Comprendre l'attraction

Valentin Raschke | 13 septembre 2022

Lorsqu'il est temps de spécifier un moteur haute performance offrant à la fois un positionnement précis et une rentabilité, les moteurs pas à pas offrent de nombreux avantages par rapport aux moteurs à courant continu grâce à leur technologie sans balais. Bien que la sélection d'un moteur pas à pas implique de nombreuses considérations, les concepteurs doivent à la fois comprendre et prendre en compte les courbes de couple d'extraction et d'attraction, qui décrivent les caractéristiques de vitesse et de couple du moteur lorsqu'il est entraîné. Cet article fournira un aperçu des concepts de couple d'extraction et d'attraction à prendre en compte lors de la mise en œuvre de moteurs pas à pas avec un système de mouvement.

La figure 1 ci-dessous montre le couple produit par un moteur triphasé à courant continu sans balais (BLDC) avec commutation en six étapes. Des capteurs à effet Hall sont intégrés au moteur pour suivre la position du rotor. Cette information permet la commutation des trois phases au bon moment afin de maintenir un angle de 90°± 30° entre le champ magnétique du rotor et du stator. Il y a une petite ondulation de courant, mais le couple développé par le moteur est relativement stable et dépend quelque peu de la position du rotor. Un encodeur haute résolution peut fournir un retour plus précis de la position du rotor et réduire l'ondulation du couple à presque zéro.

Figure 1. Phase et couple moteur d'un moteur BLDC.

La figure 2 ci-dessous montre une version simple d'un moteur pas à pas : un aimant avec une paire de pôles servant de rotor et deux phases distinctes situées dans le stator. Cette conception fournit quatre étapes complètes sur une révolution mécanique. Les courbes de couple résultantes indiquant un courant continu appliqué à chaque phase sont présentées à la figure 3, représentées par des graphiques bleus et orange. Si le moteur est entraîné à pas complet, permettant une seule phase à la fois, un courant sera appliqué dans l'ordre suivant : A, B, -A et -B.

Figure 2. Un moteur pas à pas avec une paire de pôles.

Les graphiques verts ci-dessous dans les figures 3a et 3b illustrent le couple résultant au niveau de l'arbre du moteur. Contrairement à un moteur BLDC, le couple moteur d'un moteur pas à pas dépendra considérablement de la position du rotor. Pour obtenir une conception simple et rentable, le moteur pas à pas est généralement piloté en mode boucle ouverte sans retour de position du rotor. La commutation se produit ainsi avec un signal externe – en pas par seconde – sans position actuelle du rotor établie. Une commutation « idéale » permettrait le courant dans la phase lorsque le rotor est positionné exactement entre deux phases. Cependant, dans une boucle ouverte, sans retour de position du rotor, le rotor peut ne pas toujours être dans la position idéale. Lors du dimensionnement d'un moteur pas à pas, le concepteur doit prendre en compte cette incertitude en appliquant un facteur de sécurité sur le couple d'arrachement.

Figure 3a. Une commutation « idéale » d’un moteur pas à pas biphasé.

Figure 3b. Commutation réaliste d'un moteur pas à pas biphasé, en boucle ouverte.

Pour mieux comprendre comment est défini le couple d'extraction maximal, il est important de revoir la façon dont il est mesuré. Généralement, le couple d'arrachement est mesuré dans les conditions suivantes :

La figure 4 ci-dessous montre la configuration de mesure du couple d'extraction. Le moteur sera connecté à un driver, qui définit le sens de rotation et la vitesse du moteur via un signal pulsé. L'arbre du moteur est connecté à un système de freinage variable, tel qu'un frein à courants de Foucault, qui permet d'appliquer une charge variable au moteur.

Figure 4. Configuration pour mesurer le couple d'extraction.

La mesure s'effectue de la manière suivante :

Figure 5. Un exemple de courbe de couple d'extraction.

Les valeurs de charge maximales pour chaque vitesse mesurées au cours de l'étape 3 représentent la courbe de couple d'extraction du moteur, comme indiqué ci-dessus dans la figure 5. En raison de la résonance, certaines vitesses peuvent entraîner un comportement erratique du moteur et doivent être évitées. Cette condition peut être illustrée dans le diagramme du couple d'extraction.

En pratique, le couple d'arrachement est utilisé pour définir une plage de couple et de vitesse permettant d'entraîner les moteurs en boucle ouverte en toute sécurité. Pour le couple de charge maximal, un facteur de sécurité généralement de 30 pour cent est pris en compte (représenté sur les figures 6a et 6b par la ligne bleue en pointillés), par rapport au couple d'extraction maximal disponible (représenté ci-dessous sur les figures 6a et 6b par la ligne pleine). Ligne bleue).