1MOTEUR PAS A PAS I-Objectifs : - Identifier un moteur pas à pas dans un système. - Câbler un moteur pas à pas se simuler son fonctionnement . II- Modélisation : Un moteur pas à pas ( moteur PAP) est un actionneur qui transforme une information digitale ( numérique) sous forme de train d’impulsions en un nombre équivalent de pas angulaire de caractère incrémental. Commande (AV ou AR ) Energie électrique (polarisation ) Réglage (vitesse) Energie électrique (impulsions élecrtiques) CONVERTIR Energie mécanique (Impulsions angulaires) Moteur pas à pas III- Principe de fonctionnement d’un moteur pas à pas : N S aimant permanent Si on place, sur un axe de rotation, entre deux bobines à axes perpendiculaires un aimant permanent on constate que : - Si une seule bobine est alimentée l’aimant se positionne parallèlement à son axe - Si on inverse le courant dans la bobine, l’aimant fait un 1/2 tour (90° ) et reste parallèle à l’axe de la bobine - Si les deux bobine sont alimentées, l’aimant se positionne suivant la bissectrice des deux axes bobines du stator - Si on inverse le courant dans une bobine l’aimant se positionne suivant la deuxième bissectrice. On dit que l’aimant se positionne de façon qu’il soit traversé par le maximum de flux : règle de flux maximal. Main droite Pouce N I+ Constitution d’un moteur pas à pas : Comme tous les moteurs, il est constitué par : - Une parie fixe : C’est le stator , formé d’un circuit magnétique et des bobines (phases) dont le rôle est de créer un flux magnétique à directions multiples - Une partie mobile : C’est le rotor , placé dans le flux du stator il se positionne suivant le flux maximum S Règle de la main droite : Le pôle nord est celui indiqué par le pouce de la main droite quand les autres doigts entourent la bobine dans le sens du courant . Pour inverser le sens de flux créé par une bobine, il faut inverser le sens du courant ROTOR STATOR A 1 8 2 7 6 S N 5 3 4 C Moteur pas à pas bipolaire 2 phases au stator , 2 pôles au rotor B D Le moteur pas à pas à aimant permanent L . H . II 1 -1 Commutation monophasée : On alimente les phases séparément une à une. il est caractérisé par une construction simple (avantage ) . U1 SENS HORAIRE U1 SENS ANTIHORAIRE t t U2 U2 t t 1 S 1 S 3 S 5 6 S S 1 S 1 7 S S 5 S 3 S Avec ce mode de commande le moteur développe un couple moteur réduit puisque une seule bobine ( phase ) est excitée à la fois.Différents types de moteurs pas à pas :Il existe trois types : • moteurs à aimant permanent • moteurs à réluctance variable •moteurs hybrides VI. I A + 1 8 2 7 6 S N 5 U2 3 U1 4 D - I +B C 1. 2 pôles ) Le nombre de positions du rotor dépend du mode de commutation utilisé. Le nombre de pas est également réduit ( 4 pas ) Le moteur pas à pas à aimant permanent L .2 V. Comparé au autres types de moteurs . H .Un nombre de pas par tour réduit ( inconvénient ) De leurs cotés les moteurs à aimant permanent se subdivisent en deux types : • Les moteurs bipolaires • Les moteurs unipolaires VI – 1 Moteur bipolaire :( 2 phases .Moteurs à aimant permanent : Le rotor est un aimant permanent solidaire de l’axe du moteur et pouvant tourner entre les pôles du stator supportant les bobines ( phases ) du stator. II . Un encombrement faible ( avantage ) . 3 1. L'ordre suivant lequel on alimente les phases définit le sens de rotation du moteur. H . Le flux résultant est suivant la bissectrice .2 Commutation biphasée : ( commutation symétrique bidirectionnelle ) On alimente les deux bobines en même temps. U1 SENS HORAIRE t U2 t 1 2 3 4 4 5 6 7 8 1 Le moteur pas à pas à aimant permanent L . Le nombre de pas par tour est Np/tr = 4 et le pas angulaire est α = 90° 1-3 Commutation en mode demi-pas : commutation bidirectionnelle asymétrique ) Dans ce mode. U1 SENS HORAIRE U1 SENS ANTIHORAIRE t t U2 U2 t t 2 4 6S 8 2 2 8 6 4 2 Comparé au mode de commutation monophasé. Le choix judicieux des phases alimentés permet un fonctionnement correct du moteur dans le sens horaire ou dans le sens antihoraire . on alimente successivement une bobine puis deux bobines et ainsi de suite. II . ce mode de commutation permet d’avoir un couple plus grand puisque le flux dans lequel est placé le rotor est plus grand ( 2 phases ). 1 = saturé. l’écart angulaire est 360/8 = 45° .4 On constate que le nombre de pas est plus grand . 1-4 Exemples de commande d’un moteur bipolaire : a. La figure suivante représente un moteur bipolaire à rotor tétrapolaire ( 4 pôles ) et 4 phases ( bobines statoriques ) Le moteur pas à pas à aimant permanent L . Nombre de positions ( ou pas ) = 8 .Utilisation d’un groupe de 4 transistors par phase : T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 Pas 1 0 1 1 0 0 0 0 0 Moteur bipolaire Pas 2 0 1 1 0 0 1 1 0 Pas 3 0 0 0 0 0 1 1 0 +V Pas 4 1 0 0 1 0 1 1 0 T6 Pas 5 1 0 0 1 1 0 0 1 T2 T5 T1 U1 U2 Pas 6 1 0 0 1 1 0 0 1 Pas 7 0 0 0 0 1 0 0 1 Pas 8 0 1 1 0 1 0 0 1 T3 T4 T7 T8 0 0 = bloqué . II . Pour retrouver le sens anti-horaire il suffit de prendre le chronogramme par sa fin et considérer l’ordre inverse de commutation.Commande d'un moteur bipolaire biphasé à l'aide d'un MC 3479P p hase A 20K V D 11 clock 7 clock d rives d irection 10 cw / ccw L ogic fu / h ll all step ou p t t u im pédance 9 f/h step D rives 8 oic 6 B S E IA /S T S et M 14049U C B G D N 4 5 12 13 14 L 4 M oteur pas à pas 2 L 2 15 L 3 16 1 3 L 1 + V 1N 5221A(31v ) Remarque : pour augmenter le nombre de pas par tour ( diminuer l’angle de pas ) on augmente le nombre de pôles du rotor .donc l’angle de pas est plus petit d’où un avantage considérable. Mode demipas b . L’inconvénient de ce mode est que le couple développé est variable. H . 2-1-mode biphasée (commutation unidirectionnelle symétrique ): Le moteur pas à pas à aimant permanent L .5 S1 P N S2 R N S 7 S S3 T v S4 + VI – 2 Moteur unipolaire : Pour inverser le sens de flux créé par un stator. Les chronogrammes ci dessous illustrent le principe de la commande. Chaque demi bobine est appelée phase. II . C’est pour cela que chaque stator comporte deux phases ( bobines à prise milieu ). on change de phase. S1 Q P Stator PQ Stator RS N 8 7 S 6 5 1 2 N S R 4 S 3 S2 - + Phases Pet R alimentées Le nombre de pas par tour et par conséquence l’angle polaire dépend du mode de commutation. La figure suivante illustre le principe d’un moteur unipolaire à quatre ( 4 ) phases. H . 2-2. Ecart angulaire 90° . le pas angulaire est 90° . H . II . 2-3.Mode demi-pas ( commutation unidirectionnelle asymétrique ) : Le moteur pas à pas à aimant permanent L .6 P SENS HORAIRE t P SENS ANTIHORAIRE t Q t R t S t 1 3 5 7 1 Q t R t S t 1 7 5 S 1 3 Nombre de pas : 4 .Mode monophasée ( commutation unidirectionnelle symétrique ): P SENS HORAIRE t P SENS ANTIHORAIRE t Q t R t S t 8 S 8 S 2 S 4 6 S S Q t R t S t 8 S 6 S S 4 S S 2 8 S Nombre de positions : 4 . une commutation biphasé b.Soit un moteur bipolaire à 8 phases statoriques et 12 paires de pôles au rotor Calculer le nombre de pas par tour et l’angle polaire pour: a. H .une commutation en mode demi pas 2.K1 = 2 pour un moteur bipolaire ( commutation bidirectionnelle ) . que pour un moteur bipolaire. pas angulaire 45° Remarque : Les mêmes conclusions quant au nombre de pas par tour et à l’angle de pas ainsi que le couple. Pour une puissance identique le moteur unipolaire est plus encombrant q’un moteur bipolaire.Commande des moteurs pas à pas unipolaires: la commande se fait généralement à l'aide des circuits spécialisés .K2 = 1 en modes monophasé et biphasé ( commutation symétrique ) Np/t K2 = mx p x K1 x On peut ainsi calculer l’ange de pas ou le pas angulaire ou encore l’écart angulaire α p α p = 360° / Np α p en degrés Exemple: 1. VI-3 Calcul du nombre de pas par tour : Le nombre de pas ou de postions par tour d’un moteur pas à pas dépend de: • nombre de phases du stator ( m ) et du type du stator ( K1 ) • nombre de paires de pôles du rotor (p) • mode de commutation ( K2 ) tel que .Commande d'un moteur unipolaire quadriphasé à l'aide d'un SAA1027 Le moteur pas à pas à aimant permanent L .K1 = 1 pour moteur unipolaire ( commutation unidirectionnelle ) .refaire les calcules si le moteur était unipolaire VII .K2 = 2 en modes demi pas ( commutation asymétrique ) . II P Sens horaire Sens anti-horaire .7 P SENS HORAIRE t Q t R t S t 1 S S 2 7 8 S 1 3 S 4 5 6 S Nombre de positions : 8 . ...........................................................Caractéristiques d’un moteur pas à pas: La documentation industrielle suivante nous permet de connaître les critères nécessaires au choix fonctionnel d'un moteur pas à pas : Caractéristiques générales Moteur type ID35014 Puissance consommée par le moteur seul ................. Ω 240 Courant par bobine .............................. 48 Nombre de pas par tour ....... 4 47 Résistance par bobine ( à 20°c )....................mNm 85 Fréquence de démarrage maximale........3 57 95 360 4 7.... w 5.........7 575 120 7°30' 48 réversible 45 300 .......................mA 120 Température maximale admissible ..........°C 7°30' Angle de pas ...............1uF 14 T 15 Etage de déclenchement Compteur synchrone à4 positions Etages de sorties 100 120 4 13 11 Q4 9 Q3 8 Q2 6 Q1 S 2 Etage d'initialisation Etage d'inversion du du sens R 3 5 12 Moteur pas à pas Diagramme des impulsions : T S R Q1 Q2 Q3 Q4 Horaire Antihoraire VIII..... H ... II ID35110 5.g Le moteur pas à pas à aimant permanent L ............ réversible Sens de rotation .pas/s 130 Nombre de phases .... mNm 57 Couple de maintien ..................gcm² 45 300 Poids approximatif ..........5 Couple dynamique maximale .................... Moment d'inertie du rotor .......8 +V 0......... Le moteur pas à pas à aimant permanent L .fréquence de démarrage maximale : 300 pas /s . 4 phases .Commandes numériques des machines outils . H .7 w . etc.Couple dynamique maximale : 380 mNm . tables traçantes .Nombre de pas par tour : 200 VII .robotiques . II .commandes de périphériques d'ordinateurs : imprimantes .Fréquence d'entraînement maximale : 700 à 7000 pas / s . Au delà d'une certaine taille on lui préfère le moteur à courant continu . etc.angle de pas : 1° 8' . .Applications des moteurs pas à pas : .9 autre exemple : Moteur hybride à haute résolution HR 23101 .puissance consommée par le moteur : 8. Remarque : L'intérêt du moteur pas à pas réside dans son faible encombrement .