Connaissances du moteur pas à pas

Cet article vous présentera les bases des moteurs pas à pas, y compris leur principe de fonctionnement, leur construction, leurs méthodes de contrôle, leurs utilisations, leurs types et leurs avantages et leurs inconvénients.

1. Bases sur le moteur pas à pas

Le moteur pas à pas est une sorte de moteur qui fait pivoter l'arbre en marchant (c'est-à-dire se déplaçant à un angle fixe). Sa structure interne permet de connaître la position angulaire exacte de l'arbre sans capteur, en calculant simplement le nombre d'étapes. Cette fonctionnalité le rend adapté à une large gamme d'applications. ‍

2. Principe de fonctionnement du moteur pas à pas 

Comme tous les moteurs, les moteurs pas à pas incluent une pièce fixe (stator) et une pièce mobile (rotor). Le stator a une saillie en forme d'engrenage autour duquel une bobine est enroulée, tandis que le rotor est un aimant permanent ou un noyau de réticence variable. Nous couvrirons les différentes configurations de rotor plus en profondeur plus tard. La figure 1 montre une coupe transversale d'un moteur avec un rotor de noyau de réticence variable.

Le principe de base du fonctionnement d'un moteur pas à pas est qu'en dynamisant une ou plusieurs phases de stator, le courant traversant les bobines crée un champ magnétique avec lequel le rotor s'alignera; En appliquant des tensions aux différentes phases de séquence, le rotor tournera sous un angle spécifique et finira par arriver à la position souhaitée. La figure 2 montre comment cela fonctionne.

Premièrement, la bobine A est sous tension et génère un champ magnétique avec lequel le rotor est aligné; Lorsque la bobine B est sous tension, le rotor est tourné dans le sens horaire de 60 ° pour s'aligner sur le nouveau champ magnétique; La même chose se produit lorsque la bobine C est sous tension. La couleur du pignon stator dans la figure ci-dessous indique la direction du champ magnétique généré par les enroulements du stator.

3. Types et construction de moteurs pas à pas

Les performances d'un moteur pas à pas (la résolution / étape, la vitesse ou le couple) sont affectées par les détails de sa construction, ce qui peut également affecter la façon dont le moteur est contrôlé. En pratique, tous les moteurs pas à pas n'ont pas la même structure interne (ou construction), car les configurations du rotor et du stator varient d'un moteur à l'autre.

Rotor

Il existe essentiellement trois types de rotors pour les moteurs pas à pas: le rotor de l'aimant permanent: le rotor est un aimant permanent, aligné avec le champ magnétique généré par le circuit du stator. Ce type de rotor assure un bon couple et a un couple de freinage. Cela signifie que le moteur résiste (même si ce n'est pas fortement) change de position, que la bobine soit sous tension ou non.

Cependant, les inconvénients sont une vitesse et une résolution inférieures par rapport aux autres types de rotors. La figure 3 montre une coupe transversale d'un moteur pas à pas permanent.

Rotor de réticence variable:

Le rotor est fabriqué à partir d'un noyau de fer spécialement façonné pour s'aligner sur le champ magnétique (voir figures 1 et 2). Ce type de rotor facilite la réalisation de vitesses élevées et de haute résolution, mais elle produit généralement un couple faible et n'a pas de couple de freinage.

Rotor hybride:

Ce rotor a une construction spéciale; Il s'agit d'un hybride entre un aimant permanent et un rotor de réticence variable. Son rotor a deux capuchons magnétisés axialement et les capuchons ont de petites dents alternées. Cette configuration donne au moteur les avantages d'un aimant permanent et d'un rotor de réticence variable, en particulier avec une résolution élevée, une vitesse élevée et un couple élevé. Bien sûr, les exigences de performance plus élevées signifient des structures plus complexes et des coûts plus élevés.

La figure 3 montre un schéma simplifié de cette structure motrice. Lorsque la bobine A est sous tension, l'une des petites dents du capuchon magnétique du rotor n est alignée avec la dent magnétisée du stator en tant que S. Le capuchon magnétique du rotor est aligné avec la dent magnétisée du stator comme S. des dents que sur la figure. Le grand nombre de dents permet au moteur d'obtenir de très petits angles de pas, aussi petits que 0,9 °.

Stator

Le stator est la partie du moteur responsable de la génération du champ magnétique avec lequel le rotor est aligné. Les principales caractéristiques du circuit du stator sont liées à son nombre de phases, des paires de poteau et de la configuration du fil.

Le nombre de phases est le nombre de bobines indépendantes, et le nombre de paires de pôles indique les principales paires de dents occupées par chaque phase. Les moteurs pas à pas en phase sont le plus couramment utilisés, tandis que les moteurs triphasés et quintériques sont moins couramment utilisés (voir les figures 5 et 6).

4. Contrôle du moteur pas à pas

À partir de ce qui précède, nous savons que les bobines de moteur doivent être sous tension dans une séquence spécifique pour produire le champ magnétique avec lequel le rotor s'alignera.

Les dispositifs qui peuvent fournir la tension nécessaire aux bobines pour permettre au moteur de fonctionner correctement sont les suivants (en commençant par ceux plus proches du moteur): pont transistor: l'appareil qui contrôle physiquement les connexions électriques aux bobines de moteur. Un transistor peut être considéré comme un disjoncteur à commande électrique; Il se ferme lorsque la bobine est connectée à une source d'alimentation pour que le courant passe par la bobine. Un pont transistor est requis pour chaque phase motrice.

Pré-conducteur:

L'appareil qui contrôle l'activation du transistor, il est contrôlé par le MCU pour fournir la tension et le courant requis.

MCU:

Une unité de microcontrôleur, généralement programmée et contrôlée par l'utilisateur du moteur, qui génère des signaux spécifiques pour le pré-pilote pour obtenir le comportement du moteur souhaité.

La figure 7 montre un schéma simple d'un schéma de contrôle du moteur pas à pas. Le pré-pilote et le pont transistor peuvent être contenus dans un seul appareil, le conducteur.

5. Types de pilotes de moteur pas à pas

Il existe une variété de pilotes de moteur pas à pas sur le marché qui ont des fonctionnalités différentes pour des applications spécifiques. Cependant, l'une de leurs fonctionnalités les plus importantes concerne l'interface d'entrée, et plusieurs des interfaces d'entrée les plus courantes comprennent:

Étape / direction - En envoyant une impulsion sur la broche de pas, le conducteur modifie sa sortie pour faire effectuer le moteur un pas, et la direction de rotation est déterminée par le niveau sur la broche de direction. Phase / Activer - Pour chaque phase de l'enroulement du stator, l'activation détermine si la phase est alimentée et la phase détermine la direction actuelle de la phase. PWM - Contrôle direct du signal de porte du FET du tube supérieur et inférieur.

Une autre caractéristique importante d'un conducteur de moteur pas à pas est de savoir si, en plus de contrôler la tension aux deux extrémités de l'enroulement, il peut également contrôler le courant qui coule à travers l'enroulement:

Avec une fonction de commande de tension, le conducteur peut ajuster la tension à travers les enroulements, et le couple et la vitesse de pas résultants ne dépendent que des caractéristiques du moteur et de la charge.

Les pilotes de contrôle actuels sont plus avancés car ils peuvent réguler le courant qui coule à travers la bobine active, ce qui donne un meilleur contrôle sur le couple généré et donc un meilleur contrôle sur le comportement dynamique de l'ensemble du système.

Moteur unique / bipolaire

Une autre propriété qui peut avoir un impact sur le contrôle du moteur est la disposition de ses bobines de stator, qui détermine comment la direction du courant change. Afin d'atteindre le mouvement du rotor, il est non seulement nécessaire de dynamiser la bobine, mais aussi de contrôler la direction du courant, qui détermine la direction du champ magnétique généré par la bobine elle-même (voir figure 8).

Dans un moteur pas à pas un seul pole, un plomb est attaché au point central de la bobine (voir figure 9), ce qui permet de contrôler le sens du courant à travers des circuits et des composants relativement simples. Le plomb central (AM) est connecté à la tension d'entrée VIN (voir figure 8).

Si MOSFET 1 est allumé, le courant circule de AM à A +. Si MOSFET 2 est allumé, le courant circule de AM à A-, créant un champ magnétique dans la direction opposée. Comme mentionné ci-dessus, cette méthode simplifie le circuit d'entraînement (seuls deux semi-conducteurs sont nécessaires), mais l'inconvénient est que seulement la moitié des conducteurs de cuivre dans le moteur sont utilisés en même temps, ce qui signifie que si le même courant traverse la bobine, le champ magnétique n'est que moitié aussi fort que si tous les conducteurs de cuivre étaient utilisés. De plus, comme les fils d'entrée du moteur sont plus élevés, ce type de moteur est plus difficile à construire.

Les moteurs pas à pas peuvent contrôler la direction du courant de deux manières différentes.

Dans un moteur pas à pas bipolaire, il n'y a que deux fils par bobine, et afin de contrôler la direction, le pont H doit être utilisé (voir figure 10). Comme le montre la figure 8, si les MOSFETS 1 et 4 sont allumés, le courant circule de A + à A-. Si MOSFET 2 et 3 sont allumés, le courant passe de A- A-A +, créant un champ magnétique dans la direction opposée. Cette solution nécessite un circuit d'entraînement plus complexe, mais peut maximiser l'utilisation du cuivre moteur pour obtenir un couple maximal.

Avec les progrès continus de la technologie, les avantages des moteurs unipolaires se sont progressivement affaiblis et les moteurs passants bipolaires sont devenus le type de moteurs le plus populaire à l'heure actuelle.

6. Technologie de conduite à moteur pas à pas

Il existe quatre principales technologies de conduite pour les moteurs pas à pas: Mode des vagues: une seule phase à la fois est mise en place (voir figure 11). Pour plus de simplicité, si le courant circule du lead positif d'une phase à l'avance négative (par exemple, de A + à A-), nous l'appelons un flux positif; Sinon, cela s'appelle un flux négatif. Du côté gauche de l'image ci-dessous, le courant ne circule vers l'avant que dans la phase A, tandis que le rotor représenté par l'aimant est aligné avec le champ magnétique qu'il génère. Le courant ne circule ensuite vers l'avant que dans la phase B, le rotor a tourné à 90 ° dans le sens des aiguilles d'une montre pour s'aligner avec le champ magnétique généré par la phase B. Par la suite, la phase A est à nouveau sous tension, mais le courant circule négativement et le rotor tourne à nouveau à 90 °. Enfin, le courant circule négativement dans la phase B tandis que le rotor tourne à nouveau de 90 °.

Mode étape complet: les deux phases sont toujours allumées en même temps. La figure 12 montre les étapes étape par étape de ce modèle de pilote. Les étapes sont similaires au mode onde, la plus grande différence est que dans le mode complet, car le courant qui coule dans le moteur est plus, le champ magnétique généré est également plus fort, donc le couple est également plus grand.

Le motif de demi-pas est une combinaison du motif d'onde et du motif de pas complet (voir figure 12). Ce mode peut réduire deux fois la longueur de pas (rotation 45 ° au lieu de 90 °). Le seul inconvénient est que le couple généré par le moteur n'est pas constant, et le couple est plus élevé lorsque les deux phases sont sous tension et que le couple est plus petit lorsqu'une seule est connectée.

Mode microstep: 

Peut être considéré comme une version améliorée du mode demi-pas, car elle peut réduire davantage la distance de pas et a une sortie de couple constante. Ceci est réalisé en contrôlant la force du courant qui traverse chaque phase. Le mode micro-étage nécessite un pilote moteur plus complexe que les autres schémas. La figure 14 montre comment fonctionne le motif de microsphe. En supposant que IMAX est le courant maximum qui peut être passé dans une phase, commencez du côté gauche du diagramme, où ia = iMax et Ib = 0 dans le premier diagramme. Ensuite, le courant est contrôlé pour atteindre IA = 0,92 x IMAX, IB = 0,38 x IMAX, qui produit un champ magnétique tourné dans le sens horaire de 22,5 ° par rapport au champ précédent. Contrôlez le courant à différentes valeurs de courant et répétez cette étape, en tournant le champ magnétique 45 °, 67,5 ° et 90 °. Comparé au mode demi-pas, il réduit la longueur de pas de moitié. Mais plus peut être coupé. Une résolution de position très élevée peut être obtenue en utilisant le mode microstep, mais au prix de nécessiter un équipement plus complexe pour contrôler le moteur et produire moins de couple par étape. Le couple est proportionnel au sinus de l'angle entre le champ magnétique du stator et le champ magnétique du rotor. Par conséquent, lorsque la distance de pas est petite, le couple est également faible. Cela peut entraîner une étape perdue, c'est-à-dire, même si le courant dans l'enroulement du stator change, la position du rotor peut ne pas changer.

7, les avantages et les inconvénients du moteur de pas

Maintenant que nous avons compris le principe de travail du moteur pas à pas, il sera très utile de résumer les avantages et les inconvénients de divers types de moteurs.

Avantages:

Grâce à sa structure interne, les moteurs pas à pas ne nécessitent pas de capteurs pour détecter la position du moteur. Les moteurs pas à pas sont déplacés en effectuant une 'étape ', donc simplement le comptage du nombre d'étapes peut obtenir la position du moteur à un moment donné. De plus, le contrôle du moteur pas à pas est très simple. Il nécessite également un lecteur, mais ne nécessite pas de calculs ou d'ajustements complexes pour fonctionner correctement. Comparé aux autres moteurs, sa charge de travail témoin est généralement faible. De plus, une précision de position jusqu'à 0,007 ° peut être obtenue si le mode microstep est utilisé. Les moteurs pas à pas fournissent un bon couple à basse vitesse, peuvent également bien tenir la position et avoir une longue durée de vie.

Inconvénients:

Peut être en décalage lorsque le couple de charge est trop élevé. Étant donné que la position réelle du moteur ne peut pas être connue, le contrôle sera affecté négativement. Ce problème est plus susceptible de se produire lors de l'utilisation du mode microstep. Les moteurs pas à pas consomment toujours un courant maximal même au repos, ce qui réduit l'efficacité et peut entraîner une surchauffe. Le couple du moteur pas à pas est petit, à grande vitesse produira beaucoup de bruit. Les moteurs pas à pas ont une faible densité de puissance et un faible rapport d'inertie de couple. Dans l'ensemble, les moteurs pas à pas sont le meilleur choix lorsque vous avez besoin d'une solution à faible coût et facile à contrôler, sans exigences à grande efficacité et à couple à grande vitesse.