pas a pas.pdf

cours Moteur Pas Pas section Mcatronique 2008 T.MALO

45

VIII) Les Moteurs pas pas :

A) Prsentation Le moteur pas pas date des annes 60 avec la venue des

microprocesseurs. Bien quil soit assez utilis dans beaucoup de pays industrialiss il a toujours eu du mal simplanter en France.

Quest ce quun moteur pas pas : Les moteurs pas pas sont des moteurs dont laxe tourne dun angle = 2.pi/p pour une impulsion de commande. p est le nombre de pas de valeurs courantes 48, 100, 200 (jusqu 1000 pas/tr). Le nombre de pas indique que le rotor fera 1 tour pour p impulsions de commande.

Ce moteur apparat comme linterface numrique-mcanique idale car il est command par des impulsions ou des tats logiques. Contrairement aux autres moteurs, ou la rotation est continue, la rotation est discrte et saccade.

o Il est utilis en robotique o il ne ncessite pas dentretien, il ne dispose pas de balais-collecteur

comme la MCC. o On le trouve jusqu' une puissance de qq kW mais son utilisation est

rserve pour les applications de faible puissance.

On rencontre 3 types de moteur pas pas qui se diffrencient par le stator :

o Unipolaire o Bipolaire

et le rotor : o A aimant permanent o A rluctance variable o hybride.

B) Constitution Les moteurs pas pas sont constitus dun rotor et dun stator.

Un stator compos dune multitude de bobines alimentes par une tension continue

Dun rotor

M


46

On rencontre les moteurs pas pas unipolaire et bipolaire qui se diffrencient par la structure de leur stator et leur commande.

STATOR unipolaire STATOR bipolaire

Les moteurs unipolaires ont : - 5 fils

- 6 fils

On rencontre les moteurs pas pas aimant permanent, rluctance variable, hybride. Ils se diffrencient par le type de rotor :

o Dun aimant qui a lavantage davoir un couple (faible) larrt sans alimentation. Ils ne sont pas chers et le nombre de pas est limit environ 100 pas par tour.

Les moteurs bipolaires ont 4 fils :

Rotor aimants


47

Structure tincan : moteur aimant 48 pas/tour.

o Dune masse mtallique : moteurs pas pas rluctance variable. Ils sont moins puissants mais plus rapides

Les avantages des moteurs rluctance variable MRV rsident dans labsence daimants qui les rendent trs conomiques et aptes aux environnements trs svres, en particulier en tempratures extrmes. En outre, lorsquil ny a pas de courant dans les phases, ils ont un couple nul (pas de couple de dtente) ce qui est recherch dans certaines applications (dans dautres, le couple de dtente est souhait). En outre, ils permettent dobtenir des acclrations leves grce la faible inertie du rotor.

Il faut que le nombre de ples au rotor soit diffrent du nombre de ples au stator


48

o Hybride : aimant + rluctance. Ils sont rapides et puissants et un nombre de pas de 48 1000 pas/tour. Ils sont chers.

Aprs les annes 80, sont apparus les moteurs contenant des aimants. Les moteurs aimants permanents et hybrides sont les plus utiliss. On rencontre ces derniers couramment en 200 pas/tour et aliments par des tensions de forme carre et damplitude 12 24 V. Lordre de grandeur de la vitesse maximale que peut atteindre le rotor avec un moteur pas pas est de 6000 tr/mn. Il existe aussi des moteurs pas pas dplacement linaire :

Exemple de moteur Portescap (suisse) :

Remarque : Les moteurs pas pas sont robustes et plus particulirement les moteurs rluctance

variable. Des recherches sont en place sur les moteurs rluctance variable car il semble adapt aux motorisations nautiques pour des puissances infrieures 10 KW. Ils sont alors associs un codeur incrmental qui permet lalimentation des phases au bon moment.

On rencontre des moteurs pas pas prvus pour des environnements extrmes, espace, salle blanche, plage de temprature 270 C 300C.

Les moteurs hybrides permettent davoir un nombre de pas plus important que les moteurs aimants

Rapport performance/prix le plus lev.

rotor stator


49

Comparaison des performances des 3 types de moteurs pas pas :

Moteur aimant Moteur rluctance variable

Moteur hybride

Rsolution Assez peu leve 100 pas/tr

bonne La plus leve 400 pas/tr

Inertie Assez leve (aimant)

La plus faible faible

Couple Elev faible Le plus lev Puissance Des dizaines de W Quelques W Quelques kW

Couple larrt Non nul nul Non nul

Sens de rotation Il dpend du sens du courant et de lordre dalimentation des bobines

Il dpend uniquement de lordre dalimentation des bobines

Il dpend du sens du courant et de lordre dalimentation des bobines

C) Utilisation Les moteurs pas pas taient utiliss dans le pass car ils permettaient dobtenir de bonne

prcision en positionnement sans asservissement. Ils sont remplacs par des moteurs brushless associ une rgle permettant un asservissement en position.

Les moteurs pas pas sont utiliss pour les applications de faible puissance, petites dimensions ( relativement < 5 KW ) sans chane de retour, en gnral, ce qui apporte les avantages suivants :

o diminue le temps dtude o le prix de revient de lensemble o ils sont toujours stables o augmente la fiabilit o donne la possibilit de synchronisation entre plusieurs moteurs pas pas.

Nanmoins ne perdons pas lesprit que les systmes non asservies ne permettent pas de compenser les perturbations et de corriger des disfonctionnements comme les pertes de pas. Il doit par consquent tre utilis lorsque la charge est parfaitement connue comme par exemple le disque dur dun ordinateur.

En pratique ils sont utiliss avec un variateur, appel translateur ou indexeur,

Les moteurs les plus utiliss sont les moteurs hybrides

Ils sont utiliss lorsque quon dsire un systme de positionnement lectromcanique conomique.


50

pour les petites puissances de lordre de 10 Watts on utilise un microcontrleur associs des circuits lectroniques ce qui est intressant pour un faible prix de revient.

exemple imprimante :

On rencontre le moteur pas pas aussi dans : les montres

les tables traantes, les pousses seringues lhpital, lecteurs de disquettes, scanners, fax, photocopieurs, machines crire, imprimantes bancaires, petites machines outils, distributeurs de boissons dalimentation, machines de jeu, positionnement de camra, orientation dantennes, certains appareils photos, lecture de tickets mtro

Ces moteurs conviennent bien pour des systmes de prcision, sans asservissement, jusqu des puissances de lordre de 4 KW, des vitesses de 6000 tr/mn (en mode pas) un couple maximum de 50 N.m . Cependant il faut nouveau le prciser ces moteurs sont utiliss seulement pour les petites puissances (50 W).

Fixe le sens de rotation

Un coup dhorloge provoque le dplacement de laxe dun pas

Dplacement en pas ou pas entier.

Moteur pas pas bipolaire

C ou

microncontroleur


51

D) Commande dun moteur pas pas Le principe gnral est dalimenter une aprs lautre une bobine.

Commande du moteur aimant permanent unipolaire :

Noubliez pas que lorsque un courant circulera dans une bobine les dents du stator se placeront en face de celle du stator.

Mise en rotation du moteur pas pas unipolaire : Une seule bobine la fois est alimente.

La bobine A est alimente La bobine C est alimente

La bobine B est alimente La bobine D est alimente

+ 24 V continue par exemple

+ 24 V + 24 V

+ 24 V + 24 V

Bobines au stator

Interrupteurs, transistors


52

On remarque que 1 seule phase la fois est alimente, les 3 autres bobines ne sont pas utilises faible couple massique mais ils ne sont pas chers.

Commande du moteur aimant permanent bipolaire : Le rotor aimant permanent va avoir tendance saligner sur la bobine alimente. En alimentant tour tour chaque bobine on provoque le dplacement du rotor.

On distingue 3 modes de fonctionnement : mode pas entier mode demi-pas mode micro-pas

En mode pas entier une seule phase la fois est alimente ce qui ne permet pas davoir le couple maximum. Il est possible dalimenter 2 phases en mme temps afin davoir un couple plus important ( 2 fois plus). On remarque que la prcision nest pas au rendez vous car nous ne disposons que de 4 positions donc 360/4 = 90 de prcision.

Pour que l axe tourne il faudra alimenter les bobines dun moteur pas pas bipolaire dans lordre suivant :

IB1 IB2 inclinaison + 0 Cas 1 0 0 + Cas 2 90 - 0 Cas 3 180 0 - 270

+ 24 V

Les 4 interrupteurs sont souvent des transistors bipolaires monts en pont en H.

S

S

S N

NS

Ib1

Ib2

Ib1

Ib2

Dans ces cas il ny a pas de charge mcanique


53

Comment augmenter la dfinition en position ? On peut choisir :

un moteur ayant un grand nombre de dents/tour agir sur les tensions de commande

o Une solution est daugmenter le nombre de ples au rotor, le nombre de dents.

Le nombre de pas par tour est donn par q.Nr avec q le nombre de dents et Nr le nombre de ples

Pour multiplier le nombre de pas il faut augmenter le nombre de dents.

Exemple dun moteur 12 pas par tour.

3 ples 4 dents

Le nombre de pas par tour est de 200


54

Autres structures : le moteur pas pas multistack

o On peut agir sur la commande laide des mode demi-pas et mode micro-pas.

le mode demi-pas est le suivant : En alimentant 2 bobines en mme temps.

On appelle ce mode de fonctionnement fonctionnement en pas par opposition au mode prcdent pas entier . En pas, on a augment la dfinition de 2 mais le couple dpend de la position il sera environ 1,4 fois plus grand lorsque 2 bobines seront alimentes.

IB1 IB2 inclinaison Step ? + 0 Cas 1 0 + + 45 0 + Cas 2 90 - + 135 - 0 Cas 3 180 - - 225 0 - 270 + - 315


55

o Mode micro-pas : En alimentant les bobines par des tensions quasi sinusodales ainsi il est possible toutes les positions sur laxe.

Chronogrammes des tensions des phases

Attention : ces modes de fonctionnement diminuent la rsolution mais pas la prcision de la position.

Ce mode de fonctionnement est appel micro pas. Le micro-pas sera de 1/4 pas soit une dfinition de 360/16 = 22,5.

t

tension dalimentation dune phase

tension dalimentation de lautre phase

1 pas

t

t

Tensions relles appliques aux bornes des 2 phases.


56

Remarque : Le mode 10 pas/pas est souvent employ car il permet une forte diminution des vibrations et du bruit. Le fonctionnement en pas permet un dplacement trs basse vitesse.

Remarque : Nous verrons que ce mode de fonctionnement est celui des machines synchrones.

E) Avantages, Inconvnients du moteur pas pas :

Lavantage essentiel du moteur pas pas est de travailler en boucle ouverte.

E) Equations lectromcaniques du moteur pas pas :

Le couple : Il dpend : o du courant I traversant les bobines o de la position du rotor/stator o de la vitesse (indirectement)

Plus le rotor sera charg et plus il scartera de la position fixe de = arcsin( C/Cmax). Donc la position sera exacte si et seulement si le couple rsistant est nul.

Si le couple rsistant dpasse le couple maximum alors le moteur dcroche et il ne tourne plus.

Prcision en vitesse et position :

- La vitesse de laxe suit exactement la frquence des impulsions (horloge) de commande.

C = .I.sin = Cmax. sin

Zone stable

AVANTAGES

Ne ncessite pas dasservissement en vitesse.

Bien adapt au numrique Commande simple : 1 impulsion

correspond un lment de dplacement diminue le temps dtude. couple larrt (sauf moteur

rluctance variable) pas dentretien, pas dusure donc

grande dure de vie grande stabilit en vitesse salimente en tension continue

INCONVENIENTS

On ne connat jamais la position exacte de laxe car elle dpend du Cr.

Couple et vitesse faible Le dplacement est saccad Perte de pas P < 5 KW Faible couple massique Couple dcrot rapidement avec la

vitesse Utilis lorsque la charge ne varie

pas Grand consommateur dnergie

Cmax


57

- la prcision en position (en boucle ouverte) dpend - du nombre de pas

- du couple rsistant Cr de la charge.

F) Fiche caractristique : Moteur CROUZET 48 pas/tour dun diamtre daxe 48 mm aliment en 12 V.

Type de moteur pas pas

Rsistance par phase ( )

Inductance par phase (mH)

Intensit par phase (A)

Couple de maintien (mN.m)

Bipolaire 26.7 93 0.48 300 Unipolaire 26.7 40 0.48 240

Remarque : Le couple de dtente est le couple de maintien lorsque les bobines ne sont pas alimentes. Il est nul pour les moteurs rluctances variables.

Cr

Position que devrait avoir le rotor Position relle du

rotor

Lintensit par phase est lintensit du courant larrt qui provoque lchauffement max admissible.

Le couple de maintien est le couple larrt lorsque les bobines sont alimentes.


58

Exemple de dsignation :

G) Dmarrage. Les moteurs pas pas sont capables de dmarrer sans assistance lectronique

(asservissement ou autopilotage) et la vitesse de rotation du rotor dpend de la frquence dalimentation des bobines du stator. Ils sont toujours utiliss avec un circuit ou un micro contrleur qui permet une commande extrmement simple de la rotation.

Pour dmarrer il faudra que le couple moteur soit > au couple rsistant et que linertie J soit faible afin que le rotor ait le temps datteindre la future phase alimente.

La position : La position nest pas atteinte instantanment et elle prsente des oscillations qui dpendent des caractristiques mcaniques de la charge (inertie et Cr).

Position vide :

Ces oscillations peuvent provoquer des pertes de pas si on commande un dplacement au moment ou le rotor sloigne. Il existera une vitesse pour laquelle le couple moteur seffondrera cause des oscillations qui dpendent de la charge.

t

oscillation de la position du rotor

Alimentation de la phase 1 Alimentation de la phase 2

Position vide

L'quation mcanique: Cm Cr = J.d/dt + fv. .I.sin - Cr = J.d/dt + fv.


59

Lamplitude des ces oscillations sont rduites en mode pas ou micro pas ou laide dun asservissement.

A vide avec frottement visqueux :

Le frottement visqueux diminue ces oscillations.

En charge avec J lev :

Conclusion : Le couple acclrateur, ou dynamique (pull over torque) est rduit le temps de dplacement est lev.

Position avec du frottement visqueux


60

H) Commande vitesse variable dun moteur pas pas.

La vitesse : Elle est en rapport direct avec le nombre dimpulsions appliques la commande. Le rotor tourne donc en synchronisme avec le nombre dimpulsions.

En pratique on utilise, en pratique, un variateur de vitesse ou une structure lectronique (voir TD).

Pour un moteur pas pas de 200 pas/tour command en pas entier il faudra 200 impulsions pour faire un tour ou une frquence de 200 Hz pour faire un tour/seconde Command en demi pas il faudra 400 imp/tour pour faire un tour et une frquence de 400 Hz pour faire un tour/seconde ; Command en 256 -pas/pas il faudra 512 000 imp/tour et une frquence de 512 kHz pour faire un tour/seconde

Exemple :

Electronique de commande

Sens de rotation 1 sens horaire 0 sens anti-horaire

http://www.motor-model.com/moteur_pas/moteur_pas.htm


61

Pour dplacer le rotor on alimente, par une tension continue, la bobine concerne. Le courant ne peut pas stablir instantanment dans la bobine.

I(t) = E/R .(1 e-t.R/L)

A grande vitesse (le temps dapplication de la tension de commande est rduit) le courant na pas le temps de stablir donc le couple (proportionnel au courant) sera rduit.

exemple : Moteur pas pas bipolaire MS 26 de chez ISEL. Son couple de maintien est de 26 N.cm un angle lmentaire de 1,8 en pas complet, une tension dalimentation de 2,9 V, R= 1,7 Ohm, L = 27 mH et I dans une bobine = 1,7 A.

Fonctionnement en pas.

Nous remarquons que le couple chute brutalement partir dune vitesse ii de 4000 trs/mn.

Cette courbe se dcoupe en 2 courbes, exemple le 103 H 3215 CHEZ ALZANTI

E/R I(t)

t

100 1 000 4 500 10 000

C N.cm

18

10

0

Vitesse en tr/mn

Phase : constitue dune bobine ayant une rsistance interne.

E


62

o zone darrt dmarrage : Le moteur peut dmarrer ou sarrter dans cette zone. La largeur de cette zone dpend de linertie et le Cr de la charge.

o Zone de survitesse : Il est possible de dpasser la zone darrt dmarrage et atteindre ainsi des vitesses plus leves. Pour cela il faudra de faible acclration afin de ne pas perdre de pas. Notons quil est possible datteindre une zone dinstabilit vers 8000 tr/mn (rotor vibre, vitesse alatoire), il faudra traverser cette zone de vitesse.

La loi de commande en vitesse est souvent linaire.

Les impulsions de commande applique llectronique de commande seront de la forme suivante :

Zone darrt-dmarrage

Zone possible de survitesse

Zone darrt-dmarrage

t

Vitesse (t)

t

vitesse

Vitesse max vide J rotor

Vitesse max vide J rotor + J charge

couple


63

Visualisation dun saut de pas dans les 2 cas :

I) Quest ce que la Vitesse Critique ? La vitesse critique correspond la vitesse pour laquelle lamplitude des vibrations du moteur est maximale. Ces vibrations apparaissent lorsque la frquence dexcitation correspond un mode propre du moteur ou lensemble de la chane mcanique. Compte tenu du caractre saccad de la commande de ces moteurs on peut s'attendre des problmes de vibrations.

Les vitesses critiques existent pour tous les moteurs. Elles se traduisent dans le cas du moteur pas pas par des pertes de pas ce qui, on peut le dire, est grave.

Donc la caractristique Couple-Vitesse relle est :

vitesse

couple

Vitesse critique


64

Comment expliquer les pertes de pas ? On commande la phase 1 alors le rotor se dplace attir par la phase 1

I) Site :

www.crouzet.com jusqu 12 W 24 ou 48 pas/tour http://www.motor-model.com/moteur_pas/moteur_pas.htm www.arsape.com propose un moteur pas pas les plus petits du monde dune

longueur de 8 mm, 20 pas /tour. www.alzanti.com http://www.danahermotion.com/default.htm moteur + solutions intgrs http://www.tsa.fr/phytron.htm moteur pas pas, translateur visiter

livre: les actionneurs lectriques (disponible la bibliothque lire)

Le rotor oscille autour de la phase 1

Alors que le rotor s loigne de la phase 1 on alimente la phase 2. La force due la phase 2 ne suffit pas A attirer le rotor.

VIBRATION

PERTES de PAS

1 S

1 S

N

N

t

Documents

pas a pas.pdf