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Retour d'information sur les moteurs pas à pas pour un meilleur positionnement et une meilleure tenue (et moins de sonneries)

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Q&R

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Les moteurs pas à pas constituent un excellent choix pour de nombreuses applications de contrôle de mouvement et de position. Ils sont disponibles dans une large gamme de tailles et de couples nominaux et sont nettement moins chers que les servomoteurs haut de gamme. Nous allons donc examiner les moyens d'améliorer les performances des moteurs pas à pas pour les porter au niveau de celles des servomoteurs en ajoutant des dispositifs de retour d'information. Les moteurs pas à pas équipés de dispositifs de rétroaction ne remplacent pas complètement les servomoteurs, mais ils peuvent constituer une alternative fiable pour de nombreuses applications réelles. Ces solutions de conception de mouvement améliorent les performances des machines sans se ruiner.

Avantages et inconvénients des moteurs pas à pas
Les moteurs pas à pas sont des moteurs électriques à courant continu sans balais qui se déplacent par étapes discrètes au lieu d'effectuer un mouvement de rotation continu. Ces mouvements par paliers sont entraînés par les déplacements du champ magnétique par des ensembles de bobines électromagnétiques dans le stator. Le fonctionnement d'un moteur pas à pas dépend d'un contrôleur - un dispositif électronique qui alimente en courant les bobines du stator du moteur dans une séquence qui entraîne des mouvements par paliers. Les capacités du contrôleur ont un impact significatif sur les performances du moteur.

Il existe plusieurs types de moteurs pas à pas, mais les plus courants offrent une bonne résolution (200 pas par tour ou mieux) ainsi qu'un couple respectable à basse vitesse, une construction robuste, une longue durée de vie et un coût relativement faible. Cependant, ils ont des limites. Le couple diminue à des vitesses de rotation plus élevées et (avec des contrôleurs simples) les moteurs pas à pas peuvent être sujets à des vibrations à haute fréquence. Le plus grand inconvénient est que, même dans les applications de positionnement, les systèmes de base à moteur pas à pas fonctionnent en boucle ouverte.

Les moteurs pas à pas répondent aux instructions du contrôleur pour se déplacer d'un certain nombre de pas, mais ne lui renvoient aucune information sur l'achèvement du mouvement. Par conséquent, si le moteur ne parvient pas à effectuer les mouvements de pas demandés, un écart croissant peut apparaître entre ce que le contrôleur considère comme la position rotative de l'arbre du moteur et la position réelle de l'arbre (et de toute charge attachée ou de tout mécanisme entraîné). De tels décalages se produisent lorsque le couple du moteur est insuffisant pour vaincre la résistance mécanique... et en fait, ces décalages peuvent devenir un problème important à haut régime, car c'est à ce moment-là que les capacités de couple du moteur sont limitées. C'est pourquoi les ingénieurs concepteurs surspécifient souvent les moteurs pas à pas - pour éviter les étapes manquées, même si cela se traduit par des sélections de moteurs pas à pas trop grands et trop lourds pour tous les profils de mouvement, sauf les plus exigeants.

Un autre inconvénient est que lorsqu'un moteur pas à pas traditionnel s'arrête, le courant doit circuler dans les enroulements du moteur pour maintenir l'arbre du moteur pas à pas en position. Cela consomme de l'énergie électrique et chauffe les enroulements du moteur et les sous-composants environnants.

Retour d'information sur les systèmes à moteur pas à pas pour un positionnement fiable
L'ajout de codeurs à un système à moteur pas à pas pour obtenir un retour d'information sur la position de l'arbre ferme essentiellement la boucle de contrôle. L'ajout de ces dispositifs de rétroaction augmente le coût global du système, mais pas autant que le passage à un servomoteur.

L'une des approches permettant d'ajouter le retour d'information du codeur consiste à fonctionner en mode "déplacement et vérification". Dans ce cas, un simple codeur incrémental est ajouté à l'arbre de queue du moteur pas à pas. Lorsque le contrôleur envoie des commandes de pas au moteur, le codeur vérifie en permanence que les mouvements commandés ont bien eu lieu. Si le moteur n'effectue pas le nombre de pas demandé, le contrôleur peut demander des pas supplémentaires jusqu'à ce que le moteur atteigne la position voulue. Les contrôleurs plus sophistiqués augmentent également le courant de phase dans le moteur afin d'augmenter le couple pour effectuer ces pas supplémentaires.

Les codeurs utilisés dans ces installations de déplacement et de vérification ont généralement des résolutions qui sont des multiples de 200 positions par révolution.

Il convient de noter que les configurations utilisant les modes de déplacement et de vérification peuvent toujours bénéficier de l'inclusion de moteurs surdimensionnés, mais pas au point d'être nécessaires pour les systèmes simples à boucle ouverte.

Notez également que ce mode peut aider les contrôleurs intelligents à régler avec précision les courants de maintien dans le moteur pour améliorer légèrement l'efficacité lors de l'arrêt ... bien que la consommation d'énergie globale ait toujours tendance à être élevée.

Commande de pas à pas en boucle fermée avec codeurs absolus
Une autre option un peu plus sophistiquée pour les applications critiques de contrôle de position est le contrôle en boucle fermée complète utilisant des codeurs absolus multitours. Les codeurs utilisés ici se fixent sur l'arbre de queue d'un moteur pas à pas pour surveiller :

1. La position angulaire du moteur pas à pas ainsi que
2. Le nombre de tours complets du moteur pas à pas.

Dans cette configuration, le moteur pas à pas est contrôlé comme un moteur à courant continu sans balais (bldc) à nombre de pôles élevé ... et le codeur fournit continuellement un retour d'information sur la position au contrôleur. Le courant de maintien fourni au moteur est alors exactement adapté à la quantité nécessaire pour maintenir la position dans une tolérance donnée. Un moteur pas à pas contrôlé comme un servomoteur sans balais est économe en énergie et moins coûteux qu'un véritable servomoteur bldc. Alors, pourquoi ne pas utiliser des moteurs pas à pas bon marché pour toutes les applications servo bldc ?

Les moteurs pas à pas utilisés dans les systèmes d'asservissement en boucle fermée présentent une limitation physique que n'ont pas les véritables servomoteurs BLDC. Plus précisément, les moteurs pas à pas ainsi utilisés fonctionnent essentiellement comme des moteurs sans balais à 50 pôles et ne peuvent donc pas atteindre les vitesses de rotation possibles avec les servomoteurs. En outre, les rotors des moteurs pas à pas ont une inertie plus importante que ceux des véritables servomoteurs BLDC de puissance équivalente... et ne peuvent donc pas fournir les mêmes accélérations.

Lorsqu'un moteur pas à pas est utilisé en mode bldc, le codeur joue un rôle essentiel dans la commutation en indiquant la position rotative exacte de l'arbre du moteur ... ce qui permet au contrôleur d'alimenter l'ensemble approprié d'électroaimants du stator pour une rotation continue selon les besoins. En outre, les codeurs absolus de précision peuvent également aider les contrôleurs de micropas avancés à affiner le réglage du courant de phase afin de réduire le tintement (vibration) qui se produit dans les systèmes de moteurs pas à pas plus basiques.