Structure et trois modes de contrôle des moteurs pas à pas

Dans l'ère intelligente d'aujourd'hui, les moteurs pas à pas sont largement utilisés pour leurs performances uniques en matière de contrôle de position en boucle ouverte. Différents dispositifs ont des exigences quant à la régularité du couple de sortie du moteur pas à pas pendant sa rotation. La stabilité de la rotation n'est pas seulement liée à la structure du moteur pas à pas, mais aussi au mode de contrôle du moteur pas à pas. Cet article présente le moteur pas à pas bipolaire, sa structure et son mode de contrôle.

 

Les composants de base du moteur pas à pas bipolaire

 

Les moteurs pas à pas sont des moteurs à courant continu sans balais (BLDC) qui tournent progressivement en fonction de valeurs de pas égales. Un moteur pas à pas bipolaire, en revanche, est un moteur pas à pas qui possède un enroulement pour chaque phase, c'est-à-dire un moteur pas à pas biphasé à quatre fils. Il se compose de deux éléments principaux, le stator et le rotor (voir figure 1).

 

Figure 1 : Structure schématique d'un moteur pas à pas bipolaire

 

Le stator

Le stator est la partie fixe du moteur. 8 stators sont bobinés avec des enroulements bipolaires biphasés, chacun avec cinq dents dans le noyau du stator (voir figure 1).

Les enroulements de la phase A commencent au stator 1 et sont enroulés séquentiellement sur les stators 3, 5 et 7 (voir figure 2). Il convient de noter que les enroulements des stators 1 et 5 sont enroulés dans le même sens, tandis que les enroulements des stators 3 et 7 sont enroulés dans le même sens. Ces deux groupes (stators 1 et 5, et stators 3 et 7) sont enroulés dans des sens opposés. Les enroulements de la phase B sont enroulés sur le même principe, avec les stators 4 et 8 dans un groupe et les stators 2 et 6 dans un autre.

 

Figure 2 : Schéma du bobinage d'un moteur pas à pas bipolaire

 

Le rotor

Le rotor est généralement équipé d'aimants permanents à magnétisation axiale. La structure du rotor est illustrée à la figure 3.

 

Figure 3 : Schéma de la structure du rotor

 

La figure 4 illustre une coupe latérale du rotor.

 

Figure 4 : Coupe latérale du rotor

 

Les lignes de force magnétiques des aimants permanents forment une fermeture dans le corps du moteur. En raison des lignes de force magnétiques et de l'effet magnéto-résistif, le moteur pas à pas a un couple de verrouillage même lorsqu'il n'est pas alimenté (voir figure 4).

 

Le rotor a 50 dents et, contrairement à l'engrenage du stator, il a un angle de pas de 1,8 degré en raison de cette structure de dents et de phases (voir figure 5). Angle de pas : l'angle mécanique selon lequel le rotor du moteur pas à pas avance après que le cycle électrique a atteint 90 degrés.

 

Figure 5 : Schéma de la structure de l'angle de pas de 1,8°.

 

Mode pas à pas

Afin de faciliter l'explication des modes de contrôle suivants, nous avons simplifié le diagramme complexe de la structure en un schéma (voir figure 6).

 

Figure 6 : Schéma simplifié d'un moteur pas à pas bipolaire

 

Le stator et le rotor d'un moteur pas à pas peuvent être considérés comme n'ayant qu'une seule dent, ce qui rend l'entraînement du moteur pas à pas différent des autres moteurs. Cette méthode est appelée entraînement à double pont complet, où les enroulements de la phase A sont connectés au premier pont complet et les enroulements de la phase B sont connectés au deuxième pont complet (voir la figure 7).

 

Figure 7 : Schéma d'un double pont complet

 

Les moteurs pas à pas bipolaires ont trois modes de commande : pas monophasé, pas complet et demi-pas (voir tableau 1).

 

Tableau 1 : Tableau des modes de commande

 

Pas monophasé

Lorsque les phases A et B sont alimentées en séquence selon le modèle de pas monophasé, le champ magnétique du stator change en conséquence et le rotor tourne en raison de l'attraction de la polarité. La séquence d'excitation des phases A et B (AB) et la position de rotation du rotor sont décrites en détail dans le tableau 1.

 

Le processus de pas monophasé consiste en trois étapes spécifiques décrites ci-dessous :

- Lorsque A est mise sous tension, le courant d'entraînement circule de Q1 à Q4. À ce stade, l'extrémité supérieure du stator A est N, l'extrémité inférieure est à S et le rotor tourne à la position 8 (voir figure 6).

- Ensuite, la phase B est alimentée et le courant d'entraînement circule de Q5 à Q8 ; à ce moment, l'extrémité gauche du stator B est en S, l'extrémité droite en N et le rotor tourne en position 2 (voir figure 6).

- Le principe des deux états suivants est similaire au précédent, et en effectuant cette séquence de mise sous tension, le rotor commence à tourner.

La figure 8 montre les formes d'ondes de courant pour la phase AB d'un moteur pas à pas monophasé.

 

Figure 8 : formes d'ondes du courant de la phase AB d'un moteur pas à pas monophasé

 

Pas complet

Contrairement au pas monophasé, l'enroulement AB est alimenté simultanément dans le pas complet. Il existe également quatre méthodes d'excitation et positions électriques du rotor correspondantes, sauf que leur espace de position est électriquement différent de celui du pas à pas monophasé. En fonction de la séquence d'alimentation de la partie entière, le rotor peut également tourner. La figure 9 montre la forme d'onde du courant pas à pas de la phase AB.

 

Figure 9 : Forme d'onde du courant dans la phase AB pour un pas complet

 

Mode demi-pas

Le mode demi-pas intègre les deux méthodes de contrôle, le pas monophasé et le pas entier, ce qui permet d'obtenir plus de positions angulaires électriques, des formes d'ondes de courant plus détaillées et une rotation plus régulière.

 

La figure 10 montre un mode demi-pas acyclique pour un fonctionnement monophasé à biphasé. Ce mode alterne entre des pas entiers et des demi-pas pour générer une séquence de 8 pas.

 

Figure 10 : Mode demi-pas non cyclique