Les avantages d’un moteur pas à pas Il est intéressant de regarder les caractéristiques principales des pas à pas et d’évaluer les avantages qui en découlent. Caractéristiques Avantages Sans balais Pas d’usure donc durée de vie importante Fonctionnement en boucle ouverte Pas besoin de codeur ou de recopie (réduction de coût) Plusieurs pas angulaires disponibles Optimisation des caractéristiques : résolution vitesse couple Commutation directe d’un signal Facilité d’intégration dans un système complexe Moteur 2 phases - alimentation bipolaire Moteur 4 phases - alimentation unipolaire L’avantage essentiel du pas à pas est de fonctionner en boucle ouverte, c’est-à-dire que dans des conditions normales d’utilisation pour un nombre n d’impulsions on obtient un déplacement de n pas. Les pas à pas sont présents dans de nombreuses applications telles : les photocopieurs, machines à écrire, imprimantes bancaires, périphériques informatiques, tables traçantes, instrumentation, pompes médicales, pousses seringues, distributeurs, machines de jeu, automobiles, climatisation, régulation. Les différents types d’excitation Principe des moteurs pas à pas Le fonctionnement d’un moteur pas à pas nécessite la présence des éléments suivants : Une unité de commande (microprocesseur par exemple) qui fournit des impulsions dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de rotation du moteur, elle imposera également le sens de rotation. Un séquenceur qui aiguillera les impulsions sur les différentes bobines du moteur. Une alimentation de puissance. 5 1 phase on 2 phase on Alimentation puissance Unité de commande 2 phases Moteur Séquenceur 1/2 pas Le moteur pas à pas à réluctance variable Ce type de moteur utilise la loi du flux maximum. I1 I 0 -I 0 I -I -I I I I 0 -I -I -I 0 I I2 0 I 0 -I I I -I -I 0 I I I 0 -I -I -I ° 0 90 180 270 45 135 225 315 0 45 90 135 180 225 270 315 Constitution : Un stator denté Un rotor denté 1er pas 4 phases 2éme pas 3éme pas 1 phase on 2 phase on Le moteur pas à pas à aimant permanent Constitution : 140 Un stator denté Un rotor aimanté 1/2 pas I11 I 0 0 0 I 0 0 I I I 0 0 0 0 0 I I12 0 0 I 0 0 I I 0 0 0 0 I I I 0 0 I21 0 I 0 0 I I 0 0 0 I I I 0 0 0 0 I22 0 0 0 I 0 0 I I 0 0 0 0 0 I I I ° 0 90 180 270 45 135 225 315 0 45 90 135 180 225 270 315 Les caractéristiques statiques Courant par phase C’est l’intensité par phase à fréquence nulle (moteur à l’arrêt) qui provoque l’échauffement maximum admissible par le moteur. Ce courant est mesuré à froid dans le cas d’une alimentation à tension constante. Couple de maintien statique Le moteur étant alimenté, le couple de maintien statique est le couple qu’il faut appliquer sur l’axe moteur pour provoquer une rotation continue. α = angle de pas Cas de l’entraînement du papier sur imprimante. Inerties : J pignons + J engrenages + J rouleaux. Ces inerties doivent être ramenées à l’axe moteur. Couple d’antagoniste : C’est le couple au poids du papier. Il est faible par rapport au couple du frottement sec. Couple de frottement visqueux : Ce couple dû au déplacement du rouleau dans l’air est négligeable. Couple de frottement sec : Il s’agit du couple dû au frottement des différents axes (engrenages + rouleau) sur leur palier. Jusqu’à présent, nous avons parlé de contraintes externes, mais on retrouve les contraintes dûes à l’inertie, au frottement visqueux et au frottement sec à l’intérieur du moteur. Inertie : Inertie du rotor. Couple de maintien (Cm) Le couple de maintien est le couple minimum qu’il est nécessaire d’appliquer au rotor pour occasionner sa rotation, la mesure étant faite «moteur alimenté deux phases à la fois» à fréquence nulle. Frottement visqueux : Frottement du rotor dans l’air. Couple résistant dû aux courants induits et dont l’effet est équivalent à un frottement visqueux. Couple de détente Ce couple à la même définition que le couple de maintien mais avec le moteur non alimenté. Les caractéristiques dynamiques Frottement sec : Frottement de l’axe rotor sur les paliers. Pour étudier le mouvement du rotor on doit tenir compte de toutes les contraintes internes et externes s’appliquant sur le moteur L’avance élémentaire Il existe 4 types de contraintes pouvant s’appliquer sur un moteur : Caractéristique limite en arrêt démarrage La charge inertielle JL Son action ne s’exerce que lors des accélérations ou décélération du moteur, elle influe également sur les fréquences de résonnance. Si JL est la résultante des inerties de la charge (ramenées sur l’axe du rotor) le couple équivalent dû à cette inertie est fonction du système de transmission (voir annexe rappels de mécanique). 5 Caractéristique limite en sur vitesse Les couples dynamiques Sens de rotation du moteur Pour un système donné, la variation du couple antagoniste et de la fréquence des impulsions déterminent les caractéristiques dynamiques du moteur, pour une alimentation donnée. Zone A Le couple antagoniste MR Fonctionnement possible mais risque de génération trop importante de bruit due aux à-coups du moteur. Il s’agit d’un couple qui s’oppose à la rotation générale du rotor. C’est le système poids-poulie qui le schématise le mieux. Zone B Le couple résistant dû aux frottements visqueux Zone C Il est proportionnel à la vitesse. Par défintion, ce frottement représente la résultante des actions d’un liquide ou d’un gaz s’appliquant sur un solide qui se déplace dans un milieu liquide ou gazeux. Les exemples de l’automobile ou de l’avion sont très concrets. Zone d’arrêt-démarrage. Démarrage et arrêt du moteur dans cette zone sans perte de pas. Risque de perte de synchronisme : résonance basse fréquence. Zone D Le couple résistant dû aux frottements secs Zone de survitesse. Fonctionnement possible si arrêt et démarrage dans la zone C. Il s’oppose toujours au déplacement. Par défintion, ce frottement représente la résultante des actions qui s’exercent sur un solide se déplaçant sur un autre solide. Zone E Fonctionnement impossible. 141 Commentaire sur les caractéristiques présentées Alimentation avec deux niveaux de tension Pour un type de moteur et un nombre de phases donnés plusieurs bobinages sont proposés. Ils ont été calculés afin d’adapter le moteur à chaque type d’électronique. Toutes les améliorations passent par l’augmentation de la pente à l’origine du courant dans le circuit R-L. La première méthode consiste à augmenter la résistance totale du circuit (§5.1). La seconde méthode consiste à augmenter la tension d’alimentation pendant un certain temps, la puissance moyenne dissipée dans le moteur ne produisant pas un échauffement supérieur au maximum admissible. Par exemple : Une faible résistance est nécessaire pour une alimentation à courant constant et une résistance plus élevée sera utile pour une alimentation à tension constante. Cependant, tous les bobinages sont à peu près équivalents d’un point de vue puissance absorbée, ampère tour, et constante de temps L/R (en statique). Ces moteurs auront à peu près les mêmes performances pour une électronique donnée. Exemple moteur 82 910 - 2 phases. R L N Ie NI P Z=L/R Ω H tr A A.tr W ms 82 910 001 9 12 320 0,52 166,4 4,9 1,3 82 910 005 12,9 15 373 0,44 164 5 1,15 82 910 022 66 68 762 0,19 145 4,8 1 Précision du pas Condition : (en pas entier 2 phases alimentées) Les charges extérieures sont nulles, le courant est à sa valeur nominale. La mesure est effectuée sur tous les pas et sur un tour. Alimentation à courant constant La tension d’alimentation est très supérieure à RI nominal. Le courant est régulé par un transistor fonctionnant en tout ou rien suivant le principe des alimentations à découpage. Definition : Précision de positionnement Il s’agit de l’erreur par rapport à la position d’équilibre théorique. Précision de pas I maximum Il s’agit de l’erreur sur l’écart angulaire (pas) 2I moyen Influence de l’inertie de la charge I minimum Fo - Fréquence maximale d’arrêt-démarrage à inertie de charge nulle 5 JR - Inertie du rotor JL - Inertie de la charge Attention : La formule ci-dessus est déterminée à l’aide d’approximation JL a JR. Les alimentations de puissance Comparaisons Excitation «1 phase à la fois» «2 phases à la fois» Comparaison à puissance absorbée égale. Notation Une phase d’un moteur aura une résistance R et une inductance L Alimentation à tension constante sans résistance série avec résistance série 1 phase à la fois 2 phases à la fois Puissance P = R (rI)2 P = 2RI2 Courant par phase rI I Couple de maintien r r Cm Le couple de maintien est proportionnel au courant dans le domaine magnétique linéaire du matériau. Au-délà, le phénomène de saturation rend le couple de maintien presque indépendant du courant. Cm1 = Couple de maintien dû à la phase 1 alimenté par I. L’utilisation d’une résistance série impose l’augmentation de la tension d’alimentation de : U à R + Ro U afin de conserver la puissance absorbée R au niveau du moteur 142 Cm2 = Couple de maintien dû à la phase 2 alimenté par I. Remarques Dans ce fascicule, chaque moteur présenté est repéré par un code à 8 chiffres, qui le définit entièrement. Pour éviter toute erreur, ce code doit figurer sur les commandes. Comment définir vos besoins Le moteur pas à pas peut répondre à de nombreuses applications, afin de répondre à la votre il faut définir certains points : Cm = Couple de maintien moteur alimenté «deux phases à la fois». Les caractéristiques mécaniques Définissez clairement votre système et votre chaîne cinématique afin d’évaluer les frottements et les inerties ramenés à l’axe moteur (voir annexe rappel de mécanique). Comparaison «2 phases» - «4 phases» Comparaison à tension constante et résistance constante. Formalisez votre mode de transmission. Déterminez le couple utile, en dynamique et au maintien. 2 phases Déterminez le nombre de pas à accomplir et le temps affecté à ce mouvement. Choisissez une vitesse de fonctionnement. 4 phases Choisissez un mode d’alimentation, (tension constante, deux niveaux de tension, courant constant). Comparaison du moteur «2 phases» et «4 phases» alimenté à tensions constantes. Dans la mesure où le moteur sélectionné délivre le couple nécessaire à la fréquence voulue mais dans la zone de survitesse, il ne faut pas oublier de prévoir une rampe d’accélération et de décélération afin d’éviter toute perte de pas. Détermination des conditions d’utilisation : température, charges axiales ou radiales, cycles de fonctionnement. Dans certains cas l’usage d’un réducteur peut s’avérer utile pour des raisons de couple ou de vitesse, dans tous ces cas, se référer aux courbes du catalogue indiquant la puissance utile disponible en fonction de la vitesse. 2 phases 4 phases Performances Elevées en BF Basses en HF Elevées en BF Prix du moteur Faible Surcoût dû aux 6 fils Electronique 8 transistors 4 transistors Besoins spécifiques Eléments à fournir pour bien déterminer un moteur si vous ne trouvez pas votre produit au catalogue : Encombrement, pas angulaire, résistance, nombre de phases, longueur des fils, type de connecteur, type d’alimentation, fréquence de travail, couple demandé, cycle de fonctionnement. Homologations Moteurs pas à pas à aimant permanent Les fils de sortie standard AWG22 sont homologués UL 80°C, 300 V. (AWG24 sur demande). Moteurs hybrides Les fils de sortie standard AWG22 sont homologués UL 125°C, 300 V. (UL325-6CSA). 5 Mais si votre problème nécessite un axe spécial ou d’autres adaptations mécaniques ou électriques (pignons, connecteurs...) nos services sont à votre disposition (pour des quantités significatives). Nous vous signalons en outre que de nombreuses adaptations existent en standard ou semi-standard. Autres possibilités en moteurs hybrides Certains moteurs hybrides peuvent aussi être livrés en 2 phases (4 fils) ou 4 phases (8 fils). Le repérage des moteurs sera le suivant. rouge rouge Noir Rouge/Blanc Rouge/Blanc Vert/Blanc Vert Blanc Vert/Blanc Rouge/Blanc Rouge/Blanc Vert/Blanc Marron Vert/Blanc Marron Orange Noir Vert Rouge Noir Blanc Rouge orange B - Branchement en parallèle Vert A - Branchement en série Blanc Vert 143 RAPPEL DE MÉCANIQUE Transmission pour courroie (ou chaîne) Système roue/vis J = JV + 2 1 2 Jr R J = M1 + 2m + M R1 2 Jv = Inertie de la vis considérée comme un cylindre de diamètre égal au diamètre primitif. 2 M1 = Masse poulie moteur M2 = Masse poulie menée m = Masse courroie Jr = Inertie de la roue considérée comme un cylindre plein de diamètre égal a un diamètre primitif Si la poulie menée reçoit aussi le moment d’inertie Jc d’une charge on a alors : R = Rapport de réduction ( ) 2 J = M1 + 2m + M2 R1 + JC R1 2 R2 Crémaillère J = Mr2 + mr2 2 2 M M = Masse en translation m = Masse pignon Cas d’un réducteur Dispositif vis/écrou J= 2 mr2 J = MP 4π2 + 2 Pas de la vis M = Masse en translation m = Masse de la vis r = Rayon moyen de la vis Jc = Inertie de la charge entraînée en sortie du réducteur Jr = Inertie du réducteur R = Rapport de réducteur Nota : Inertie 5 1 Jc + Jr R2 L’inertie du réducteur se calcule étage par étage, chaque roue étant considérée comme un cylindre. Calcul des inerties ramenées au moteur Jr = J1 + Cylindre ( R1 ) (J + J ) + ( R1 ) (J + J ) + ....... 2 2 2 1 3 4 5 1 2 J = mR 2 En pratique le calcul de l’inertie des 2 premiers trains, voire très souvent du premier donne une valeur approchée suffisante. Jante - Poids/poulie J = mR2 m2 2 J = mR + mR 2 2 m m1 Cylindres coaxiaux (arbres épaulés) 2 2 J = M1R1 + M2R2 2 2 M1 = Masse du cylindre 1 M2 = Masse du cylindre 2 144 Conversion des couples 1b.Ft in.oz cm gr m Nm cm N cm kg Nm Nm cm kg cm N m Nm cm gr in.oz lb.Ft 1,383 0,00072 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 =13,83 =0,0723 =0,001 =0,01 =0,1 =1 =10< =138,3 =0,723 =0,01 =0,1 =1 =10 =1383 =7,23 =0,1 =1 =10 =100 =13830 =72,3 =1 =10 =100 =1000 =192 =1 =0,0,139 =0,139 =1,39 =13,9 =1 =0,0052 =0,0000723 =0,000723 =0,00723 =0,0723 Moment d’inertie B A kg-cm2 g-cm2 kg-cm-s2 g-cm-s2 kg-cm2 1 g-cm2 0.980665 1.01972 1.01972 3.41716 5.46745 x10-6 x10-3 x10-4 103 335.109 x10-3 5.36174 1 2.98411 2.98411 x103 x10-3 1.96507 1.12985 1.12985 x103 x106 70.6157 Ib ft -s2 5.46745 10-3 182.901 421.403 0.341716 980.665 0.182901 Ib-ft2 1.01972 x103 oz-in2 70.6157 oz-in2 980.665 2.92641 oz-in-s2 Ib-in2 x10-3 1 Ib-in2 Ib-in-s2 g-cm-s2 1.01972 103 10-3 980.665 kg-cm-s2 x103 421.403 1.35582 x103 1.35582 x104 x107 1 0.335109 2.98411 1 0.186507 x10-4 1.15213 386.088 x103 72.0079 x10-3 0.429711 13.8255 5.36174 16 0.0625 1.15213 x103 1 6.17740 x10-3 72.0079 24.1305 386.088 429.711 144 2304 1.38255 4.63305 7.41289 x104 x103 x104 Ib-in-s2 oz-in-s2 Ib-ft2 Ib ft -s2 8.85073 1.41612 2.37303 7.37561 x10-4 8.85073 x102 x10-3 1.41612 2.37303 x103 7.37561 x10-7 x10-5 x10-6 0.867960 13.8874 2.32714 8.67960 1.38874 2.32714 x10-2 7.23300 x10-4 2.59009 x10-2 4.14414 x10-3 6.94444 x10-5 2.15840 x10-3 1.61880 x10-2 2.59009 x10-3 4.34028 x10-4 1.34900 x10-4 x10-3 x10-4 16 2.68117 x102 8.33333 1 0.107573 1 6.25 x10-2 0.372972 5.96756 12 192 1 32.1740 x10-6 7.23300 x102 52.0833 x10 3.10810 5 x102 1 Table de conversion g 7.1 14.2 21.3 28.3 42.5 56.7 70.9 85.0 113.0 142.0 170.0 198.0 227.0 255.0 283.0 312.0 340.0 368.0 397.0 425.0 454.0 1/4 1/2 3/4 1 1 1/2 2 2 1/2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 ounces kg 0.008 0.017 0.025 0.035 0.053 0.070 0.087 0.106 0.141 0.176 0.212 0.247 0.282 0.318 0.353 0.388 0.424 0.459 0.494 0.53 0.564 0.23 0.45 0.91 1.36 1.81 2.27 2.72 3.18 3.63 4.08 4.54 4.99 5.44 5.90 6.35 6.80 7.26 Ibs 1/2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1.10 2.20 4.41 6.61 8.82 11.0 13.2 15.4 17.6 19.8 22.0 24.2 26.4 28.6 30.8 33.1 35.2 cmkg 1.152 2.304 3.456 4.608 5.760 6.912 8.064 9.216 10.368 11.520 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 in/ Ibs cmg 0.870 1.739 2.609 3.478 4.348 5.218 6.087 6.957 7.826 8.696 72 144 216 288 360 432 504 574 648 720 1152 1440 2160 2880 3600 in/oz 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 20 30 40 50 0.013 0.026 0.039 0.053 0.069 0.078 0.091 0.106 0.120 0.139 0.212 0.278 0.416 0.555 0.694 145 ">
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