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8/13/2019 moteur-pasapas

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Haute Ecole dIngnierie et de GestionDu Canton du Vaud

CD\SEM\Cours\Chap07 M. Correvon

Systmes lectromcaniques

___________Chapitre 07 LES MOTEURS PAS PAS


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T A B L E D E S M A T I E R E S

PAGE

7. LES MOTEURS PAS--PAS........................................................................................................................................1

7.1 INTRODUCTION...........................................................................................................................................................17.1.1 Dfinition d'un actionneur pas pas........................................................................ .............................. 17.1.2 Proprits et applications ................................................................ ...................................................... 3

7.2 TYPE PRINCIPAUX DE MOTEURS.................................................................................................................................47.2.1 Moteur pas--pas rluctance variable MRV................................................................... .................... 57.2.2 Moteur pas pas aimants permanents MP ......................................................................... .............. 167.2.3 Moteur pas--pas hybride MH .................................................................... ........................................ 247.2.4 Comparaison entre les trois types de moteurs pas pas......................................................................26

7.3 MODE DE COMMANDE DES MOTEURS PAS PAS BIPHASS.....................................................................................277.3.1 Mode 1 : commande en pas entier, une phase ON ....................................................................... ....... 277.3.2 Mode 2 : commande symtrique en pas entier, deux phases ON........................................................ 277.3.3 Mode 3 : commande asymtrique en demi pas, une ou deux phases ON...................... ...................... 287.3.4 Mode 4 : commande symtrique en demi pas, une ou deux phases ON.............................................. 297.3.5 Mode 5 : commande micro pas ................................................................... ........................................ 297.3.6 Mode 6 : commande en auto commutation (utilisation dun capteur) ................................................. 30

7.4 COMPORTEMENT STATIQUE .....................................................................................................................................317.4.1 Position dquilibre ..................................................................... ........................................................ 317.4.2 Condition pour le dplacement dun pas.............................................................................................32

7.5 COMPORTEMENT DYNAMIQUE.................................................................................................................................337.5.1 Gnralits ............................................................ ...................................................................... ........ 337.5.2 Dplacement autour dune position dquilibre ........................................................... ....................... 337.5.3 Modlisation complte du moteur............ ..................................................................... ...................... 377.5.4 La commande en tension......... ................................................................ ............................................ 397.5.5 La commande en courant .............................................................. ...................................................... 407.5.6 Amortissement du mouvement sur un pas.................................................................................... ....... 45

7.6 DOMAINE DE FONCTIONNNEMENT DES MOTEURS PAS PAS ..................................................................................467.6.1 Comportement aux basses vitesses........................................................................... ........................... 46

Bibliographie


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LES MOTEURS PAS A PAS Page 1

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7. LES MOTEURS PAS--PAS7.1 INTRODUCTION7.1.1 Dfinition d'un actionneur pas pas

Le moteur pas pas constitue un convertisseur lectromcanique destin transformer lesignal lectrique (impulsion ou train d'impulsions de pilotage) en dplacement (angulaire oulinaire) mcanique.Au point de vue lectrotechnique, le moteur classique ressemble la machine synchrone,dont le stator (le plus souvent ples saillants) porte les enroulements de pilotage et le rotor(presque toujours ples saillants) est soit muni daimants permanents (structure dite

polarise ou active), soit constitu par une pice ferromagntique dente (structure diterluctante ou passive). Entre le moteur et son alimentation, sont intercals trois lmentsessentiels (Figure 7-1)

- une unit de calcul, qui labore les impulsions de commande ;- un modulateur PWM, qui gnre les commandes des contacteurs lectroniques de

commutation ;- une lectronique de commutation (puissance), qui, partir d'une alimentation, fourni

lnergie vers les enroulements appropris du moteur.

Variateur

de

courant

pulsation

Commande

PWM

Mesure de

Tension / courant

Capteur de

commutation

Capteur de

Position / vitesse

Codeur

Moteur Charge

Calculateur de processus :

Microcontrleur

Microprocesseur

DSP "motion control"

Alimentation:

AuxiliairesSurveillance

&

Asservissement Tension du circuitintermdiaire

Source AC

Figure 7-1 : Schma bloc de principe du contrle dun moteur pas--pas

Lalimentation de chaque bobinage du moteur par une tension particulire provoquelapparition dun courant qui engendre un champ magntique de direction prcise. Lechangement squentiel des tensions particulires chaque bobinage permet de dplacer la

position du champ statorique selon une rsolution lmentaire appele pas. Autrement dit,toutes configurations des tensions aux bornes des bobinages correspondent un dplacement

de la position stable du rotor. Une srie bien dtermine de commutation de tensions entrane


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un dplacement sur un nombre correspondant de pas. La succession des configurationsdalimentation, une frquence donne, impose un champ statorique tournant avec unersolution dun micro pas, dun demi pas ou dun pas entier.Le mouvement discret du champ d'entrefer est suivi par le rotor soumis au couple

synchronisant. La nature du couple dcoule- soit d'interaction champ (courant) du stator - fer du rotor, lorsque ce dernier prsente

une structure dente passive (Figure 7-2) ;- soit d'interaction champ (courant) du stator - champ (aimant) du rotor, lorsque le rotor

comporte un aimant (Figure 7-3).- soit les deux interactions prcdentes simultanment.

L'exemple de la Figure 7-2(purement didactique, car la ralisation correspondanteprsenterait des performances mdiocres) permet de dfinir le fonctionnement essentiel dumoteur. Le stator trois ples saillants (nous dirons par la suite : " trois plots statoriques" ;

Nps= 3) comporte trois bobines (ou trois voies) pouvant tre alimentes sparment. Une

bobine (ou une voie) d'enroulement, pouvant tre alimente sparment, sera appele unephase.Dans le cas du rotor passif (qui, sur la Figure 7-2, possde deux dents ; Ndr, = 2), le

branchement de la phase 1 provoque l'tablissement du champ magntique, qui place le fermobile dans la position du flux maximal ; ainsi, une dent du rotor s'aligne avec le plotaliment (Figure 7-2a), la commutation de la tension sur la phase 2 avance le champ, et doncle rotor, d'un pas mcanique angulaire pm, (Figure 7-2b), etc. Le couple synchronisant"courant-fer" est d la variation de l'inductance propre de la phase sous tension ou, ce quirevient au mme, la variation de la rluctance offerte au passage du flux statorique qu'elle acr. La machine rotor ferromagntique passif est appele : " rluctance variable" ou"MRV".

1

3 2

3 2

1

pm

3 2

1

Figure 7-2 : Principe dun moteur pas--pas rluctance variable (MRV)

Lorsque le rotor est constitu par un aimant (bipolaire, soit na= 1 sur la Figure 7-3), ils'aligne naturellement sur l'axe magntique du plot aliment (Figure 7-3a). Le dplacementdu champ statorique d'un pas provoque le dplacement du rotor d'un pas angulaire mcanique(Figure 7-3b). Laimant du rotor tant permabilit constante et lentrefer tant constant, lecouple synchronisant "courant-aimant" est d uniquement la variation du flux mutuel entrelaimant au rotor et la phase alimente du stator. Un moteur tel que dcrit ci-dessus (voirFigure 7-3) est appele "aimant permanent" ou "MP".


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1

3 2

N

S

1

3 2

N

S

pm

N

S

3 2

1

Figure 7-3 : Principe dun moteur pas--pas aimants permanents (MP)

Une autre structure polarise, dite "hybride" ou "MH", est illustre la Figure 7-4; ellecomporte un aimant permanent et son principe de fonctionnement est semblable celui du

moteur aimants permanents MP. Il est toutefois noter que le couple rluctant (variation dela permance propre laimant) est plus importante dans ce dernier cas.

N

S

1

3 2

N

S

3 2

1

pm

S

N

3 2

1

Figure 7-4 : Principe dun moteur pas--pas hybride (MH)

7.1.2 Proprits et applicationsLe moteur pas pas a t conu partir de deux dmarches logiques trs diffrentes

- d'une part, on a cherch un moteur capable de dvelopper un couple important faible vitesse, voire mme l'arrt ;

- d'autre part, on a tudi un dispositif capable de convertir des informations de

caractre discret.

Le convertisseur d'nergie basse vitesse et le transmetteur de l'information sont devenus unmoteur pas pas moderne vers les annes 1970, grce au dveloppement conjugu del'lectronique de puissance et, surtout, grce l'apparition de llectronique numrique forteintgration.Le moteur pas pas est actuellement le principal lment intermdiaire entre les dispositifsde traitement d'information et le monde lectromcanique extrieur. Par ailleurs, sescapacits contrler la position et la vitesse, par un train dimpulsions de commande,assurent ce convertisseur des applications comme

-

la traction des robots mobiles,


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- le fonctionnement en moteur couple de grande puissance,- lindexage rotatif ou limaire.

Dans sa version classique, le moteur pas pas est aliment partir d'une source (de courantou de tension) continue et le contrle de la vitesse ou/et de la position s'effectue en boucleouverte.Le pilotage en boucle ouverte, qui constitue un des principaux avantages du moteur pas pas,aussi bien du point de vue conomique (cot et fiabilit d'installation) que fonctionnel(commande naturelle par "tout ou rien" partir d'une horloge spare ou intgre dans unmicroprocesseur), prsente un certain nombre d'inconvnients comme

- la limitation du couple de dmarrage,- des instabilits de fonctionnement certaines frquences,- des acclrations relativement modestes,

7.2 TYPE PRINCIPAUX DE MOTEURSTrois types principaux de moteurs seront abords, les moteurs pas--pas rluctants, lesmoteurs pas--pas aimants permanents, les moteurs pas pas rluctants polariss.La dfinition gnralise du couple lectromagntique dun actuateur a t dmontre auchapitre 4 Conversion Electromcanique. On en rappelle ici la forme gnrale :

mn

nn

n

nn

m

mn

nn

n

nn

m

mnm

n

nn

n

nn

m

nmnem

ba baba baba ba

iL

iiT

+

=

+

=

+

=

+

=

+

=

+

=

=

=

=

1 11 11 121

21

21 7.1

Dans le cas dun actuateur form de nbbobines au stator et dun rotor avec naaimants, onpeut expliciter la relation 7.1sous la forme suivante :

=

==

=

=

aimantsbobinagesentreoninterractiiN

aimantsentreoninterracti

bobinagesentreoninterractiiNiN

T

a

b

a

b

nink

aikk

bkaj

n

ji

ajai

aiaj

n

lk

llkkbkbl

em

:21

:21

:21

...1...1

1,

1,

7.2

Chaque terme va dpendre de la construction du moteur.


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7.2.1 Moteur pas--pas rluctance variable MRV7.2.1.1 Gnralits

Le moteur pas--pas rluctant (Variable reluctance motor VR) comporte nbbobines distinctesau stator et un rotor ferromagntique sans aimant (na=0). Sans courant dans les bobinagesstatoriques, ce type de moteur ne prsente pas de couple rluctant.

( )

=

=

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