Moteur pas-à-pas .Chapitre 1

Chapitre 1 : Généralités sur les moteurs pas-à-pas.

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1.Introduction :

Les moteurs pas-à-pas diffèrent de beaucoup des moteurs classiques. Au lieu de leur fournir

une tension continue, on doit alimenter des bobines dans un séquence précise. Grâce à ce

principe, on peut déterminer l’angle exact de rotation de l’axe. De plus, en laissant une ou

plusieurs bobines alimentées, on obtient un maintien: le moteur est figé. Ces moteurs sont

facilement accessibles, compte tenu qu’on les retrouve dans tous les lecteurs de disquettes et

imprimantes.

On va d’abord commencé par décrire les différentes sortes de moteurs, pour ensuite les

analyser un à la fois, pour pouvoir comprendre en profondeur leur fonctionnement. On

détaillera aussi beaucoup plus sur le moteur unipolaire , À partir de ces connaissances de base,

on pourra après attaqué la partie pratique .

2. Historique :

Inventeur de génie du micromoteur pas à pas en 1936, Marius Lavet a permis une évolution

considérable de l'industrie horlogère européenne.

3.Les différents type de moteur pas-a-pas :

A. Moteur à réluctance variable :

Un moteur pas à pas à réluctance variable comporte un rotor à encoches non aimanté se

positionnant dans la direction de la plus faible réluctance. Le fonctionnement du moteur est

assuré par un pilotage du type unipolaire et l'avance du rotor est obtenue en excitant tour à

tour une paire de pôles du stator.

A.1 Composition d’un moteur pas à pas à réluctance variable :

Composition d'un moteur pas à pas à réluctance variable

Un moteur pas à pas à réluctance variable est composé d’un rotor feuilleté en fer doux

comportant un certain nombre de dents, et d’un stator également en fer doux feuilleté

comportant un certain nombre de bobines. Le nombre de bobines doit être différent du

nombre de paires de dents du rotor. L’alimentation de chacune des bobines va permettre la

création d’un champ magnétique dans le stator, et le rotor s’oriente suivant les lignes de

champ. On peut noter que lorsque le moteur n’est pas alimenté, comme il n’y a pas d’aimant


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permanent, le rotor peut prendre n’importe quelle position : un moteur pas à pas à réluctance

variable n’a pas de couple résiduel ou couple de détente.

A.2 Les modes de commande d’un moteur pas à pas à réluctance variable :

A.2.1. Fonctionnement à pas complet :

Comme pour le moteur pas à pas à aimant permanent, on alimente successivement les

différentes bobines. Par contre, ici le sens d’alimentation n’a pas d’importance car le rotor

n’est pas polarisé. Le rotor va prendre une position telle qu’une des paires de dents soit

alignée avec la bobine alimentée.

A.2.2. Fonctionnement avec couple maximal :

De même, on peut utiliser un moteur pas à pas à réluctance variable en mode « High torque »

en alimentant 2 bobines. Le rotor prendra donc les positions intermédiaires, et comme pour le

moteur à aimant permanent, le couple sera plus élevé dans ce mode que dans le mode

précédent

A.2.3. Fonctionnement à demi-pas :

En combinant les deux modes précédents, on obtient un fonctionnement en 24 pas, et donc

une résolution de 15°. Le fonctionnement est illustré par l’animation ci-contre. Globalement

le nombre de pas (en fonctionnement pas entier) d’un moteur pas à pas à réluctance variable

est donné par la formule suivante :

avec

Np nombre de pas

Ns nombre de dents du stator

Nr nombre de dents

B. Moteur à aimants permanents :

Les moteurs à aimants permanents sont semblables aux moteurs à réluctance variable, sauf

que le rotor possède des pôles NORD et SUD. À cause des aimants permanents, le rotor reste

freiné à sa dernière position lorsque le bloc d'alimentation cesse de fournir des impulsions.

Une façon simple de voir le système, est de placer une boussole entre deux aimants. Suivant

la bobine qui est alimentée et le sens du courant, l'aimant va s'aligner avec le champ.


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B.1. Moteur à aimant permanent bipolaire :

Le courant de commande est bidirectionnel et l'avance d'un pas s'effectue par une séquence de

commutation des enroulements statoriques.

Pour ce type de moteur nous avons trois possibilités de commande :

B.1.1. Fonctionnement à pas complet :

La première consiste à alimenter les enroulements en suivant la séquence A vers B / C vers D

/ B vers A / D vers C (BA est le même enroulement que AB mais alimenté par un courant de

polarité inverse). Par la suite nous simplifierons la notation pour une meilleure

correspondance avec les chronogrammes des phases en indiquant uniquement la phase qui est

alimentée par un courant "positif". Soit : A C B D.

Cette séquence est connue sous le nom de "one phase on full step" (traduisez phase par phase

ou une phase à la fois en pas entier). A tout moment il n'y a qu'une seule phase d'alimentée et

nous travaillons en mode pas entier.

B.1.2. Fonctionnement avec couple maximal :

La seconde possibilité est d'alimenter une paire de phase en même temps de façon à ce que le

rotor se positionne entre deux pôles.

Appelé "two-phase-on full step" (deux phases à la fois en pas entier) ce mode de commande

est celui qui procure le couple le plus élevé.

La séquence sera donc : AC / CB / BD / DA.

http://www.positron-libre.com/cours/logique-combinatoire/table-verite.htm#chronogramme


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B.1.3. Fonctionnement à demi-pas :

La troisième option est un mélange des deux première puisque l'on alimente tour à tour le

moteur sur une phase puis deux puis une... Cette séquence connue sous le nom de mode demi

pas procure effectivement un division par 2 de l'angle d'avance d'un pas, mais aussi un couple

moins régulier.

La séquence qui en découle est la suivante : A / AC / C / CB / B / BD / D /DA.

Pour obtenir une rotation dans la direction opposée les mêmes séquences sont utilisée en

inversant l'ordre de défilement.

Comme nous pouvons le constater sur les diagrammes, les moteurs sont représentés avec une

avance de pas à 90°.

Dans les moteurs réels le nombres de pôles ont été multipliés pour réduire à quelques degrés

seulement l'angle d'avance d'un pas. Le nombre d'enroulements et la séquence de commande

restant, quant à eux, inchangés.


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B.2. Moteur à aimant permanent unipolaire :

Les moteurs unipolaires se différencient par le fait qu'ils sont à double bobinage.

Le double bobinage est utilisé pour l'inversion du flux statorique et le moteur se commande de

la même manière qu'un bipolaire excepté qu'un seul transistor pour chaque enroulement suffit

dans l'étage de puissance (soit quatre Darlington pour un moteur ou un réseau de 4 transistors

- voir ULN 2075B).

Simplement, les moteurs unipolaires sont plus chère car leur fabrication réclame un double

bobinage. De plus, pour une taille donnée, ce type de moteur à un couple plus faible à cause

des enroulements qui sont plus fins.

Il fût une époque où les moteurs unipolaires étaient intéressants pour les concepteurs parce

qu'ils simplifiaient l'étage de commande électronique. Maintenant, grâce aux circuits de

commande (push pull monolithique) du genre L298, les moteurs bipolaires sont devenu

populaires et d'une utilisation courante.

Tous les moteurs à aimant permanent souffrent des oscillations (et des harmoniques qui s'en

suivent) générées par le rotor qui limitent la vitesse de rotation.

Quand des accélérations et des vitesses plus élevées sont nécessaires on utilisera de préférence

les moteurs à reluctance variable.

B.2.1 fonctionnement d’un moteur pas-a-pas unipolaire :

on partira du principe que la rotation d'un moteur pas à pas s'effectue en 4 étapes, dans la

réalité, le moteur est constitué d'une succession d'alternance de pôles : ainsi, l'axe du modèle

dont nous disposons dans notre réalisation fait un tour complet en 48 pas (un pas correspond

donc à 360°/48 = 7,5°).

Dans les schémas, la flèche noire représente l'aiguille d'une boussole qui serait disposé en

place et lieu du rotor ; elle indique l'orientation du champ magnétique (elle pointe vers le

nord, qui attire donc le pôle Sud du rotor) et se décale alors d'un quart de tour à chaque étape. B.2.1 Etape 1 :

Figure B.2.1 :Etape 1


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Etape 1, position 1 :

1. Premier bobinage (stator bleu) :

Phase 1 (interrupteur gauche) non alimentée.

Phase 2 (interrupteur droit) alimentée.

2. Second bobinage (stator vert) :

Phase 1 (interrupteur gauche) alimentée.

Phase 2 (interrupteur droit) non alimentée.

B.2.1 Etape 2 :

Figure B.2.1 : Etape 2








B.2.1 Etape 3 :



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B.2.1 Etape 4 :









B.2.2 Etats successifs des phases du moteur unipolaire :

La table de vérité B.2.2.1 résume les états successifs des différentes phases ; l'état logique

indique si la phase est alimentée ("1") ou non ("0").

Numéro de l'étape : 1 2 3 4

Bobinage 1, Phase 1 0 1 1 0




Figure B.2.2.1 :Table Etat successifs des phases


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Le chronogramme correspondant est représenté en figure B.2.2.2

Figure B.2.2.2 : Chronogramme

Le chronogramme laisse apparaitre que pour le bobinage 1, les signaux de contrôle de la

phase 1 (B1,P1) et de la phase 2 (B1,P2) sont complémentaires ; il en va de même pour le

bobinage 2, concernant (B2,P1) et (B2,P2).

B.2.3 Fonctionnant du moteur unipolaire en mode demi-pas :

Le moteur de notre schéma effectue une rotation en quatre pas, il se caractérise par un

fonctionnement dit "par pas" ; il existe également un mode de fonctionnement par "demi-pas"

: il consiste à intercaler entre deux étapes, une période au cours de laquelle l'on coupe

l'alimentation du bobinage du stator dont l'aimantation s'apprête à changer de sens (elle passe

donc par zéro) ; durant cette nouvelle étape, le rotor tourne d'un demi-pas (45°) en s'alignant

sur le seul stator alimente ; une rotation totale se produit alors au bout de huit demi-pas, la

table de vérité des phases est représentée en table B.2.3.

Numéro de l'étape : 1 2 3 4 5 6 7 8

Bobinage 1, Phase 1 0 0 1 1 1 0 0 0

Bobinage 1, Phase 2 1 0 0 0 0 0 1 1

Bobinage 2, Phase 1 1 1 1 0 0 0 0 0

Bobinage 2, Phase 2 0 0 0 0 1 1 1 0

Table B.2.3 : Etat successifs des phases lors de l'utilisation des demi pas.

Le mouvement s'effectué à la suite d'une inversion du champ magnétique en alimentant l'une

ou l'autre des phases d'un bobinage a point milieu ; seule une moitié du bobinage est donc

utilisée a un instant donné. Un autre type de moteur, dit moteur à deux phases, permet

d'obtenir un couple plus important ; son principe consiste à utiliser un bobinage sans point

milieu, et à faire circuler le courant dans un sens ou dans l'autre...

C.Moteur pas à pas hybride :

Pour tirer profit des avantages des moteurs pas à pas à aimants permanents et à réluctance

variable, on utilise des moteurs hybrides. La commande est similaire à un moteur pas à pas à

aimant permanent mais la constitution du rotor permet d'obtenir beaucoup plus de pas.


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C.1. Composition d’un moteur pas à pas hybride :

Le rotor présente plusieurs dents comme pour un moteur pas à pas à réluctance variable, mais

chaque dent est polarisée comme pour un moteur pas à pas à aimants permanents.

Physiquement le rotor est composé de deux éléments identiques à un rotor de moteur à

réluctance variable (rouge et bleu ici), reliés ensemble par un aimant permanent (noir), avec

un déphasage d’une 1/2 dent. De ce fait ces deux éléments ont une polarisation différente

(nord et sud) et vont réagir à la polarisation de chacune des dents du stator. C’est cette

polarisation qui permet de n’utiliser que 2 bobines, qui forment en réalité 4 états différents

puisque le sens du courant entre ici en jeu.

C.2 .Fonctionnement d’un moteur pas à pas hybride :

En mode pas entier, les bobines sont alimentées une par une alternativement, dans un sens

puis dans l’autre. On voit bien ici l’intérêt d’avoir un rotor polarisé : quand on coupe

l’alimentation de la bobine verte et qu’on alimente la bobine rose, en l’absence de polarisation

du rotor on n’aurait aucun contrôle sur le sens de rotation, les deux dents bleues et rouges

étant attirés de la même façon par la bobine. Avec un rotor polarisé, on peut choisir une de ces

deux dents en agissant sur le sens du courant dans la bobine. Il en résulte le mouvement décrit

sur la figure suivante :

C.3. Commande d’un moteur pas à pas hybride :

Nous venons de voir que pour commander un moteur pas à pas hybride, comme pour un

moteur à aimant permanent, on doit contrôler le sens courant dans chacune des bobines. En

pratique, le bobinage est généralement réalisé sur une pièce en fer doux dentée, et polarise

cette pièce suivant le sens du courant. Pour cela, il existe 3 types de câblages pour les moteurs

pas à pas :

Câblages 4 fils :

Il n’y a qu’une seule bobine pour chaque pôle. Ce type de configuration impose de pouvoir

changer le sens du courant au niveau du système d’alimentation. Ces moteurs sont appelés

moteurs pas à pas bipolaires, car lors de leur rotation chacune des bobines va être polarisée de

deux façons différentes.

Câblages 6 fils :

Un point milieu est créé sur chacun des bobinages. Généralement ces deux points milieux

(2 et 5) sont reliés à une borne du dispositif d’alimentation. En alimentant un des 4 autres

points on peut choisir le sens du courant sans avoir d’inversion de polarité. L’inconvénient


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est qu’on n’utilise que la moitié du cuivre, ces moteurs pas à pas unipolaires ont donc un

rendement massique plus faible.

Câblages 8 fils :

Cette configuration de moteur pas à pas permet de choisir entre les deux configurations

précédentes au moment du câblage. On peut relier les bobines de chaque groupe en série ou

en parallèle pour utiliser le moteur en bipolaire, ou les relier en série en gardant le point

milieu pour l’utiliser en unipolaire.

Moteur pas à pas hybride 4 fils Moteur pas à pas hybride 6 fils Moteur pas à pas hybride 8 fils

4. Comparaison entre les différents types des moteurs pas à pas : Cette comparaison peut se résumer selon le tableau suivant :

Critère de comparaison Moteur P-à-P à

Aiment permanent

Moteur P-à-P à

Réluctance variable

Couple de travail Elevé Faible

Vitesse de fonctionnement Faible Faible

Pas exécuté Faible Elevé

Inertie propre Elevé Faible

Couple de maintien Non négligeable Négligeable

Amortissement des oscillations Plus important Moins important

5. Enigme des fils :

Bien qu’à l’intérieur de ces bobine se trouvent plusieurs bobines excitatrices ,celles-ci sont

tous reliés en séries ou bien en parallèles et possèdent donc toujours 4 ou 5-6 fils sortent de

leur corps . On peut pas brancher les fils comme ça ! Il faut repérer les bonnes paires de fils !

Cette opération de « repérage » est assez simple !

Pour les moteurs 4 fils (bipolaire):

on branche un fils avec la sonde du testeur (multimètre) réglés en Ohm, On touche les fils

restants et lorsque on lit une valeur sur le testeur voilà la couple mais attention quand même si

on lit des valeurs sur plusieurs fils (en contemporaine) ou entre le châssis du moteur et un fil,

le moteur sera grillé, dans ce condition jamais brancher le moteur sur la carte de puissance et

l’alimenté sinon on aura de la fumé qui va sortir .


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Pour les moteurs 5-6 fils (unipolaire):

On touche les fils restants et cette fois on doit avoir deux groupes de 3 fils chacun mais si on

fait attention on a des lectures différentes ! Exemple, entre le fil rouge et le noir lisons 20

entre le fil rouge et le blanc rouge (fil bicolore) lisons 10 entre le fil blanc rouge (bicolore) et

le noir lisons 10, voilà le fil bicolore est le fil central de la bobine.

Pour les moteurs 8 fils :

A l'ohmmètre on repère les 4 bobines, on prend 2 piles de 1,5 Volts , on branche la 1er pile

sur un des bobinage (n'importe lequel ) le moteur va se mettre dans une position , à la main

tâte la force du couple de maintien, on laisse la 1ere pile branché, et on met la 2ème pile sur

un des 3 autre bobinages si au moment où on branche cette 2ème pile le moteur fait un petit

saut , alors ce n'est pas le bon bobinage, On essaye un autre, si le moteur ne bouge pas, c'est

qu’on as trouvé le 2ème bon bobinage, puis on laisse les 2 piles brancher et à la main tâte de

nouveau le couple de maintien, s'il est plus faible que la 1er fois alors notre 2ème bobinage est

à l'envers, alors on inverse la 2ème pile si le couple est plus fort , ça-y-est ,on as les 2 bonnes

bobines et leurs bon sens il ne nous reste plus qu'à faire la même chose sur les 2 bobines

restantes .

Figure I.5 détails du branchement des fils du moteur unipolaire

6. CONCLUSION : On constate qu’il existe différents types de moteur pas à pas. cependant le problème qui se

présente maintenant c’est comment commander ces moteurs autrement dit comment peut- on

faire varier le sens de rotation du moteur , l’angle de rotation ,etc…

Ce problème peut être facilement résolu en utilisant des circuits intégrés spécialisés dans la

commande des moteurs pas à pas .Ces circuits sont nombreux dont on va choisir un des plus

efficace.

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