Technologie Pas-à-Pas (Stepper)

Les principaux types de moteur pas-à-pas

 

À aimant permanent «tin can»

Vue d’un moteur à aimants permanents
  Vue d’un moteur à aimants permanents

Le nom de ce type de moteur pas à pas est lié à la conception de son stator : une tôle magnétique découpée et emboutie.

Sur un diamètre intérieur, les tôles composent une série de dents qui symbolise les pôles du stator tout en laissant un espace torique pour une bobine.

Chaque sous-ensemble représente une phase stator (cf. schéma).

Le rotor est un barreau aimanté radialement ayant plusieurs paires de pôles N-S.

Avantages du moteur à aimant permanent :

  • Bon marché
  • Dimensions réduites
  • Bon rendement
  • Bon amortissement des oscillations
  • Grand angle de pas (nombre de pas faible : 48)

Inconvénients du moteur à aimant permanent :

  • Puissance faible
  • Paliers en bronze ou plastique (pas de roulement)
  • Couple résiduel sans courant
  • Vitesse faible
 

Hybride

Vue d’un moteur hybride
  Vue d’un moteur hybride

Le moteur pas à pas « hybride » allie le principe du moteur à réluctance variable à celui du moteur à aimant permanent.

Le rotor du moteur hybride comprend 2 structures régulières de dents.

Ces 2 blocs sont décalés d’une ½ dent l’un par rapport à l’autre et sont fixés de part et d’autre d’un aimant permanent magnétisé axialement.

Le circuit magnétique du stator possède plusieurs pôles constitués de paquets de tôles entourés chacun d’une bobine ; les paquets de tôles se terminant par des dents.

Une phase est constituée de plusieurs dents ; 4 dans la plupart des cas. Tous les pôles de la phase sont décalés de façon à assurer le déphasage de 90° (quadrature).

Avantages du moteur pas à pas hybride :

  • Couple important
  • Plus de puissance
  • Rendement assez bon
  • Courbe start/stop assez élevée
  • Bon amortissement
  • Adapté au fonctionnement micropas
  • Roulement à billes pour une meilleure charge radiale et plus longue durée de vie
  • Petit angle de pas

Inconvénients du moteur pas à pas hybride :

  • Inertie élevée
  • Couple résiduel sans courant
  • Plus couteux
  • Plus volumineux
 

Réluctance variable

Vue d’un moteur à reluctance variable
  Vue d’un moteur à reluctance variable

Le principe de fonctionnement de ce type de moteur pas à pas est proche de celui du moteur hybride, avec une structure dentée au rotor et au stator.

Il n’y a pas d’aimant au rotor pour renforcer l’action du flux et donc pas de couple résiduel sans courant.

Ce type de moteur pas à pas n’est presque plus utilisé ni fabriqué.

 

 

 

 

 

Si nous devions comparer les différents types de moteurs pas à pas

  Aimant permanent Hybride Reluctance variable
Coût Bas Haut Moyen/Haut
Vitesse Bas Très haut Haut
Couple résiduel Haut Moyen Minimum
Amortissement Bon Moyen/Bon Mauvais
Inertie rotor Haut Bas Bas
Rendement Moyen Très haut Moyen
Angle de pas 7.5°/15°/18° 0.9°/1.8° 1.8°
Nbrs de pas/tour 48/24/20 400/200 200
Précision du pas Bas Haut Moyen
 

Comment fonctionne un moteur pas à pas ?

structure d’un moteur pas à pas (montage bipolaire)
  Structure d’un moteur pas à pas (montage bipolaire)

La figure ci-dessous montre la structure de base d’un moteur pas à pas à aimant permanent. Le rotor est un barreau aimanté radialement. Dans ce cas simple, l’aimant est bipolaire (un pôle nord et un pôle sud). Le stator présente 2 phases (bobine1 et bobine 2).

Si on alimente la bobine 1, dans le sens +I, l’aimant va se placer en position  

Si l’on supprime le courant dans la bobine 1 et qu’on l’établit dans la bobine 2 dans le sens –I, l’aimant va tourner de 90° et va se placer en position  

Si l’on supprime le courant dans la bobine 2 et qu’on l’établit dans la bobine 2 dans le sens –I, l’aimant va tourner de 90° et va se placer en position  

On rétablit enfin le courant dans la bobine 2, dans le sens +I l’aimant va se placer en position  

L’aimant a donc 4 positions possibles par tour. On dit que l’angle de pas, ou le pas est de 90°. On a donc un moteur pas à pas de 4 pas par tour.

Cette séquence d’alimentation des phases alimente une seule phase à la fois (1 phase ON). Aussi, en alimentant de manière appropriée 2 phases à la fois (2 phases ON) on obtiendrait également 4 positions stables décalées de 90° entre elles mais à 45° par rapport au cycle 1 phase ON.

 

1 PHASE ON

Position Bobine 1 Bobine 2 Angle
1 +1 0
2 0 -1 90°
3 -1 0 180°
4 0 +1 270°

 

2 PHASE ON

Position Bobine 1 Bobine 2 Angle
1 +1 +1 45°
2 -1 +1 135°
3 -1 -1 225°
4 +1 -1 315°

 

structure d’un moteur pas à pas (montage unipolaire)
  Structure d’un moteur pas à pas (montage unipolaire)

Une commande mixte (1 phase ON, 2 phases ON, 1 phase ON, etc.) permet un fonctionnement en demi-pas, ce qui double le nombre de positions stables pour un tour et augmente ainsi la résolution du pas à 45° (8 pas par tour).

Il est aisé de voir que le sens de rotation du moteur dépend de la polarité du courant (la permutation des 2 fils d’une phase inverse donc le sens de rotation).

La solution la plus simple pour inverser le sens de rotation consiste à inverser le sens du courant. Ce type de montage est appelé Bipolaire (moteur 2 phases).

Une autre solution consiste à utiliser un bobinage à point milieu avec le même sens de bobinage pour les 2 enroulements et d’alimenter le point milieu par un courant positif vers une extrémité puis vers l’autre. Ce type de montage est appelé Unipolaire (moteur 4 phases).