Formes de contrôle pas à pas en boucle fermée

2017 - Article le plus populaire - Pour obtenir les performances les plus élevées, le moteur pas à pas peut être traité comme un servomoteur sans balais biphasé. Le courant circulant dans le moteur sera alors contrôlé en fonction du signal d'erreur, tout comme avec les servomoteurs standard.

Contribution de | Galil Motion Control, Inc.

Les moteurs pas à pas sont utilisés dans diverses applications dans tout le spectre de l'ingénierie, car ils sont peu coûteux, simples à utiliser et offrent un couple élevé à basse vitesse. Cependant, les moteurs pas à pas souffrent d'inconvénients tels que des pas manqués, une diminution du couple à haute vitesse, des résonances et une consommation d'énergie élevée. Afin d'atténuer ces problèmes, Galil dispose de trois méthodes pour fermer la boucle autour d'un moteur pas à pas : correction du point final, micropas en boucle fermée et pilotage du moteur pas à pas comme un moteur sans balais biphasé.

Les moteurs pas à pas ont plusieurs électro-aimants « dentés » disposés autour d’un rotor en forme d’engrenage. Pour faire tourner l’arbre du moteur, ces électro-aimants sont alimentés selon une séquence spécifique. La figure 1 montre une vue simplifiée de ce processus pour un moteur pas à pas biphasé. Chaque séquence spécifique correspond à un pas du moteur. Un moteur pas à pas compte généralement 200 pas par tour.

Les moteurs pas à pas ne sont pas sans inconvénients. Le premier inconvénient d’un moteur pas à pas est qu’il fonctionne à tout moment à plein courant. Cela entraîne un gaspillage d’énergie et une génération excessive de chaleur. Deuxièmement, la vibration provoquée lorsqu’ils changent de position par étapes discrètes est fondamentale pour le fonctionnement des moteurs pas à pas. Lorsque la fréquence de pas correspond à l'oscillation naturelle ou à la fréquence de résonance du moteur pas à pas, l'amplitude de ces vibrations augmente, entraînant une perte de position. Les moteurs pas à pas connaissent également une diminution significative du couple à mesure que la vitesse du moteur augmente. Une courbe vitesse-couple courante est affichée dans Erreur : Source de référence introuvable. Enfin, la résolution positionnelle est limitée par le nombre de pas par tour. Si une résolution accrue est nécessaire, le moteur pas à pas peut être piloté via le processus de micropas.

Le micropas est une méthode de pilotage d'un moteur pas à pas de telle sorte que chaque étape entière du moteur est décomposée en incréments plus petits appelés micropas. Le micropas crée généralement entre 2 et 256 micropas par pas complet, ce qui signifie que le moteur de 200 pas par tour peut désormais avoir jusqu'à 51 200 de ces micropas par tour. La figure 3 détaille la forme d'onde du courant à travers chaque phase du moteur pas à pas avec un nombre croissant de micropas par pas complet.

La précision réelle du micropas dépend largement de forces externes. Le micropas est précis à un pas complet du moteur, mais si plus d'un demi-pas d'erreur est présent, une perte de position se produira. Le mouvement ne se produira pas si la friction, la gravité ou toute autre force est suffisamment importante pour empêcher le petit changement de courant entre deux positions de micropas d'affecter la position du moteur. La figure 4 montre un tracé d'un mouvement point à point exécuté dans un système entraîné par un moteur pas à pas couplé à un encodeur. La ligne rouge est la position attendue du moteur pas à pas, la ligne violette est les impulsions pas à pas émises vers le moteur et la ligne bleue est la position du moteur mesurée par l'encodeur. La ligne noire indique quand le contrôleur profile activement le mouvement. En raison de la friction dans le système, la position finale du moteur pas à pas ne correspond pas à la position commandée, ce qui entraîne une erreur en régime permanent.

En utilisant le retour du codeur pour reconnaître cette erreur de position, le point final peut être ajusté en commandant des impulsions de pas supplémentaires pour amener le moteur dans la position correcte. Galil appelle ce mode de maintenance de position pas à pas, ou SPM. SPM fait toujours fonctionner le moteur pas à pas en mode micropas, mais la précision du point final peut désormais être vérifiée et ajustée. Ce mode fonctionne en comparant la position commandée du moteur pas à pas à la position réelle sortie de l'encodeur juste avant la fin d'un mouvement. La figure 5 montre le même système que la figure 4, maintenant utilisé en mode maintenance de position pas à pas. Après la fin du mouvement, l'erreur de position est reconnue et la position de référence est ajustée pour tenir compte de cette erreur. Un mouvement de correction d'erreur est alors commandé pour amener le moteur pas à pas dans la bonne position. En ajoutant l'encodeur, le contrôleur a désormais la capacité de reconnaître et de corriger les erreurs présentes dans le système. Le même mouvement qui entraînait auparavant une erreur en régime permanent due au frottement peut désormais être pris en compte et corrigé.