Les moteurs pas à pas

Mise à jour le 19/12/2019 : Les moteurs pas à pas sont des moteurs électriques d’une conception particulière, différentes des moteurs classiques. Leur structure permet, par une commande électronique appropriée, d’obtenir une rotation du rotor d’un angle égal à n fois un angle élémentaire appelé « pas ».

Sommaire :

 

 

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Présentation du moteur pas à pas  

Les moteurs pas à pas sont très utilisés dans toutes les applications mécaniques ou l’on doit contrôler simplement la position ou la vitesse d’un système en boucle ouverte. 

Les moteurs pas à pas ne sont pas des moteurs rapides, les plus rapides dépassent rarement la vitesse maximale de 3 000 tr/min.

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Existe-t-il une norme pour ce type de moteurs ?

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Oui pour les moteurs pas à pas la norme NEMA aide à assurer l’interchangeabilité du matériel ,c’est la possibilité de passer d’un fabricant à un autre sans avoir à changer de manière importante les supports de montage, les accouplements, etc.

Mais attention,deux moteurs de la même taille NEMA peuvent en réalité différer légèrement d’un fabricant à l’autre. La longueur de l’arbre en est un exemple, et la présence d’un méplat à utiliser avec des vis de réglage varie selon les fournisseurs. La norme NEMA ne dicte pas non plus le nombre de fils conducteurs ni l’impédance des enroulements. Veillez donc à bien prendre en compte toutes les spécifications avant de commander votre moteur chez un autre fournisseur.

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Tableau des dimensions des differents Nema 
type de Nema  Dimension Exemple de ref
Nema 8 20 x 20 8HS11-0204S
Nema 11 28 x 28 11HS12-0674S
Nema 14 35 x 35 14HS13-0804D 
Nema 16 39 x 39  
Nema 17 42 x 42  

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Ce type de moteur fonctionne t’il quelque soit la fréquence ? 

Il existe 5 zones de fréquence (vitesse) d’utilisation du moteur pas à pas.

  • Zone 1 : la commutation des phases a lieu lorsque les oscillations du rotor sont atténuées. Cette zone basse fréquence risque de générer un bruit important de fonctionnement dû aux à-coups du moteur.
  • Zone 2 : la commutation a lieu dans la zone des oscillations. Il peut arriver que l’énergie cinétique accumulée par le retour du rotor (vitesse négative) soit supérieure à l’énergie du couple moteur. Dans ce cas, il y a perte de pas ou arrêt du moteur. Ce phénomène est appelé résonance. Cette zone se situe approximativement entre 50 et 200 Hz et doit être évitée. Une 2ème zone de résonance à moyenne fréquence (medium range) se situe vers 800 à 1500 Hz.
  • Zone 3 : la zone de résonance est passée, il est possible de démarrer ou d’arrêter le moteur sur 1 pas, sans perte de pas. La valeur limite est appelée fréquence de start-stop fss, ou pull-in. La valeur de la fréquence de start-stop est fonction du couple (statique + dynamique) que doit fournir le moteur et dépend de manière importante du type de commande électronique utilisée. Elle se situe généralement en-dessous de 1200 Hz.
  • Zone 4 : au-delà de cette fréquence fss, il n’est plus possible de démarrer ou d’arrêter le moteur sur 1 pas, il faut donc démarrer le moteur dans la zone 3 et l’accélérer progressivement. Cette zone est appelée survitesse, ou pull-out.
  • Zone 5 : la fréquence de commande est trop importante. Aussi, il n’y a pas de rotation possible.

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Differents type de raccordement sur les moteurs pas à pas 

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Connexions 4 fils

Les moteurs bipolaires à 4 fils sont les plus faciles à câbler. La vitesse et le couple dépendent de
l’inductance du bobinage. Lors de la sélection du courant de sortie du driver, il faut multiplier le courant de phase par 1,4 pour déterminer le courant de pointe.

Fig.1 : raccordement d’un moteur à 4 fils

Connexions 4 fils

Connexions 4 fils ( fig.1)

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Connexions 6 fils

De même que pour les connexions à 8 fils, les moteurs à 6 fils peuvent être configurés pour obtenir des vitesses ou un couple élevé. La configuration  »half coil » n’utilise que la moitié du bobinage et favorise les vitesses élevées, tandis que la configuration  »full coil » utilise tout le bobinage et privilégie le couple.

Configuration  »half coil »

La moitié du bobinage est utilisée, ce qui donne une impédance plus faible et par conséquent moins de couple. Le couple sera plus stable à haute vitesse. Cette configuration est aussi appelée  »half chopper ». Lors de la sélection du courant de sortie du driver, il faut multiplier le courant par phase (ou unipolaire) par 1,4 pour déterminer le courant de pointe.

Fig.2 : raccordement d’un moteur à 6 fils

Connexions 4 fils ( fig.2)

Connexions 6 fils ( fig.2)

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Configuration  »full coil »

La configuration  »full coil » sur un moteur à 6 fils doit être utilisée pour des applications nécessitant un couple élevé à faible vitesse. En mode  »full coil », le moteur doit fonctionner à seulement 70% de son courant nominal pour éviter la surchauffe.

Fig. 3 : raccordement d’un moteur 6 fils en  »full coil » (couple elevé)

Connexions 6 fils ( fig.3)

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Echauffement d’un moteur alimenté à courant constant I de fréquence nulle

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Dans ce cas, le rotor est soumis à son couple de maintien. La cause unique de son échauffement est les pertes Joules.

Dans le cas d’une alimentation des 2 phases, la puissance transmise au moteur est : P = 2RI²

Si le courant I est le courant nominal donné par le constructeur, le moteur, et plus particulièrement le vernis d’isolement des fils de bobinage, doit supporter en continu ce courant.

La limite acceptable de la température extérieure mesurée sur le stator est d’environ 130°C. Au-delà de cette limite, une dégradation du bobinage peut se produire et par conséquent détruire le moteur. Le moteur pas à pas est un moteur qui chauffe énormément. Il est fréquent que la température de sa carcasse dépasse les 100°C.

La plupart des commandes électroniques ont un mode « repos » qui permet de réduire le courant lorsque le rotor est arrêté et donc de réduire l’échauffement tout en conservant un couple de maintien constant.

Un montage sur un support métallique permet une meilleure évacuation des calories.

Dans la définition d’un moteur pas à pas, il est indispensable de connaitre le « duty cycle » (temps marche/temps arrêt) car il permet d’optimiser le fonctionnement sans dégrader le moteur par un échauffement excessif.

 

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Organes auxiliaires à monter sur les moteurs pas à pas.
Frein électromagnétique

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Exemple : DC Frein électromagnétique 24V 0.25Nm(35.4oz.in) pour Nema 17 Moteur pas à pas

Exemple : DC Frein électromagnétique 24V 0.25Nm(35.4oz.in) pour Nema 17 Moteur pas à pas – STEPPERONLINE

Lorsque la puissance électrique est appliquée, l’induit est tiré par la force électromagnétique dans l’ensemble du corps de l’aimant qui surmonte l’action du ressort. Cela permet au disque de friction de tourner librement. Lorsque la puissance électrique est interrompue, la force électromagnétique est supprimée et le ressort de pression force mécaniquement la plaque d’armature à serrer le disque de friction entre lui-même et la plaque de pression. Cela développe un couple pour maintenir la charge.

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Notes et références sur les moteurs pas à pas  

Fournisseur  : https://www.robotshop.com

Information technique :

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en cours de réalisation