Entraînements bipolaires et unipolaires pour moteurs pas à pas : une comparaison

Un moteur pas à pas est un type de moteur à courant continu sans balais composé de bobines connectées appelées « phases ». Ces dispositifs électromécaniques sont généralement pilotés en boucle ouverte sans capteur de retour, avec du courant appliqué sur les phases sans connaître la position du rotor. Le rotor se met en alignement grâce au flux magnétique du stator, généré par le courant circulant dans les phases. À chaque impulsion, le courant peut être fourni à la phase suivante, permettant des mouvements de rotation incrémentiels, ou pas.

Il existe deux méthodes pour fournir du courant dans les bobines : bipolaire et unipolaire. Cet article expliquera les différences entre les moteurs bipolaires et unipolaires, leurs méthodes de pilotage, ainsi que leurs avantages et limites.

La figure 1 montre un moteur pas à pas à aimant permanent à quatre étapes. Le rotor est constitué d'un aimant à une paire de pôles et le stator se compose de deux phases : la phase A et la phase B. Dans la méthode unipolaire, le courant circule toujours dans la même direction. Chaque bobine est dédiée à une direction de courant, donc la bobine A+ ou A- est alimentée ; les bobines A+ ou A- ne sont jamais alimentées ensemble. Dans la méthode bipolaire, le courant peut circuler dans les deux sens dans toutes les bobines. Les phases A+ et A- sont alimentées ensemble. Un moteur bipolaire nécessite au minimum une bobine par phase et un moteur unipolaire nécessite au minimum deux bobines par phase. Voici un aperçu détaillé des deux options :

Dans la configuration unipolaire, chaque phase du moteur est composée de deux enroulements de bobine. Avec un moteur biphasé composé des phases A et B, le moteur comporte quatre enroulements de bobine, comme le montre la figure 2.

La phase A est composée de A+, A-

La phase B est composée de B+, B-

Le courant dans chaque bobine ne peut circuler que dans une seule direction, ce qui le rend unipolaire. En commande de tension, le système de contrôle est simple, avec un seul interrupteur, ou transistor, par bobine. Lorsque le transistor est fermé, la bobine est alimentée. Pour commuter le moteur, les transistors sont alternativement fermés et ouverts.

Sur la figure 3, les transistors Q1 et Q2 ne peuvent pas être fermés en même temps. Pour alimenter la phase A, vous devez fermer le transistor Q1 ou Q2, selon la direction dans laquelle le courant doit fonctionner. Avec le contrôle unipolaire, seule la moitié de la phase est alimentée à la fois, le courant n'utilise donc que la moitié du volume de cuivre. Avec les variateurs de tension, des résistances série sont généralement appliquées pour diminuer la constante de temps électrique. Ce scénario sera expliqué plus loin dans l'article.

Les moteurs bipolaires n’ont besoin que d’un seul enroulement de bobine par phase et le courant peut circuler dans les deux sens par bobine. Huit transistors avec deux ponts en H sont nécessaires pour contrôler les moteurs bipolaires, comme le montre la figure 4.

Sur la figure 5, les transistors sont alternativement fermés et ouverts pour assurer la commutation. Les variateurs bipolaires ont l'avantage d'utiliser tout le cuivre par phase. Ces variateurs bipolaires sont utilisés soit dans le variateur de tension du moteur, soit dans la source de courant. Pour la source de courant, le courant dans chaque phase est contrôlé avec une modulation de largeur d'impulsion (PWM). Deux techniques sont utilisées pour le PWM : la décroissance lente ou la décroissance rapide, selon que le courant est censé diminuer lentement ou rapidement à travers la phase du moteur pendant le temps d'arrêt du PWM.

Entraînement en tension. Un circuit simple avec quatre transistors permet un contrôle unipolaire économique. Un variateur de tension pour moteurs bipolaires nécessite deux ponts en H (huit transistors).

Lecteur actuel. Un mode bipolaire est préférable pour les variateurs actuels car la technologie unipolaire nécessite une électronique plus complexe pour obtenir des performances moteur moindres.

Précaution relative au variateur de tension. En raison de l'effet d'inductance, le courant a besoin d'un certain temps pour monter dans la bobine. Pour les variateurs unipolaires ou bipolaires, vous pouvez ajouter une résistance série pour diminuer la constante de temps électrique (L/R). En ajoutant une résistance externe, le courant diminue (i = U/(R+r)).

En résumé, l'ajout de résistance pour la même puissance fournie entraîne un couple inférieur à basse vitesse. Le courant est plus faible en raison de la puissance joule dissipée dans la résistance externe. Le couple étant proportionnel au courant, le moteur fournira moins de couple. À haute vitesse, il en résulte un couple plus élevé. Même si une certaine puissance joule est dissipée dans la résistance externe, le moteur sera capable de fournir plus de couple grâce à la constante de temps électrique plus faible. Cela permet au courant de monter plus rapidement dans la bobine. (Remarque : avec une augmentation de la tension d'alimentation, vous pouvez compenser le courant plus faible ; cependant, l'efficacité énergétique globale sera inférieure. Le couple est amélioré à haute vitesse et maintenu à basse vitesse.)