CYCLE N 9 LA CONVERSION D ENERGIE. COURS MOTEUR PAS à PAS

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Gilbert Leroux
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CYCLE N 9 LA CONVERSION D ENERGIE Niveau : 1 er S-SI Identifier la machine réalisant la fonction convertir l énergie Analyser les transferts et les pertes d énergie Analyser la réversibilité de la

1 CYCLE N 9 LA CONVERSION D ENERGIE Niveau : 1 er S-SI Identifier la machine réalisant la fonction convertir l énergie Analyser les transferts et les pertes d énergie Analyser la réversibilité de la machine COURS MOTEUR PAS à PAS I. Introduction Le moteur pas à pas est un convertisseur qui transforme une succession d impulsions électriques en mouvements mécaniques angulaire, élémentaires appelés pas. Lorsqu il est alimenté par un générateur continu, il conserve fermement sa position. Ce type de moteur est très courant dans tous les dispositifs où l'on souhaite pouvoir contrôler la position angulaire de l axe du moteur. Exemples d application : - Pour l'avance du papier et de la tête d'impression d'une imprimante. (Positionnement de la tête d'impression et rotation du rouleau porte). - Pour le réglage du diaphragme d'un appareil photographique. - La commande d axes en robotique. -Pour l'avance du piston de la seringue liée au pousse seringue. Ses Avantages La grande précision de la mise en position est la qualité essentielle de ce moteur. Un moteur à 360 pas permet un positionnement degré par degré. La précision du positionnement atteint couramment de 3 à 5% du pas. Ce moteur ne possède pas de dispositif de commutation électrique comme c est le cas du moteur à courant continu. Par conséquent, il est particulièrement fiable, peu sujet aux pannes. On peut le faire tourner à des vitesses très variables et très lentes. Ses Inconvénients Ce moteur impose un circuit électronique pour la commande de ses bobinages. Il est lent par rapport à un moteur à courant continu. Sa consommation électrique est importante et son rendement mauvais. II. Classification des moteurs pas à pas Un moteur pas à pas est caractérisé par sa résolution ou encore son nombre de pas par tour. Il peut avoir une valeur comprise entre 4 et 400. La vitesse de rotation est fonction de la fréquence des impulsions. On peut distinguer trois catégories technologiques : Moteur à reluctance variable. Moteur à aimants permanents Moteur hybride

III. Principe du moteur pas à pas 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

2 III. Principe du moteur pas à pas 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 bobines sont alimentées, l aimant se positionne suivant la bissectrice des deux axes On dit que l aimant se positionne de façon qu il soit traversé par le maximum de flux : règle de flux maximal. 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. IV. Principe et commande du moteur pas à pas à aimant permanant Ce moteur pas à pas est constitué : - D un rotor constitué d un aimant permanant - D un stator portant un jeu de deux bobines formant des électroaimants. Chaque bobine, lorsqu elle est parcourue par un courant, produit un champ magnétique dans lequel le rotor tend à s aligner. On rappelle que deux pôles magnétiques de signes opposés s attirent. Il existe deux types de commande : - Unipolaire (6 ou 8 fils) - Bipolaire (4 fils) Commande unipolaire : Chaque électroaimant est constitué de deux bobines couplées entre elles. - Si cette borne est reliée au + de l alimentation. L application d un 0 volt sur une des deux autres bornes (A1 ou A2) va permettre de définir le sens du champ magnétique crée par l électroaimant. - Si cette borne est reliée au (0V) de l alimentation. L application d une tension positive sur une des deux autres bornes (A1 ou A2) va permettre de définir le sens du champ magnétique crée par l électroaimant.

3 Commande Bipolaire : Chaque électroaimant est constitué d un bobinage. Le sens de parcourt du courant injecté dans le bobinage va permettre de définir le sens du champ magnétique crée par l électroaimant.

Commandes d un moteur pas à pas à aimant permanent Pour expliquer le principe du moteur pas à pas à aimant permanent, nous avons présenté sa commande la plus simple appelée «commande en

Types de commande : Commande en pas entier (mode 1) : Une seule bobine est alimentée à la fois. Avantages : Commande facile Inconvénients : Faible couple.

Avantages : Couple plus important Inconvénients : Commande plus complexe Commande en demi-pas (mode 1-2) : On alterne la commande en pas entier et simultané.

chaque bobine différemment pour que l axe se rapproche plus d une bobine que de l autre.

Principe du moteur pas à pas à réluctance variable Le moteur pas à pas à réluctance variable est un moteur pas à pas à rotor non aimanté. Il ressemble au moteur à rotor aimanté.

4 Commandes d un moteur pas à pas à aimant permanent Pour expliquer le principe du moteur pas à pas à aimant permanent, nous avons présenté sa commande la plus simple appelée «commande en pas entier». Il existe 3 autres types de commande, chacun ayant ses avantages et inconvénients. Types de commande : Commande en pas entier (mode 1) : Une seule bobine est alimentée à la fois. Avantages : Commande facile Inconvénients : Faible couple. Commande en simultané (mode 2) : 2 bobines sont alimentées simultanément. Avantages : Couple plus important Inconvénients : Commande plus complexe Commande en demi-pas (mode 1-2) : On alterne la commande en pas entier et simultané. Avantages : Deux fois plus de positions (Positionnement plus précis) Inconvénients : Couple irrégulier Commande en micro-pas : On utilise la commande en simultané mais en alimentant chaque bobine différemment pour que l axe se rapproche plus d une bobine que de l autre. Avantages : Positionnement beaucoup plus précis Inconvénients : Commande complexe et électronique plus couteuse V. Principe du moteur pas à pas à réluctance variable Le moteur pas à pas à réluctance variable est un moteur pas à pas à rotor non aimanté. Il ressemble au moteur à rotor aimanté. Mais : Le rotor n est pas cylindrique. Le rotor est une pièce en matériau magnétique (fer). Le stator possède au moins trois bobines. Lorsqu une bobine est alimentée, le rotor s oriente pour lui présenter une masse magnétique. Commande : La commande de ce moteur se fera en alimentant successivement les bobines. On obtiendra donc la rotation du rotor. En répétant les bobines au stator, on peut obtenir un grand nombre de positions (pas). En pratique, la constitution et le principe de ce type de moteur sont les mêmes que ceux d'un moteur à aimant permanent. Désormais, ils sont très peu utilisés du fait de leur très faible couple.

VI. Constitution et commande d'un moteur pas à pas hybride Le moteur hybride est, technologiquement, un mélange du moteur à aimant permanent et du moteur à réluctance variable.

Le rotor est composé d'un aimant associé à deux couronnes de 50 dents chacune décalée d'une demi dent.

Ce principe permet la fabrication de moteur avec capacité allant jusqu'à 600 pas par tour. VII.

5 VI. Constitution et commande d'un moteur pas à pas hybride Le moteur hybride est, technologiquement, un mélange du moteur à aimant permanent et du moteur à réluctance variable. La commande est identique à celle d un moteur pas à pas A aimant permanent. Pour l'exemple ci-contre: Le stator est composé de 2 bobines câblées en 8 électroaimants soit 4 paires de pôles. Le rotor est composé d'un aimant associé à deux couronnes de 50 dents chacune décalée d'une demi dent. Vu de dessus, on obtient ainsi 100 dents alternativement pôle sud et pôle nord; soit 50 paires de pôles. Le nombre de pas est alors de 4 x 50 = 200. Ce principe permet la fabrication de moteur avec capacité allant jusqu'à 600 pas par tour. VII. Détermination du nombre de pas par tour Pour expliquer le principe de commande, nous avons considéré un moteur à 2 paires de phases (stator) et 1 paire de pôle (rotor), on obtient un moteur à 4 pas par tour! Ce moteur serait inutilisable. Pour augmenter le nombre de pas par tour, on réalise des rotors à plusieurs paires de pôles et des stators à plusieurs fois 4 phases. Alors, le nombre de pas par tour est égal au produit du nombre de phases par le nombre de pôles. Exemple dans la gamme de RTC de moteur pas à pas unipolaire: 8 phases et 12 paires de pôles soit 96 pas par tour. VIII. Caractéristiques techniques importantes Tension d'alimentation de phase (en V) : tension nominale pour alimenter chaque phase. Courant nominal par phase (en A) : courant absorbé par une phase alimentée à couple nul. Résistance d'enroulement (en W) : résistance de chaque phase. Couple d'arrêt (en Nm) : couple maximal applicable lorsque le moteur est arrêté. Résolution (en ) : angle correspondant à un pas. Caractéristique couple (en Nm) / fréquence maximale (en Hz ou pas/seconde). Les moteurs pas à pas permettent le positionnement précis d un axe. Leur constitution fait qu ils ne peuvent pas avoir un couple en rotation et De maintient très élevés. Ils ne peuvent pas non plus fonctionner à des fréquences élevées.

6 IX. Comparaison des 3 catégories de moteurs pas à pas : Type de moteur Moteur à aimant permanent Moteur à réluctance variable Résolution (Nb de pas/tour) Moyenne Bonne Couple moteur Elevé Faible Sens de rotation Il dépend : -du sens du courant pour le moteur bipolaire -de l'ordre d'alimentation des bobines Il dépend uniquement de l'ordre d'alimentation des bobines Fréquence de travail Faible Grande Moteur hybride Elevée Elevé Il dépend : -du sens du courant pour le moteur bipolaire -de l'ordre d'alimentation des bobines Grande

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