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Impact de la vitesse sur les performances de couple des moteurs pas à pas

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L'effet de la vitesse sur le couple d'un moteur pas à pas

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Les moteurs pas à pas sont généralement choisis pour des applications nécessitant un positionnement précis, un couple de maintien et un couple dynamique à faible vitesse. Ils ont également été utilisés pour fournir un couple relativement élevé à des vitesses élevées, bien que cela soit peu courant en raison du mode de fonctionnement du moteur pas à pas. Les performances d'un moteur sont mesurées en termes de vitesse et de couple dynamique généré dans des conditions d'entraînement données (tension/courant d'entrée). Le couple généré par les moteurs pas à pas est proportionnel au courant fourni aux bobines, jusqu'à la limite de saturation ; en d'autres termes, plus le courant dans la bobine est élevé, plus le couple est important. Cependant, l'inductance (L) et la résistance (R) de l'enroulement limitent le courant dans la bobine, limitant ainsi la génération du couple.

Comprendre la constante de temps électrique

Les moteurs pas à pas ont deux enroulements de phase qui sont montés sur des stators séparés. Un circuit électrique pour une phase du moteur peut être représenté par un circuit simple, comme le montre la figure 1 (cliquez sur le lien pour voir la figure sur notre site web).

Dans les moteurs pas à pas, le courant est fourni par pas/impulsions. Idéalement, l'impulsion de courant est une onde carrée, c'est-à-dire que le temps de montée et de descente est nul. Cependant, comme le montre la figure 2, le courant présente une réponse exponentielle en fonction du temps en raison de l'inductance et de la résistance de la bobine. L'équation du courant et la figure 2 montrent clairement que le courant met un certain temps à atteindre sa valeur maximale dans la bobine.

La constante de temps (τ) du circuit LR est donnée par L/R. La constante de temps électrique est définie comme le temps nécessaire pour que le courant dans l'enroulement atteigne 63 % de sa valeur nominale. Par exemple, si le courant nominal du moteur pas à pas est de 2 A par phase, et après une constante de temps si le courant dans l'enroulement est de 1,264 A, alors le couple de sortie du moteur correspondant sera également proportionnellement inférieur au couple nominal au courant nominal.

Pourquoi les moteurs pas à pas fournissent-ils moins de couple à des vitesses plus élevées ?

Pour obtenir le couple nominal du moteur, le courant dans la bobine doit atteindre sa valeur nominale. Lorsque le moteur fonctionne à des vitesses inférieures, le courant dispose de suffisamment de temps pour atteindre sa valeur nominale dans la bobine. Cela signifie qu'à des vitesses inférieures, un moteur pas à pas peut fournir le couple nominal. À des vitesses plus élevées, cependant, la constante de temps joue un rôle crucial. Lorsqu'un moteur pas à pas tourne à des vitesses plus élevées, le nombre d'impulsions fournies au moteur dans un laps de temps donné est très élevé, ce qui signifie que le temps disponible pour que le courant atteigne sa valeur nominale est plus court. La valeur nominale du courant ne peut pas être atteinte dans l'enroulement d'une phase avant que le courant ne soit fourni à la phase suivante, et comme le courant ne peut pas atteindre sa valeur nominale, un moteur pas à pas ne peut pas générer le couple nominal et les performances diminuent à des vitesses élevées.

Nous pouvons comprendre ce phénomène en examinant le moteur 42M048D1B de Portescap.

La constante de temps du moteur sélectionné est de 0,807 ms, c'est-à-dire que le courant atteindra 63% de sa valeur nominale en 0,807 ms. Le temps nécessaire pour que le courant atteigne sa valeur nominale est équivalent à 5τ. Dans cet exemple, ce temps sera de 4 ms, ce qui correspond à 250 PPS. Si le courant dans les enroulements atteint sa valeur nominale, alors nous pouvons obtenir le couple nominal du moteur.

Nous pouvons surmonter cette limitation et utiliser le moteur pas à pas pour obtenir le couple requis à des vitesses élevées en utilisant l'une des deux méthodes suivantes :

L'utilisation d'un circuit d'entraînement à hache. Un pilote hacheur utilise la technique consistant à activer et désactiver rapidement la tension de sortie du moteur (hachage) pour contrôler le courant dans les enroulements du moteur. Le pilote hacheur applique une tension très élevée au moteur pas à pas à chaque étape, ce qui entraîne une augmentation rapide du courant. Comme le pilote du hacheur maintient un courant constant dans les enroulements du moteur, même à grande vitesse, nous pouvons obtenir le couple requis des moteurs pas à pas à grande vitesse.

Maintien d'une constante de temps électrique inférieure. Si l'application nécessite un couple élevé de la part des moteurs pas à pas à des vitesses élevées, le bobinage doit être personnalisé pour maintenir la constante de temps électrique aussi basse que possible. Les ingénieurs concepteurs de Portescap peuvent personnaliser la conception du moteur pour ces applications afin d'obtenir le couple requis à la vitesse souhaitée.

Vous souhaitez plus d'informations sur l'utilisation des moteurs pas à pas dans une application à haute vitesse et à couple élevé ? Contactez Portescap ici - nous serons heureux de vous aider !