{{{sourceTextContent.title}}}

Systèmes de moteurs pas à pas à boucle ouverte et systèmes de moteurs pas à pas à boucle fermée

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Q&R

{{{sourceTextContent.description}}}

Les systèmes de moteurs pas à pas sont un pilier de l'industrie de la commande de mouvement. Nous examinerons les différences entre les systèmes à boucle ouverte et les systèmes à boucle fermée et nous expliquerons également les derniers développements qui rendent les systèmes de moteurs pas à pas encore plus rapides, plus silencieux et plus efficaces sur le plan énergétique que jamais auparavant.

Les systèmes de moteurs pas à pas ont parcouru un long chemin depuis les premiers jours des variateurs de tension et du pas complet. D'abord, il y a eu les variateurs PWM et le micropas, puis les processeurs de signaux numériques (DSP) et les algorithmes anti-résonance. Aujourd'hui, la nouvelle technologie pas à pas en boucle fermée garantit que les moteurs pas à pas continueront à être une pierre angulaire de l'industrie de la commande de mouvement pour les années à venir.

Qu'il s'agisse d'un mouvement linéaire ou rotatif, le couple et l'efficacité sont les deux principaux facteurs qui déterminent le choix du moteur et du système d'entraînement les mieux adaptés. Cela s'applique à l'application finale, qu'il s'agisse d'un système d'assemblage automatisé, d'une machine de manutention, d'une imprimante 3D, d'un positionneur cartésien, d'une pompe péristaltique ou de l'une des innombrables autres applications pour lesquelles les moteurs pas à pas constituent une technologie de choix.

La dernière évolution des systèmes pas à pas est l'application de dispositifs de rétroaction à faible coût et à haute résolution et de DSP avancés pour fermer la boucle du mouvement pas à pas. Ces contrôles augmentent les performances des systèmes pas à pas en boucle fermée et les rendent plus performants que les systèmes en boucle ouverte. Comme nous le verrons, l'un de ces systèmes à boucle fermée est mis en œuvre sur un moteur intégré qui comprend un dispositif de rétroaction, des cartes de commande et de contrôle, des circuits électroniques d'alimentation, de communication et d'E/S, ainsi que des connecteurs système sur le côté et à l'arrière du moteur.

Systèmes pas à pas à boucle ouverte ou à boucle fermée
Voyons tout d'abord comment les systèmes pas à pas à boucle fermée haute performance se comparent aux systèmes pas à pas traditionnels à boucle ouverte en termes de couple et d'efficacité.

Les performances des systèmes pas à pas à boucle fermée sont supérieures à celles des systèmes à boucle ouverte, comme le démontrent les résultats des essais en laboratoire comparant l'accélération (couple), l'efficacité (consommation d'énergie), l'erreur de position (précision), la production de chaleur et les niveaux de bruit des deux systèmes. Il suffit de considérer la relation entre le couple et l'accélération. Les courbes couple-vitesse montrent les plages de couple maximal et continu d'un système pas à pas à boucle fermée, ainsi que la plage de couple utilisable d'un système pas à pas à boucle ouverte. Très souvent, dans le monde réel, le couple se traduit par une accélération - les moteurs ayant un couple plus élevé peuvent donc accélérer une charge donnée plus rapidement.

Pour tester cette différence de couple en laboratoire, des systèmes de moteurs pas à pas en boucle ouverte et en boucle fermée de même taille reçoivent des charges inertielles identiques. La programmation commande aux deux systèmes d'exécuter des profils de déplacement identiques, sauf que le taux d'accélération et la vitesse maximale sont lentement augmentés dans chaque système jusqu'à ce qu'ils fassent des erreurs de positionnement.

Supposons que le système à boucle ouverte bénéficie d'un taux d'accélération maximal de 1 000 tours par seconde2 et d'une vitesse maximale de 10 tours par seconde (600 tr/min). Cette vitesse maximale de 10 tr/min correspond à l'endroit où se termine la partie plate de la courbe couple-vitesse. Le système en boucle fermée (en raison de sa plus grande capacité de production de couple) obtient un taux d'accélération maximal de 2 000 tours/sec2 et une vitesse maximale de 20 tours/sec (1 200 tours/minute). Ces performances sont deux fois supérieures à celles du système en boucle ouverte et réduisent de moitié le temps de déplacement, qui passe de 110 ms à 60 ms.

Pour les applications nécessitant un débit élevé (telles que l'indexation, le positionnement de guides de bords et les systèmes de prise et de dépose), le système en boucle fermée offre un avantage certain en termes de performances.

Efficacité de la boucle ouverte par rapport à la boucle fermée
Pour mesurer l'efficacité relative d'un système en boucle ouverte par rapport à un système en boucle fermée, nous répétons le même test avec les deux mêmes moteurs de taille égale. Cette fois, nous faisons tourner les moteurs en boucle fermée et en boucle ouverte côte à côte avec les mêmes charges inertielles, mais nous exécutons une programmation qui maintient les profils de déplacement constants et égaux, de sorte que les deux systèmes effectuent la même quantité de travail.

Pendant que les deux moteurs indexent le même profil de mouvement de manière répétée, le courant absorbé par l'alimentation en courant continu des deux systèmes est mesuré et la consommation d'énergie est calculée. Comme le montrent les courbes de valeur, la consommation moyenne du système pas à pas à boucle ouverte est de 43,8 watts, tandis que celle du système à boucle fermée est trois fois moins élevée - 14,2 watts en moyenne. Cette différence spectaculaire de consommation d'énergie montre clairement le fonctionnement plus efficace du système à boucle fermée. Tout utilisateur désireux d'accroître l'efficacité de son système pas à pas à boucle ouverte peut désormais envisager une simple mise à niveau vers un système à boucle fermée et s'attendre à une réduction significative de la consommation.

Comment résoudre le problème de l'échauffement du moteur
Une extension naturelle des tests de consommation d'énergie est l'étude de l'échauffement du moteur. Les systèmes pas à pas à boucle ouverte sont des bêtes simples. Il suffit de régler le variateur sur le courant nominal du moteur et le variateur fera de son mieux pour fournir ce courant au moteur à tout moment, que le couple qui en résulte soit nécessaire ou non. Cela entraîne souvent une production de chaleur au lieu de l'énergie nécessaire à la fonction de l'application - et c'est la raison pour laquelle les systèmes pas à pas à boucle ouverte fonctionnent généralement plus chaudement que leurs homologues à boucle fermée. Cela signifie également que les concepteurs de machines doivent prendre des mesures supplémentaires pour gérer cette chaleur, souvent en incluant des protections spéciales autour des moteurs pas à pas qui fonctionneront à proximité d'opérateurs humains, ou en installant des systèmes de refroidissement supplémentaires tels que des ventilateurs.

Examinons les résultats d'un essai de chauffage du moteur réalisé en laboratoire à l'aide des mêmes systèmes en boucle ouverte et en boucle fermée que ceux décrits ci-dessus. Dans cet essai, les deux systèmes produisent à nouveau la même quantité de travail en entraînant les mêmes charges inertielles, et sont autorisés à fonctionner jusqu'à ce qu'ils atteignent l'équilibre thermique. Le système en boucle ouverte atteint une température de 76°C, tandis que le système en boucle fermée atteint l'équilibre thermique à une température de 36,9°C seulement, soit moins de la moitié de celle du système en boucle ouverte. Cette réduction significative de l'échauffement du moteur peut se traduire par une baisse des coûts des composants pour les constructeurs de machines, car ils peuvent se passer de sous-systèmes de protection et de refroidissement supplémentaires.

Fini les moteurs bruyants
Une autre plainte fréquente concernant les systèmes pas à pas à boucle ouverte est qu'ils sont connus pour produire un bruit assez important. Dans certains environnements, tels que les laboratoires, les hôpitaux et les bureaux, ce bruit peut poser un réel problème aux concepteurs de machines.

Le bruit émis par les moteurs pas à pas provient de la fréquence électrique élevée et des changements rapides de flux dans les dents du stator, et parce que les systèmes à boucle ouverte fonctionnent à plein courant nominal, quelle que soit la charge. Les systèmes pas à pas à boucle fermée, en revanche, alimentent le moteur avec juste assez de courant pour contrôler la charge, ce qui se traduit par un bruit beaucoup moins audible.

Pour obtenir les résultats des essais présentés dans le graphique du bruit acoustique qui accompagne cet article, le bruit acoustique de chaque système est mesuré dans une chambre insonorisée. Le système à boucle fermée est nettement plus silencieux que l'option à boucle ouverte à des vitesses comprises entre 0 et 20 tours par seconde. Cette plage de vitesse coïncide avec la plage de vitesse réelle des applications dans lesquelles les systèmes de moteurs pas à pas sont le plus souvent utilisés, ce qui signifie que la grande majorité des applications de moteurs pas à pas pourraient bénéficier d'une réduction du bruit du moteur si l'on passait à des systèmes en boucle fermée.

Une meilleure précision du moteur pour éliminer les erreurs de position
Les systèmes de moteurs pas à pas à boucle ouverte sont appréciés pour leur capacité à positionner précisément des charges sans mécanisme de rétroaction ou système de contrôle à boucle fermée, mais uniquement si le système à boucle ouverte dispose d'une marge de couple suffisante pour que des erreurs de position ne se produisent pas en fonctionnement normal. Pour une meilleure précision et une conception de système plus robuste, la fermeture de la boucle de position servo autour du retour d'information du codeur haute résolution permet aux systèmes en boucle fermée de compenser automatiquement les augmentations de la demande de couple qui entraîneraient autrement des erreurs de position dans les systèmes en boucle ouverte. Cela améliore considérablement la précision globale du système, en particulier pour les applications hautement dynamiques telles que les systèmes de prise et de placement et les imprimantes 3D, qui nécessitent des déplacements courts et rapides et des changements de direction fréquents.

Mise à niveau des systèmes pas à pas existants
Parmi les composants d'un système de moteur pas à pas intégré, le moteur, l'amplificateur de puissance et les coûts de communication n'augmentent généralement pas lorsque l'on passe d'une boucle ouverte à une boucle fermée. L'électronique de commande peut nécessiter un peu plus de puissance de traitement centrale ou de mémoire pour asservir le moteur, mais cela n'a généralement pas d'impact sur les prix catalogue. La différence de coût entre les systèmes pas à pas à boucle ouverte et à boucle fermée réside en grande partie dans l'ajout d'un dispositif de rétroaction à haute résolution, mais les améliorations apportées à la fabrication ont rendu ces dispositifs de plus en plus abordables. Aujourd'hui, les systèmes pas à pas à boucle fermée conservent les avantages en termes de coûts des systèmes pas à pas à boucle ouverte par rapport à d'autres types de systèmes de positionnement, tels que les servomoteurs traditionnels, mais avec des performances considérablement accrues dans presque tous les domaines. En règle générale, les économies d'énergie et l'augmentation du rendement d'un système à boucle fermée compensent rapidement la légère augmentation du coût du dispositif de rétroaction.

En plus d'une augmentation minime du coût, la mise à niveau d'un système pas à pas à boucle ouverte vers un système à boucle fermée est simplifiée grâce à l'offre de tailles de châssis NEMA. Un moteur pas à pas NEMA 23 à boucle fermée a la même taille, le même diamètre de pilote, le même cercle de trous de boulons et le même diamètre de trous de boulons qu'un moteur pas à pas NEMA 23 à boucle ouverte, de sorte que les supports de montage restent les mêmes. Le couple plus important disponible dans le système à boucle fermée signifie que le diamètre de l'arbre du moteur pas à pas à boucle fermée peut être plus grand, mais cela peut généralement être résolu assez facilement avec un simple changement de l'accouplement de l'arbre.