1 Temps 2 Temps 3 Temps 4

Moteurs 16 JFA05

On utilise ce mode à forte précision, et pour un couple faible.

d) Fonctionnement en micro-pas :

Ce mode est surtout utilisé lors de déplacements de haute précision dans les machines à commande numériques pour des déplacements qui ont besoin d'être synchronisés. Il s'agit de commander les bobines en faisant varier les tensions de commande aux bornes de chaque bobine de façon à supprimer les saccades dues aux pas. Néanmoins, il est impossible d'arrêter le moteur entre deux demi-pas.

Pour ce fonctionnement, le circuit de puissance génère des courants variables dans les bobines durant chaque séquence. Le champ résultant est la composition des champs créés par les 2 bobines.

En faisant varier par échelon le courant dans les bobines, on crée un champ résultant qui semble glisser d'un pas à un autre.

La grandeur des pas est réduite. Les circuits pour micro-pas divisent les pas moteur jusqu'à 500 fois. Les courants dans les 2 bobines ressemblent à 2 courants alternatifs décalés de 90°.

5°). Les circuits intégrés disponibles :

Circuits disponibles SAA1027, LM297, PBD3517

Temps 5 Temps 6 Temps 7 Temps 8

Temps 1 Temps 2 Temps 3 Temps 4

Moteurs 17 JFA05

C). Exercices :

I ). Le montage :

Fort de toutes ces notions concernant les moteurs pas-à-pas, nous allons passer à l'étude du montage.

Le système expliqué ici fonctionne en mode pas entier.

Comme montré sur le schéma ci-dessous, le système est constitué de 4 parties :

Un compteur/décompteur

Un multiplexeur

Des portes NAND

Des transistors qui pilotent les bobines du moteur

VCC

D1

DIODE

VCC

R4

4.7k

Q1TIP110

3

2

1

VCC

R3

4.7k

&U3A

7400

12 3

&U3D

7400

1213 11

D3

DIODE

G2C3

CTRDIV10

[1]

CT=02+G11-

1CT=9

2CT=0

3D[2][4][8]

U1

74193

9101

15

7623

13

12

145

4

11

Q2TIP110

32

1

Q4TIP110

3

2

1

VCC

Sens Horaire

R1

4.7k

J2

CON3

123

0a1a2a3a0b1b2b3b

12

ENa

ENb

X/Y

&

&

U2

74155

7654910111215

14

313

12

Q3TIP110

3

2

1

D4

DIODE

VCC

R2

4.7k

VCC

D2

DIODE

VCC

&U3C

7400

910 8

J1

CON3

123&

U3B

7400

45 6

VCC

Sens Anti Horaire

Schéma

Contrôleur de moteur pas-à-pas sans circuit spécialisé

Le compteur/décompteur, selon l'entrée UP ou DOWN, compte ou décompte de 0 à 3 (ou de 3 à 0) en binaire sur 2 bits (les sorties QA et QB sur le chronogramme).

Le multiplexeur se sert des valeurs (états de QA et QB) que donne le compteur pour mettre à 0 l'une de ses 4 sorties. Chaque sortie sera mise à 0 successivement, les autres restant à 1 (sorties Y0, Y1, Y2 et Y3 sur le chronogramme).

Les portes NAND permettent de maintenir 2 sorties sur 4 à 1 tandis que les 2 autres sont à 0 et ceci dans un ordre bien précis (en quadrature sur les sorties Q1, Q2, Q3 et Q4).

Moteurs 18 JFA05

Les transistors sont directement pilotés par les portes NAND (via une résistance de 4k7) pour fournir un courant suffisant aux bobines du moteur pas-à-pas.

Chronogramme du montage

Moteurs 19 JFA05

LES MOTEURS

Principe de fonctionnement :

Stator :

Moteurs 20 JFA05

Rotor :

Balais et Collecteur :

C’est la puissance mécanique fournie par le moteur. Elle s’exprime par :

Moteurs 21 JFA05

Montage Commandé

Montage :

D1

Commande

VCC

M1

MOTOR DC

12

TR1

Chronogrammes :

Vitesse Moteur

T7

t

t

T2 T4

Commande

T1 T6

Tension Moyenne

T3 T8T5 t

Moteurs 22 JFA05

Pont en H

Schéma :

SW4

12

VCC

SW2

12

Marche AntiHoraire

SW1

12

SW3

12

M1

MOTOR DC

1 2

Marche sens Horaire :

SW4

12

VCC

M1 MOTOR DC

1 2SR

V MoteurSW1

12

Marche sens Anti Horaire :

V Moteur

SR

SW2

12

VCC

SW31

2

M1 MOTOR DC

1 2

Moteurs 22 JFA05

Montages Pratiques

Montage de Base :

R21

U1A23

R1

D2

R3

TR4

R4

Commande

D3

TR3

D4

VCC

D1

TR1

TR2

M1

MOTOR DC

1 2

Montage « évolué » :

D3

TR4

&U2A

312

&U2D

111213

M1

MOTOR DC

1 2

EN

D21

U1A2 3

TR2

IN2

D41

U1A23

IN1

R4

D1

TR3

VCC

TR1

R3

R2&U2B

456

&U2C

1089R1

Moteurs 23 JFA05

Table de fonctionnement :

EN In2 In1 TR1 TR2 TR3 TR4 Etat du Moteur

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

Moteurs 24 JFA05

Moteur pas à pas

Présentation d’un moteur de 4 pas par tour :

Types d’un moteur pas à pas :

Moteurs 25 JFA05

Mode de commande des Moteurs pas à pas

Le mode 1 en pas entiers :

Le mode 2 en pas entiers :

Le mode en demi-pas :

Temps 2 Temps 3 Temps 4

Temps 1 Temps 2 Temps 3 Temps 4

Temps 5 Temps 6 Temps 7 Temps 8

Temps 1 Temps 2 Temps 3 Temps 4

Temps 1

Moteurs 26 JFA05

Exercice

VCC

D1

DIODE

VCC

R4

4.7k

Q1TIP110

3

2

1

VCC

R3

4.7k

&U3A

7400

12 3

&U3D

7400

1213 11

D3

DIODE

G2C3

CTRDIV10

[1]

CT=02+G11-

1CT=9

2CT=0

3D[2][4][8]

U1

74193

910

115

7623

13

12

145

4

11

Q2TIP110

3

2

1

Q4TIP110

3

2

1

VCC

Sens Horaire

R1

4.7k

J2

CON3

123

0a1a2a3a0b1b2b3b

12

ENa

ENb

X/Y

&

&

U2

74155

7654910111215

14

313

12

Q3TIP110

3

2

1

D4

DIODE

VCC

R2

4.7k

VCC

D2

DIODE

VCC

&U3C

7400

910 8

J1

CON3

123&

U3B

7400

45 6

VCC

Sens Anti Horaire

Moteurs 27 JFA05

Chronogrammes