Moteurs électriques à courant continu

Les moteurs à courant continu sont des actionneurs continus qui convertissent l’énergie électrique en énergie mécanique. Le moteur à courant continu réalise cela en produisant une rotation angulaire continue qui peut être utilisée pour faire tourner des pompes, des ventilateurs, des compresseurs, des roues, etc.

En plus des moteurs à courant continu rotatifs conventionnels, des moteurs linéaires sont également disponibles, capables de produire un mouvement linéaire continu. Il existe principalement trois types de moteurs électriques conventionnels : moteurs de type CA, moteurs de type CC et moteurs pas à pas.

Un petit moteur à courant continu typique

Moteurs CA sont généralement utilisés dans les applications industrielles monophasées ou triphasées de haute puissance où un couple et une vitesse de rotation constants sont nécessaires pour contrôler de grandes charges telles que les ventilateurs ou les pompes.

Dans ce tutoriel sur les moteurs électriques, nous allons examiner uniquement les moteurs CC légers et les moteurs pas à pas qui sont utilisés dans de nombreux types de circuits électroniques, de contrôle de position, de microprocesseurs, de circuits PIC et robotiques.

Les bases des moteurs à courant continu

Le moteur à courant continu, ou Moteur à courant direct, est l’actionneur le plus couramment utilisé pour produire un mouvement continu dont la vitesse de rotation peut être facilement contrôlée, ce qui le rend idéal pour des applications nécessitant un contrôle de vitesse, un contrôle de type servocommande et/ou un positionnement. Un moteur à courant continu se compose de deux parties : un “stator”, qui est la partie fixe, et un “rotor”, qui est la partie tournante. Il existe essentiellement trois types de moteurs à courant continu disponibles.

• Moteur à balais – Ce type de moteur produit un champ magnétique dans un rotor enroulé (la partie qui tourne) en faisant passer un courant électrique à travers un collecteur et un ensemble de balais en carbone, d’où le terme “à balais”. Le champ magnétique du stator (la partie fixe) est produit en utilisant soit un enroulement de champ statorique, soit des aimants permanents. En général, les moteurs à courant continu à balais sont bon marché, petits et faciles à contrôler.
• Moteur sans balais – Ce type de moteur produit un champ magnétique dans le rotor en utilisant des aimants permanents qui y sont fixés, et la commutation est réalisée électroniquement. Ils sont généralement plus petits mais plus coûteux que les moteurs à courant continu à balais conventionnels, car ils utilisent des commutateurs à effet Hall dans le stator pour produire la séquence de champ statorique requise, mais ils ont de meilleures caractéristiques de couple/vitesse, sont plus efficaces et ont une durée de vie plus longue que les équivalents à balais.
• Moteur servo – Ce type de moteur est en fait un moteur à courant continu à balais avec une forme de contrôle de rétroaction de position connectée à l’arbre du rotor. Ils sont connectés et contrôlés par un contrôleur de type PWM et sont principalement utilisés dans les systèmes de contrôle de position et les modèles radio-commandés.

Les moteurs à courant continu normaux ont des caractéristiques à peu près linéaires, leur vitesse de rotation étant déterminée par la tension CC appliquée et leur couple de sortie étant déterminé par le courant circulant dans les enroulements du moteur. La vitesse de rotation de tout moteur à courant continu peut être variée de quelques révolutions par minute (tr/min) à plusieurs milliers de révolutions par minute, ce qui les rend adaptés aux applications électroniques, automobiles ou robotiques. En les connectant à des réducteurs ou des trains d’engrenages, leur vitesse de sortie peut être diminuée tout en augmentant simultanément le couple de sortie du moteur à des vitesses élevées.

Les moteurs à courant continu “à balais”

Un moteur à courant continu à balais conventionnel se compose essentiellement de deux parties : le corps fixe du moteur appelé stator et la partie intérieure qui tourne produisant le mouvement appelée rotor ou “armature” pour les machines à courant continu.

Le stator enroulé des moteurs est un circuit électromagnétique qui consiste en des bobines électriques connectées ensemble dans une configuration circulaire pour produire le champ magnétique statique requis, alternant entre le pôle nord et le pôle sud, contrairement aux machines CA dont le champ statorique tourne continuellement avec la fréquence appliquée. Le courant qui circule dans ces bobines de champ est connu sous le nom de courant de champ moteur.

Ces bobines électromagnétiques qui forment le champ statorique peuvent être connectées électriquement soit en série, soit en parallèle, soit les deux (composé) avec l’armature du moteur. Un moteur à courant continu enroulé en série a ses enroulements de champ statorique connectés en série avec l’armature. De même, un moteur à courant continu enroulé en dérivation a ses enroulements de champ statorique connectés en parallèle avec l’armature, comme indiqué.

Moteur à courant continu en série et en dérivation

Le rotor ou armature d’une machine à courant continu est constitué de conducteurs portant un courant connectés ensemble à une extrémité à des segments de cuivre isolés électriquement appelés le commutateur. Le commutateur permet une connexion électrique d’être réalisée via des balais en carbone (d’où le nom de “moteur à balais”) à une source d’alimentation externe lorsque l’armature tourne.

Le champ magnétique établi par le rotor essaie de s’aligner avec le champ statorique fixe, provoquant la rotation du rotor sur son axe, mais ne peut pas s’aligner en raison des délais de commutation. La vitesse de rotation du moteur dépend de la force du champ magnétique du rotor, et plus la tension appliquée au moteur est élevée, plus le rotor tournera rapidement. En variant cette tension CC appliquée, la vitesse de rotation du moteur peut également être variée.

Moteur à courant continu conventionnel (à balais)

Le moteur à courant continu avec aimant permanent (PMDC) à balais est généralement beaucoup plus petit et moins cher que ses homologues à enroulement statorique, car il n’a pas d’enroulement de champ. Dans les moteurs à courant continu à aimant permanent (PMDC), ces bobines de champ sont remplacées par de puissants aimants en terres rares (c’est-à-dire en samarium-cobalt ou en néodyme-fer-bore) qui ont des champs d’énergie magnétique très élevés.

L’utilisation d’aimants permanents confère au moteur à courant continu une caractéristique vitesse/couple linéaire bien meilleure que celle des moteurs à enroulement équivalents, en raison du champ magnétique permanent et parfois très fort, rendant ces moteurs plus adaptés à une utilisation dans les modèles, la robotique et les servos.

Bien que les moteurs à courant continu à balais soient très efficaces et peu coûteux, les problèmes associés à ces moteurs sont que des étincelles se produisent sous des conditions de charge lourde entre les deux surfaces du collecteur et des balais en carbone, ce qui génère de la chaleur, une durée de vie courte et du bruit électrique dû aux étincelles, pouvant endommager tout dispositif de commutation à semi-conducteur tel qu’un MOSFET ou un transistor. Pour surmonter ces inconvénients, des moteurs CC sans balais ont été développés.

Le moteur à courant continu sans balais

Le moteur CC sans balais (BDCM) est très similaire à un moteur CC à aimant permanent, mais ne possède pas de balais à remplacer ou à user en raison des étincelles de collecteur. Par conséquent, peu de chaleur est générée dans le rotor, augmentant la durée de vie du moteur. La conception du moteur sans balais élimine le besoin de balais en utilisant un circuit d’entraînement plus complexe où le champ magnétique du rotor est un aimant permanent toujours en synchronisation avec le champ statorique, permettant un contrôle de vitesse et de couple plus précis.

Ensuite, la construction d’un moteur CC sans balais est très similaire à celle d’un moteur CA, ce qui en fait un vrai moteur synchrone, mais un inconvénient est qu’il est plus coûteux qu’un moteur à balais équivalent.

Le contrôle des moteurs CC sans balais est très différent de celui d’un moteur à courant continu à balais normal, en ce sens que ce type de moteur incorpore un moyen de détecter la position angulaire du rotor (ou des pôles magnétiques) nécessaire à la production des signaux de rétroaction requis pour contrôler les dispositifs de commutation à semi-conducteur. Le capteur de position/pôle le plus courant est le “capteur à effet Hall”, mais certains moteurs utilisent également des capteurs optiques.

En utilisant des capteurs à effet Hall, la polarité des électroaimants est commutée par le circuit de commande du moteur. Ainsi, le moteur peut être facilement synchronisé avec un signal d’horloge numérique, fournissant un contrôle de vitesse précis. Les moteurs CC sans balais peuvent être construits pour avoir un rotor d’aimant permanent externe et un stator électromagnétique interne ou un rotor d’aimant permanent interne et un stator électromagnétique externe.

Les avantages du moteur CC sans balais par rapport à son homologue “à balais” sont une efficacité plus élevée, une grande fiabilité, un faible bruit électrique, un bon contrôle de la vitesse et, plus important encore, pas de balais ou de collecteur à s’user, permettant une vitesse beaucoup plus élevée. Cependant, leur inconvénient est qu’ils sont plus coûteux et plus compliqués à contrôler.

Le moteur servo à courant continu

Les moteurs servo à courant continu sont utilisés dans des applications à boucle fermée où la position de l’arbre du moteur de sortie est renvoyée au circuit de contrôle du moteur. Les dispositifs de rétroaction “de position” typiques incluent des résolveurs, des codeurs et des potentiomètres, comme ceux utilisés dans les modèles radio-commandés tels que les avions et les bateaux, etc.

Un moteur servo comprend généralement un réducteur intégré pour réduire la vitesse et est capable de fournir des couples élevés directement. L’arbre de sortie d’un moteur servo ne tourne pas librement comme le font les arbres des moteurs CC en raison du réducteur et des dispositifs de rétroaction attachés.

Diagramme fonctionnel du moteur servo CC

Un moteur servo se compose d’un moteur à courant continu, d’un réducteur, d’un dispositif de rétroaction de position et d’une forme de correction d’erreur. La vitesse ou la position est contrôlée par rapport à un signal d’entrée de position ou à un signal de référence appliqué au dispositif.

Moteur servo RC

Le amplificateur de détection d’erreur examine ce signal d’entrée et le compare avec le signal de rétroaction provenant de l’arbre de sortie du moteur, déterminant si l’arbre de sortie du moteur se trouve dans un état d’erreur et, le cas échéant, le contrôleur effectue les corrections nécessaires, soit en accélérant le moteur, soit en le ralentissant. Cette réponse au dispositif de rétroaction de position signifie que le moteur servo fonctionne dans un “système à boucle fermée”.

En plus des grandes applications industrielles, les moteurs servo sont également utilisés dans de petits modèles télécommandés et en robotique, la plupart des moteurs servo étant capables de tourner jusqu’à environ 180 degrés dans les deux directions, ce qui les rend idéaux pour un positionnement angulaire précis. Cependant, ces servos de type RC ne peuvent pas tourner continuellement à grande vitesse comme les moteurs CC conventionnels, à moins d’être spécialement modifiés.

Un moteur servo se compose de plusieurs dispositifs dans un seul package : le moteur, le réducteur, le dispositif de rétroaction et la correction d’erreur pour contrôler la position, la direction ou la vitesse. Ils sont largement utilisés en robotique et dans de petits modèles, car ils peuvent être contrôlés facilement en utilisant juste trois fils, Alimentation, Terre et Contrôle du signal.

Commutation et contrôle du moteur CC

Les petits moteurs CC peuvent être commutés “On” ou “Off” au moyen de commutateurs, de relais, de transistors ou de circuits MOSFET, la forme de contrôle moteur la plus simple étant le contrôle “linéaire”. Ce type de circuit utilise un transistor bipolaire en tant que commutateur (un transistor Darlington peut également être utilisé lorsqu’une cote de courant plus élevée est requise) pour contrôler le moteur à partir d’une seule alimentation électrique.

En faisant varier la quantité de courant de base circulant dans le transistor, la vitesse du moteur peut être contrôlée. Par exemple, si le transistor est activé “à mi-chemin”, alors seulement la moitié de la tension d’alimentation va au moteur. Si le transistor est entièrement allumé (saturé), alors toute la tension d’alimentation va au moteur et il tourne plus vite. Pour ce type de contrôle linéaire, l’énergie est constamment fournie au moteur, comme indiqué ci-dessous.

Contrôle de la vitesse du moteur

Le circuit de commutation simple ci-dessus montre le circuit pour un moteur unidirectionnel (un seul sens) de contrôle de la vitesse du moteur. Comme la vitesse de rotation d’un moteur CC est proportionnelle à la tension à ses bornes, nous pouvons réguler cette tension terminale en utilisant un transistor.

Les deux transistors sont connectés comme une paire Darlington pour contrôler le courant principal de l’armature du moteur. Un potentiomètre de 5kΩ est utilisé pour contrôler la quantité d’entraînement de base au premier transistor pilote TR₁, qui à son tour contrôle le transistor de commutation principal, TR₂, permettant à la tension CC du moteur d’être variée de zéro à Vcc, dans cet exemple de 9 à 12 volts.

Des diodes de roue libre optionnelles sont connectées à travers le transistor de commutation, TR₂, et les bornes moteur pour protection contre toute contre-EMF générée par le moteur lorsqu’il tourne. Le potentiomètre réglable pourrait être remplacé par un signal logique continu “1” ou “0” appliqué directement à l’entrée du circuit pour commuter le moteur “entièrement ON” (saturation) ou “entièrement OFF” (coupe) respectivement à partir du port d’un microcontrôleur ou PIC.

En plus de ce contrôle de vitesse de base, le même circuit peut également être utilisé pour contrôler la vitesse de rotation des moteurs. En commutant répétitivement le courant moteur “ON” et “OFF” à une fréquence suffisamment élevée, la vitesse du moteur peut être variée entre l’arrêt (0 tr/min) et la pleine vitesse (100 %) en faisant varier le rapport de marquage-espace de son alimentation. Cela est réalisé en variant la proportion de temps “ON” (t_ON) par rapport à temps “OFF” (t_OFF), et cela peut être effectué en utilisant un processus connu sous le nom de modulation de largeur d’impulsion.

Contrôle de la vitesse des moteurs CC à impulsion de largeur

Nous avons précédemment indiqué que la vitesse de rotation d’un moteur CC est directement proportionnelle à la valeur de tension moyenne (teneur) à ses bornes, et plus cette valeur est élevée, jusqu’à la tension maximale autorisée du moteur, plus le moteur tournera rapidement. En d’autres termes, plus de tension signifie plus de vitesse. En faisant varier le rapport entre le temps “ON” (t_ON) et les durées de “OFF” (t_OFF), appelées “rapport de service”, “rapport de marquage/espace” ou “cycle de service”, la valeur moyenne de la tension moteur et donc sa vitesse de rotation peuvent être variées. Pour des entraînements unipolaires simples, le rapport de service β est donné par :

et la tension de sortie CC moyenne alimentée au moteur est donnée par : Vmoy = β x Valim. Ensuite, en variant la largeur de l’impulsion a, la tension du moteur et donc la puissance appliquée au moteur peuvent être contrôlées, et ce type de contrôle est appelé modulation de largeur d’impulsion ou PWM.

Une autre façon de contrôler la vitesse de rotation du moteur est de faire varier la fréquence (et donc la période de temps de la tension de contrôle) alors que les temps de rapport “ON” et “OFF” sont maintenus constants. Ce type de contrôle est appelé modulation de fréquence d’impulsion ou PFM.

Avec la modulation de fréquence d’impulsion, la tension du moteur est contrôlée par l’application d’impulsions de fréquence variable ; par exemple, à une basse fréquence ou avec très peu d’impulsions, la tension moyenne appliquée au moteur est faible, et donc la vitesse du moteur est lente. À une fréquence plus élevée ou avec de nombreuses impulsions, la tension moyenne aux bornes du moteur augmente et la vitesse du moteur va également augmenter.

Ensuite, les transistors peuvent être utilisés pour contrôler la quantité de puissance appliquée à un moteur CC, le mode de fonctionnement étant soit “linéaire” (variations de la tension du moteur), “modulation de largeur d’impulsion” (variation de la largeur de l’impulsion) ou “modulation de fréquence d’impulsion” (variation de la fréquence de l’impulsion).

Inverser la direction d’un moteur CC

Bien que le contrôle de la vitesse d’un moteur CC avec un seul transistor ait de nombreux avantages, il a également un inconvénient principal : la direction de rotation reste toujours la même, c’est un circuit “unidirectionnel”. Dans de nombreuses applications, nous devons faire fonctionner le moteur dans les deux directions, avant et arrière.

Pour contrôler la direction d’un moteur CC, la polarité de l’alimentation CC appliquée aux connexions du moteur doit être inversée, permettant à son arbre de tourner dans la direction opposée. Un moyen très simple et peu coûteux de contrôler la direction de rotation d’un moteur CC consiste à utiliser différents commutateurs disposés de la manière suivante :

Contrôle directionnel des moteurs CC

Le premier circuit utilise un seul commutateur à double pôle et double position (DPDT) pour contrôler la polarité des connexions du moteur. En changeant les contacts, l’alimentation des bornes du moteur est inversée et le moteur change de direction. Le deuxième circuit est légèrement plus complexe et utilise quatre commutateurs à simple pôle et simple position (SPST) disposés en configuration “H”.

Les commutateurs mécaniques sont disposés en paires de commutation et doivent être actionnés dans une combinaison spécifique pour faire fonctionner ou arrêter le moteur CC. Par exemple, la combinaison de commutateurs A + D contrôle la rotation avant, tandis que les commutateurs B + C contrôlent la rotation arrière, comme indiqué. Les combinaisons de commutateurs A + B ou C + D court-circuitent les bornes du moteur, provoquant des freins rapides. Cependant, utiliser des commutateurs de cette manière présente des dangers, car actionner les commutateurs A + C ou B + D ensemble court-circuite l’alimentation.

Bien que les deux circuits ci-dessus fonctionnent très bien pour la plupart des petites applications de moteurs CC, voulons-nous vraiment actionner différentes combinaisons de commutateurs mécaniques juste pour inverser la direction du moteur ? NON ! Nous pourrions remplacer les commutateurs manuels par un ensemble de relais électromécaniques et avoir un seul bouton ou commutateur avant-arrière, ou même utiliser un commutateur bilatéral CMOS 4066B.

Mais un autre moyen très bon d’atteindre un contrôle bidirectionnel d’un moteur (ainsi que de sa vitesse) est de connecter le moteur dans un arrangement de circuit de type H-bridge, comme montré ci-dessous.

Circuit de base H-bridge pour moteurs CC bidirectionnels

Le circuit H-bridge ci-dessus est ainsi nommé car la configuration de base des quatre commutateurs, qu’ils soient relais électromécaniques ou transistors, ressemble à celle de la lettre “H”, avec le moteur positionné sur la barre centrale. Le H-bridge transistor ou MOSFET est probablement l’un des types de circuits de contrôle de moteurs CC bidirectionnels les plus utilisés. Il utilise des “paires de transistors complémentaires”, à la fois NPN et PNP, dans chaque branche avec les transistors commutés ensemble par paires pour contrôler le moteur.

L’entrée de contrôle A fait fonctionner le moteur dans une direction, c’est-à-dire la rotation avant, tandis que l’entrée B fonctionne dans l’autre direction, c’est-à-dire la rotation arrière. Ensuite, en commutant les transistors “ON” ou “OFF” dans leurs “paires diagonales”, nous obtenons le contrôle directionnel du moteur.

Par exemple, lorsque le transistor TR1 est “ON” et le transistor TR2 est “OFF”, le point A est connecté à la tension d’alimentation (+Vcc) et si le transistor TR3 est “OFF” et le transistor TR4 est “ON”, le point B est connecté à 0 volt (GND). Ensuite, le moteur tournera dans une direction avec la borne moteur A positive et la borne moteur B négative.

Si les états de commutation sont inversés de sorte que TR1 soit “OFF”, TR2 soit “ON”, TR3 soit “ON” et TR4 soit “OFF”, le courant du moteur coulera maintenant dans la direction opposée, provoquant la rotation du moteur dans l’autre direction.

Ensuite, en appliquant des niveaux logiques opposés “1” ou “0” aux entrées A et B, la direction de rotation du moteur peut être contrôlée comme suit.

Tableau de vérité de l’H-bridge moteur CC

Il est important qu’aucune autre combinaison d’entrées ne soit autorisée, car cela peut provoquer un court-circuit de l’alimentation électrique, c’est-à-dire que les deux transistors TR1 et TR2 seraient commutés “ON” en même temps (fusible = bang !).

Comme pour le contrôle unidirectionnel des moteurs CC, la vitesse de rotation du moteur peut également être contrôlée en utilisant la modulation de largeur d’impulsion ou PWM. Ensuite, en combinant la commutation du H-bridge avec le contrôle PWM, à la fois la direction et la vitesse du moteur peuvent être contrôlées avec précision.

Des circuits intégrés de décodeur disponibles dans le commerce, tels que le SN754410 Quad Half H-Bridge IC ou le L298N, qui dispose de 2 H-Bridges, sont disponibles avec toute la logique de contrôle et de sécurité nécessaire intégrée et sont spécialement conçus pour les circuits de contrôle de moteurs bidirectionnels H-bridge.

Moteurs CC en tant que moteurs pas à pas

Tout comme le moteur CC ci-dessus, les moteurs pas à pas sont également des actionneurs électromécaniques qui convertissent un signal d’entrée numérique pulsé en un mouvement mécanique discret (incremental) et sont largement utilisés dans les applications de contrôle industriel. Un moteur pas à pas est un type de moteur synchronisé sans balais en ce qu’il n’a pas d’armature avec un collecteur et des balais en carbone, mais dispose d’un rotor composé de nombreux, certains modèles ayant des centaines de dents magnétiques permanentes et d’un stator avec des enroulements individuels.

Moteur pas à pas

Comme son nom l’indique, le moteur pas à pas ne tourne pas de manière continue comme un moteur CC conventionnel, mais se déplace par “étapes” ou “incréments”, chaque angle de mouvement de rotation ou de pas étant dépendant du nombre de pôles statoriques et de dents rotatives que le moteur pas à pas possède.

En raison de leur fonctionnement discret, les moteurs pas à pas peuvent facilement être tournés d’une fraction finie d’une rotation à la fois, telle que 1,8, 3,6, 7,5 degrés, etc. Supposons par exemple qu’un moteur pas à pas complète une révolution complète (360^o) en exactement 100 pas.

Alors, l’angle de pas pour le moteur est donné par 360 degrés / 100 pas = 3,6 degrés par pas. Cette valeur est communément connue comme l’angle de pas du moteur pas à pas.

Il existe trois types de base de moteur pas à pas : Reluctance variable, Aimant permanent et Hybride (une sorte de combinaison des deux). Un moteur pas à pas est particulièrement bien adapté aux applications nécessitant un positionnement précis et une répétabilité avec une réponse rapide au démarrage, à l’arrêt, au reversement et au contrôle de la vitesse, une autre caractéristique clé du moteur pas à pas étant sa capacité à maintenir la charge de manière stable une fois la position requise atteinte.

En général, les moteurs pas à pas ont un rotor interne avec un grand nombre de “dents” d’aimants permanents, avec un nombre de “dents” d’électroaimants montés sur le stator. Les électroaimants du stator sont polarisés et dépolarisés séquentiellement, provoquant ainsi le rotor à tourner “un pas” à la fois.

Les moteurs pas à pas modernes multi-pôles et multi-dents sont capables d’accurracies de moins de 0,9 degré par pas (400 impulsions par révolution) et sont principalement utilisés pour des systèmes de positionnement très précis, comme ceux utilisés pour les têtes magnétiques dans les disques souples/dures, les imprimantes/traceurs ou d’autres applications robotiques. Le moteur pas à pas le plus couramment utilisé est celui avec un pas de 200 étapes par révolution. Il possède un rotor à 50 dents, un stator à 4 phases et un angle de pas de 1,8 degrés (360 degrés/(50×4)).

Construction et contrôle du moteur pas à pas

Dans notre exemple simple d’un moteur pas à pas à reluctance variable ci-dessus, le moteur se compose d’un rotor central entouré de quatre bobines de champ électromagnétiques étiquetées A, B, C et D. Toutes les bobines avec la même lettre sont connectées ensemble, de sorte que l’activation, disons, des bobines portant le marquage A, obligera le rotor magnétique à s’aligner avec cet ensemble de bobines.

En appliquant du courant à chaque ensemble de bobines à son tour, le rotor peut être fait de tourner ou de “pas” d’une position à l’autre selon un angle déterminé par sa construction de pas, et en alimentant les bobines en séquence, le rotor produira un mouvement rotatif.

Le pilote de moteur pas à pas contrôle à la fois l’angle de pas et la vitesse du moteur en alimentant les bobines de champ dans un ordre spécifique, par exemple, “ADCB, ADCB, ADCB, A…“, le rotor tournera dans une direction (avant) et en inversant la séquence d’impulsions à “ABCD, ABCD, ABCD, A…“, le rotor tournera dans l’autre direction (en arrière).

Dans notre exemple simple ci-dessus, le moteur pas à pas a quatre bobines, ce qui en fait un moteur à 4 phases, avec le nombre de pôles sur le stator étant huit (2 x 4) espacés à des intervalles de 45 degrés. Le nombre de dents sur le rotor est de six, espacées à 60 degrés.

Il y a donc 24 (6 dents x 4 bobines) positions ou “pas” possibles pour que le rotor complète une révolution complète. Par conséquent, l’angle de pas ci-dessus est donné par :   360^o/24 = 15^o.

Évidemment, plus il y a de dents sur le rotor ou de bobines statoriques, mieux c’est pour obtenir un meilleur contrôle et un angle de pas plus fin. De plus, en connectant les bobines électriques du moteur dans différentes configurations, il est possible de réaliser des angles de pas complets, demi-pas et micro-pas. Cependant, pour réaliser un micro-pas, le moteur pas à pas doit être alimenté par un courant (quasi) sinusoïdal, ce qui est coûteux à mettre en œuvre.

Il est également possible de contrôler la vitesse de rotation d’un moteur pas à pas en modifiant le délai entre les impulsions numériques appliquées aux bobines (la fréquence), plus le délai est long, plus la vitesse est lente pour une révolution complète. En appliquant un nombre fixe d’impulsions au moteur, l’arbre du moteur tournera selon un angle donné.

L’avantage d’utiliser des impulsions avec délai est qu’il n’y a pas besoin de forme supplémentaire de rétroaction, car en comptant le nombre d’impulsions données au moteur, la position finale du rotor sera exactement connue. Cette réponse à un nombre fixe d’impulsions d’entrée numériques permet au moteur pas à pas de fonctionner dans un “système à boucle ouverte”, le rendant à la fois plus facile et moins coûteux à contrôler.

Par exemple, supposons que notre moteur pas à pas ci-dessus possède un angle de pas de 3,6 degrés par pas. Pour faire tourner le moteur à un angle de 216 degrés et s’arrêter à la position requise, il suffit d’appliquer un total de : 216 degrés/(3,6 degrés/pas) = 80 impulsions appliquées aux bobines du stator.

Il existe de nombreux circuits intégrés de contrôleur pour moteurs pas à pas qui peuvent contrôler la vitesse de pas, la vitesse de rotation et la direction des moteurs. Un de ces circuits intégrés de contrôle est le SAA1027, qui a tous les compteurs et conversions de code nécessaires intégrés et peut automatiquement piloter les quatre sorties de pont entièrement contrôlées vers le moteur dans la séquence correcte.

La direction de rotation peut également être sélectionnée avec un mode de pas unique ou une rotation continue (sans étape) dans la direction sélectionnée, mais cela impose une certaine charge au contrôleur. Lorsqu’un contrôleur numérique 8 bits est utilisé, 256 micro-pas par pas sont également possibles.

Puce de contrôle de moteur pas à pas SAA1027

Dans ce tutoriel sur les actionneurs rotatifs, nous avons examiné les moteurs à courant continu, à balais et sans balais, le moteur servo CC et le moteur pas à pas en tant qu’actionneur électromécanique pouvant être utilisé comme dispositif de sortie pour le contrôle de position ou de vitesse.

Dans le prochain tutoriel sur les dispositifs d’entrée/sortie, nous continuerons notre examen des dispositifs de sortie appelés actionneurs, et plus particulièrement de ceux qui convertissent un signal électrique en ondes sonores à l’aide de l’électromagnétisme. Le type de dispositif de sortie que nous examinerons dans le prochain tutoriel est le haut-parleur.