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1 LES MOTEURS A). Présentation : I ). Schéma fonctionnel : Un moteur est un élément qui permet de transformer une énergie Electrique (Tension, Courant) en énergie Mécanique (Rotation) caractérisée par son couple utile (T) et sa vitesse ( ). Energie Electrique Fournie Moteur (Transformation Electrique -> Mécanique) Energie Mécanique Utilisable II ). Principe de fonctionnement : On place une spire de fil de cuivre dans le champ d un aimant. Lorsque les conducteurs sont parcourus par un courant, ils sont soumis à des forces F et F qui tendent à faire tourner la spire. Le collecteur permet d'inverser le sens du courant dans les conducteurs lorsque ceux-ci passent le plan vertical. Ainsi le sens du couple des forces F et F et donc le sens de rotation du moteur est conservé. Moteurs JFA05

2 III ). Description interne : Le stator est la partie fixe ("statique") du moteur: il est constitué d'un électro-aimant alimenté en courant continu, dont le rôle est de produire un champ magnétique. Le stator, fixé sur la carcasse cylindrique du moteur, entoure le rotor. Le stator est aussi appelé "inducteur". Le rotor, placé à l'intérieur du stator, est la partie tournante ("rotative") du moteur. Il est constitué d'un cylindre portant des bobinages (conducteurs), disposés latéralement sur sa surface. Les extrémités des fils de ces bobinages sont reliées au collecteur, qui entoure l'arbre moteur. Le rotor est aussi appelé "induit". Le collecteur, monté sur l'arbre du moteur, ressemble à une couronne. Il comporte des contacts métalliques isolés les uns des autres, qui assurent la distribution du courant continu aux bobinages du rotor par l'intermédiaire de deux "balais" (contacts glissants). Ces balais, parfois appelés "charbons", sont reliés à la source de tension continue. L'ensemble collecteur-balais, est la partie la plus fragile d'un moteur. Moteurs JFA05

3 On alimente à la fois le stator, qui crée un champ magnétique, et les bobinages du rotor, qui sont donc parcourus par un courant électrique. Or, un conducteur placé perpendiculairement à un champ magnétique et parcouru par un courant est soumis à une force électromagnétique : il se déplace en "fauchant" le champ magnétique. Ce conducteur (ou bobinage) étant solidaire du rotor, celui-ci tourne autour de son axe, ou arbre: il peut alors entraîner une roue, une poulie, une hélice, etc... IV ). Définitions et caractéristiques générales : ). Vitesse : Elle s exprime soit en tours par minute (notée n en tr/min), soit en radian par seconde (notée en rd/s). On a donc : avec en rd/s ; n en tr/min n. 60 Pour un moteur à courant continu, elle est proportionnelle à la tension d alimentation. Moteurs JFA05

4 E K.n Les vitesses peuvent varier de 0 jusqu à 0000 tr/min. ). Sens de rotation : Si le moteur le permet, pour un moteur à courant continu, le sens de rotation dépend du sens d alimentation du moteur. ). Couple utile : C est la somme du moment des couples de forces électromagnétiques qui agissent sur la partie tournante. Il s exprime en newton.mètre (N.m). T F.d Pour un moteur à courant continu, il est proportionnel au courant consommé. T K.I Exemple : vous êtes en vélo sur du terrain plat; pour avancer à 0km/h, vous appuyez sur les pédales. Vous exercez alors un couple noté Tu sur l'axe du pédalier, puis via la chaîne sur l'axe de la roue arrière, le pédalier oppose un couple résistant Tr. Si vous tirez une remorque, toujours sur la même route et si vous exercez le même couple, vous irez moins vite car du fait de la remorque, le couple résistant est plus important. Pour rouler à cette même vitesse de 0 km/h il vous faudra appuyer plus fort sur les pédales, donc fournir un couple plus important. Il en va de même pour un moteur de train : plus il y a de wagons, plus le couple résistant Tr est important, plus le moteur devra fournir un couple Tu important pour rouler à la même vitesse. Quand Tr augmente, on dit que la charge du moteur augmente. 4 ). Puissance utile : C est la puissance mécanique fournie par le moteur. Elle s exprime par : Pu T. avec Pu en Watt ; T en Newton.mètre ; en radian par seconde. 5 ). Puissance absorbée : C est la puissance électrique absorbée par le moteur. Elle s exprime par : avec Pa en Watt ; U en Volt ; I en Ampère. Pa U.I (en continu) La puissance absorbée peut aller de quelques mw à quelques centaines de MW (TGV). 6 ). Rendement : C est le rapport de la puissance utile sur la puissance absorbée. Moteurs 4 JFA05

5 Pu Pa T. U.I η est compris entre 0 et ou s'exprime en % (sa valeur est alors comprise entre 0 et 00 %). Il représente la «qualité» de la transmission de l énergie électrique en énergie mécanique. Plus il se rapproche de, plus le moteur est performant. Il représente indirectement les pertes par frottement et par effet Joule. Le rendement d un moteur peut aller jusqu à 90 à 95 %. V ). Modèle électrique : Pour faire une étude, il est possible de remplacer un moteur électrique par son schéma équivalent : L R U I E En régime permanent, le courant est pratiquement constant, on peut donc simplifier le schéma précédent, par le schéma suivant : R U I E On a donc l équation suivante : U E R.I oû E représente la force contre électromotrice du moteur en volts. R : la résistance équivalente du moteur (Quelques ohms). VI ). Mesure de courant consommé par le moteur : On met une résistance en série avec le moteur, pour pouvoir mesurer le courant consommé, donc le couple fourni. Cette résistance doit-être de faible valeur pour ne pas perturber le montage, et de forte puissance pour pouvoir supporter le courant qui traverse le moteur. M MOTOR DC R Vi Moteurs 5 JFA05

6 B). Les différents types de moteurs : I ). Le moteur à courant continu : ). Présentation : C est un moteur que l on alimente avec une tension continue. Il peut être de types : Soit c est un moteur à aimant permanent, Le stator est constitué par un aimant. Soit c est un moteur universel. Le stator est constitué par un bobinage, et il est alimenté en série avec l induit. Ce moteur fonctionne aussi en alternatif. ). Montages de base : a) Le montage simple : SW M MOTOR DC Le fonctionnement est en tout ou rien. On ne peut pas faire varier ni le sens, ni la vitesse. b) Le montage commandé : M MOTOR DC D Commande TR Le fonctionnement est en tout ou rien, mais avec une commande en signal carré avec un rapport cyclique variable (Modulation P.W.M. (Pulse Width Modulation)), on peut faire varier la tension moyenne aux bornes du moteur donc sa vitesse. Mais on ne peut pas faire varier le sens. Moteurs 6 JFA05

7 Commande T T T T4 T5 T6 T7 T8 t Tension Moyenne t Vitesse Moteur t La diode D est une diode dite «de roue libre», elle court-circuite la tension inverse induite aux bornes du moteur au moment du blocage du transistor T, et protège donc celui-ci. c) Le montage dit «Pont en H» : Symbolisé par le schéma suivant : Marche Horaire SW SW M MOTOR DC Marche Anti Horaire SW SW4 Fonctionnement : Si on appuie sur le bouton marche Horaire, les interrupteurs SW et SW4 se ferment (SW et SW restent ouverts), le moteur est alimenté, et un courant circule de vers. Moteurs 7 JFA05

8 Marche Horaire SW V Moteur SR M MOTOR DC SW4 Si on appuie sur le bouton marche Anti Horaire, les interrupteurs SW et SW se ferment (SW et SW4 restent ouverts), le moteur est alimenté, et un courant circule de vers. V Moteur SW SR M MOTOR DC Marche Anti Horaire SW Si on appuie sur les deux boutons, il y a court-circuit! Moteurs 8 JFA05

9 En pratique : Pour éviter le problème du court-circuit, on utilise le montage suivant : R D D R TR TR M MOTOR DC UA R D D4 R4 Commande TR TR4 Ou ce montage : IN UA R D D R 0 UC 8 9 IN TR TR M MOTOR DC UA 5 6 UB 4 R D D4 R4 UD UA TR TR4 EN Moteurs 9 JFA05

10 Table de fonctionnement : EN In In TR TR TR TR4 Etat du Moteur B B B B Arrêt 0 0 B B B B Arrêt 0 0 B B B B Arrêt 0 B B B B Arrêt 0 0 B S B S Frein 0 S B B S Sens 0 B S S B Sens S B S B Frein Moteurs 0 JFA05

11 d) Les circuits intégrés disponibles : Référence L9E L98N L60 L60 L69 PBL77A UDN96B Modèle Standard DMOS Avec limiteur de courant intégré. Désignation ponts H ponts H pont H pont H ponts H ponts H ponts H Datasheet 8.pdf (94 Ko) 77.pdf (85 Ko) 7.pdf (0 Ko) 77.pdf (07 Ko) 40.pdf (88 Ko) 96.pdf (90 Ko) Prix Approxim. 5 à 6 7 à 0 à 9 4 à 0 7 à 4 à 5 7 à Popularité ** *** ** ** ** *** *** Tension Min - - V V 0V 0V - Tension Max 6V 46V 48V 48V 50V 46V 45V Courant Max A ( x ) A ( x ),5A 4A 0,75A ( x ) A 0,75A ( x ) A si t<ms,5a si t<0ms A en parallèle 5A si t<ms 5A si t<ms Impulsion démarrage : A Puissance 5W 5W 5W Type Boîtier DIP0 Multiwatt5 DIP8 Multiwatt DIP4 DIP6 DIP4 Perte Tension,8V,6V à A,7V à A Utilisation,8V,6V à A,7V à A 4,9V à A entrées par pont IN, IN et ENABLE si ENABLE=0 le moteur est libre si IN= et IN=0 il tourne dans un sens si IN=0 et IN= il tourne dans l'autre sens si IN=IN frein moteur Autres composants qui vous seront peut-être utiles : Entre 0, * I et 0,55 * I L pdf (76 Ko) - Protection courant pour ponts H ( sans pont H ) à - Popularité ** - DIP8 - S'intercale entre les ponts en H et le microp. UC67N - 8.pdf (4 Ko) - Contrôleur moteur DC. 9 à 4 - Popularité ** - DIP8 L97N - 4.pdf (0 Ko) - Contrôleur pour moteur pas à pas ( sans pont H ) à 5 - Pop : *** - DIP0 - Contrôle ponts en H pour moteur pas à pas. Entre 0, * I et 0,55 * I,4V V à 0,75A,6V à A,7V,V à A,8V entrées par pont I0, I et PH I0, I Pour sélectionner le limite en courant. ( 0A,/ Imax, / Imax, Imax) PH sens de rotation. Moteurs JFA05,8V à 0,5A MC479 - mc479.pdf (60 Ko) - Contrôleur pour moteur pas à pas avec ponts H 7,5 à - Pop : ** - DIP6 - de 7, à 6,5V- 50mA - perte à,8v BYW Pop : **** - Diode de redressement rapide -

12 II ). Le moteur pas à pas : ). Introduction : Le moteur pas à pas est un moteur qui tourne en fonction d impulsions électriques reçues dans ses bobinages. L'angle de rotation minimal entre deux modifications des impulsions électriques s'appelle un pas. On caractérise un moteur par le nombre de pas par tour (c'est à dire pour 60 ). Les valeurs courantes sont 48, 00 ou 00 pas par tour. Analyse d'un moteur théorique composé d'un aimant permanent (boussole) et de bobinages constitués chacun de bobines. Le passage d'un courant, successivement dans chaque bobinage, fait tourner l'aimant. Nous avons créé un moteur de 4 pas par tour. Les impulsions électriques sont du type tout ou rien c'est à dire passage de courant ou pas de passage de courant. Les tensions d'utilisation des moteurs sont de,v à 48V continues. La consommation est de 0, A à,5 A. Le couple du moteur est de l'ordre de 5 N. Cm à 64 N. Cm. L'électronique actuelle permet de piloter la chronologie de ces impulsions avec beaucoup de précision et d'en comptabiliser le nombre. Le moteur pas à pas et son circuit de commande permettent donc la rotation d'un axe avec beaucoup de précision en vitesse et en amplitude. Moteurs JFA05

13 ). Les types de moteurs On définit types de moteurs pas à pas en fonction de la polarité de l alimentation des bobinages : a) Le moteur bipolaire : Les bobinages d'un moteur bipolaire sont alimentés une fois dans un sens, une fois dans l'autre sens. Ils créent une fois un pôle nord, une fois un pôle sud d'où le nom de bipolaire. Chaque bobine ne possède que deux fils. Cela complique un peu l'électronique de commande mais permet de renforcer le couple du moteur (ou de réduire son encombrement pour un même couple par rapport à un moteur unipolaire). b) Le moteur unipolaire : Les bobinages d'un moteur unipolaire sont alimentés toujours dans le même sens par une tension unique d'où le nom d'unipolaire. Il possède un POINT MILIEU qui est une connexion centrale sur chaque enroulement. Généralement, on relie ensemble les points milieu de chaque bobine. Cela permet une simplification de la commande des moteurs. c) Les phases : Les phases correspondent aux différentes sources d'énergies alimentant les bobinages. Généralement un moteur bipolaire est un moteur phases, un moteur unipolaire est un moteur 4 phases. Moteurs JFA05

14 Nota : on parle de fonctionnement biphasé quand bobinages sont alimentés en même temps. ). La technologie des moteurs pas à pas : Il existe technologies : a) Moteur à aimant permanent : Un aimant permanent est solidaire de l'axe du moteur (rotor). Des bobines excitatrices sont placées sur la paroi du moteur (stator) et sont alimentées chronologiquement. Le rotor s'oriente suivant le champ magnétique créé par les bobines. Caractéristiques : Faible résolution : nombre de pas / tour peu important ; Couple d utilisation plus élevé par rapport au moteur à reluctance variable ; Présence d un couple résiduel lorsque le moteur est hors tension. b) Moteur à réluctance variable : Il s'agit d'un moteur qui comporte un rotor à encoches se positionnant dans la direction de la plus faible réluctance. Ce rotor, en fer doux, comporte moins de dents qu'il n'y a de pôles au stator. Le fonctionnement du moteur est assuré par un pilotage du type unipolaire et l'avance du rotor est obtenue en excitant tour à tour une paire de pôles du stator. Caractéristiques : Bonne résolution ; Construction simple mais délicate ; Couple développé faible ; Absence de couple résiduel avec le moteur hors tension. c) Moteurs hybrides combinant l'aimant et la réluctance variable : C est un moteur qui superpose le principe de fonctionnement des moteurs à aimant permanent et à réluctance variable et combine leurs avantages. Bonne résolution ; Couple d utilisation élevé ; Grande fréquence de commande ; 4 ). Le mode de commande : On a 4 modes de commande possibles : a) Le mode en pas entiers : Pour un moteur unipolaire, on alimente successivement chaque demi-enroulement. Moteurs 4 JFA05

15 Pour un moteur bipolaire, on alimente un seul enroulement. Temps Temps Temps 4 Temps On utilise ce mode à faible vitesse, et pour un couple faible. b) Le mode en pas entiers : Pour un moteur unipolaire, on alimente successivement deux demi-enroulements. Pour un moteur bipolaire, on alimente deux enroulements. Temps Temps Temps Temps 4 On utilise ce mode à forte vitesse, et pour un couple important. c) Le mode en demi-pas : En associant le mode et le mode, on obtient un mode en demi-pas, cela permet de doubler la résolution du moteur. Moteurs 5 JFA05

16 Temps Temps Temps Temps 4 Temps 5 Temps 6 Temps 7 Temps 8 On utilise ce mode à forte précision, et pour un couple faible. d) Fonctionnement en micro-pas : Ce mode est surtout utilisé lors de déplacements de haute précision dans les machines à commande numériques pour des déplacements qui ont besoin d'être synchronisés. Il s'agit de commander les bobines en faisant varier les tensions de commande aux bornes de chaque bobine de façon à supprimer les saccades dues aux pas. Néanmoins, il est impossible d'arrêter le moteur entre deux demi-pas. Pour ce fonctionnement, le circuit de puissance génère des courants variables dans les bobines durant chaque séquence. Le champ résultant est la composition des champs créés par les bobines. En faisant varier par échelon le courant dans les bobines, on crée un champ résultant qui semble glisser d'un pas à un autre. La grandeur des pas est réduite. Les circuits pour micro-pas divisent les pas moteur jusqu'à 500 fois. Les courants dans les bobines ressemblent à courants alternatifs décalés de ). Les circuits intégrés disponibles : Circuits disponibles SAA07, LM97, PBD57 Moteurs 6 JFA05

17 C). Exercices : I ). Le montage : Fort de toutes ces notions concernant les moteurs pas-à-pas, nous allons passer à l'étude du montage. Le système expliqué ici fonctionne en mode pas entier. Comme montré sur le schéma ci-dessous, le système est constitué de 4 parties : Un compteur/décompteur Un multiplexeur Des portes NAND Des transistors qui pilotent les bobines du moteur D DIODE UA 7400 R 4.7k Q TIP0 D DIODE Sens Horaire Sens Anti Horaire U CTRDIV0 4 5 CT=0 + 4 G CT=9 - G C CT= D [] [] [4] [8] U 7455 X/Y ENa ENb 0a a a a 0b b b b UB R 4.7k Q TIP0 D DIODE J CON J CON UC R 4.7k Q TIP0 UD 7400 R4 4.7k Q4 TIP0 D4 DIODE Schéma Contrôleur de moteur pas-à-pas sans circuit spécialisé Le compteur/décompteur, selon l'entrée UP ou DOWN, compte ou décompte de 0 à (ou de à 0) en binaire sur bits (les sorties QA et QB sur le chronogramme). Le multiplexeur se sert des valeurs (états de QA et QB) que donne le compteur pour mettre à 0 l'une de ses 4 sorties. Chaque sortie sera mise à 0 successivement, les autres restant à (sorties Y0, Y, Y et Y sur le chronogramme). Les portes NAND permettent de maintenir sorties sur 4 à tandis que les autres sont à 0 et ceci dans un ordre bien précis (en quadrature sur les sorties Q, Q, Q et Q4). Moteurs 7 JFA05

18 Les transistors sont directement pilotés par les portes NAND (via une résistance de 4k7) pour fournir un courant suffisant aux bobines du moteur pas-à-pas. Chronogramme du montage Moteurs 8 JFA05

19 LES MOTEURS Principe de fonctionnement : Stator : Moteurs 9 JFA05

20 Rotor : Balais et Collecteur : C est la puissance mécanique fournie par le moteur. Elle s exprime par : Moteurs 0 JFA05

21 Montage Commandé Montage : M MOTOR DC D Commande TR Chronogrammes : Commande T T T T4 T5 T6 T7 T8 t Tension Moyenne t Vitesse Moteur t Moteurs JFA05

22 Pont en H Schéma : SW SW M MOTOR DC Marche Anti Horaire SW SW4 Marche sens Horaire : Marche sens Anti Horaire : SW V Moteur V Moteur SW SR SR M MOTOR DC M MOTOR DC SW4 SW Moteurs JFA05

23 Montages Pratiques Montage de Base : R D D R TR TR M MOTOR DC UA R D D4 R4 Commande TR TR4 Montage «évolué» : IN UA R D D R 0 UC 8 9 IN TR TR M MOTOR DC UA 5 6 UB 4 R D D4 R4 UD UA TR TR4 EN Moteurs JFA05

24 Table de fonctionnement : EN In In TR TR TR TR4 Etat du Moteur Moteurs JFA05

25 Moteur pas à pas Présentation d un moteur de 4 pas par tour : Types d un moteur pas à pas : Moteurs 4 JFA05

26 Mode de commande des Moteurs pas à pas Le mode en pas entiers : Temps Temps Temps Temps 4 Le mode en pas entiers : Temps Temps Temps Temps 4 Le mode en demi-pas : Temps Temps Temps Temps 4 Temps 5 Temps 6 Temps 7 Temps 8 Moteurs 5 JFA05

27 Moteurs 6 JFA05 Exercice D DIODE R4 4.7k Q TIP0 R 4.7k UA 7400 UD 7400 D DIODE G C CTRDIV0 [] CT=0 + G - CT=9 CT=0 D [] [4] [8] U Q TIP0 Q4 TIP0 Sens Horaire R 4.7k J CON 0a a a a 0b b b b ENa ENb X/Y U Q TIP0 D4 DIODE R 4.7k D DIODE UC J CON UB Sens Anti Horaire

28 Chronogrammes Moteurs 7 JFA05

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