Comprendre les moteurs pas à pas : aspects clés et considérations pratiques

Moteur pas à pasLes moteurs pas à pas sont des composants essentiels dans de nombreuses applications industrielles et d'automatisation, reconnus pour leur positionnement précis et leur couple élevé. Cependant, comme tout moteur, ils présentent leurs propres défis et points à prendre en compte. Dans cet article, nous explorerons certains aspects clés des moteurs pas à pas, notamment les problèmes de surchauffe, la précision, les méthodes de contrôle, le câblage, etc.

Chauffage des moteurs pas à pas
1. Pourquoi les moteurs pas à pas chauffent-ils ?
Les moteurs pas à pas, comme tous les moteurs, possèdent un noyau de fer et des bobines. Ces bobines présentent une résistance, et le passage du courant électrique engendre des pertes proportionnelles à cette résistance et au carré de l'intensité. Ce phénomène est appelé pertes par effet Joule. De plus, si le courant n'est ni continu ni sinusoïdal, des pertes harmoniques apparaissent. Le noyau de fer, du fait de l'hystérésis et des courants de Foucault, génère des pertes dans un champ magnétique alternatif, appelées pertes fer. Ces pertes par effet Joule et pertes fer se traduisent par de la chaleur, ce qui affecte le rendement du moteur. Les moteurs pas à pas privilégient généralement la précision de positionnement et le couple, fonctionnant souvent avec un rendement moindre, des courants élevés et des composantes harmoniques importantes, ce qui entraîne un échauffement significatif.

2. Pourquoi les moteurs à haute/basse température et les servomoteurs chauffent-ils davantage ?
Les moteurs haute/basse température utilisent des matériaux de bobine capables de résister à des températures plus élevées et présentant une meilleure isolation. Par conséquent, leurs performances de dissipation thermique sont légèrement inférieures à celles des bobines des servomoteurs standard, mais cela n'affecte pas leurs performances à haute température.

3. Variation du chauffage en fonction de la vitesse :
Lorsqu'on utilise la technologie d'entraînement à courant constant, les moteurs pas à pas maintiennent un courant constant à l'arrêt et à basse vitesse afin de garantir un couple constant. À mesure que la vitesse augmente, la force contre-électromotrice interne s'accroît, ce qui entraîne une diminution progressive du courant et du couple. Par conséquent, l'échauffement lié aux pertes par effet Joule dépend de la vitesse : il est généralement plus important à l'arrêt et à basse vitesse, et moins important à haute vitesse. Les pertes par effet Joule varient différemment, mais l'échauffement total correspond à la somme des deux.

4. Impact du chauffage :
Si un échauffement modéré n'affecte généralement pas la durée de vie du moteur, un échauffement excessif peut engendrer des effets néfastes, tels que des modifications des contraintes structurelles dues à des coefficients de dilatation thermique différents et à de légères variations des espaces d'air internes. Ces modifications influent sur la réponse dynamique et augmentent le risque de désynchronisation à haute vitesse. Dans certaines applications, comme les dispositifs médicaux et les équipements de test de haute précision, un échauffement excessif est inacceptable.

5. Réduction de l'échauffement du moteur :
La réduction de l'échauffement passe par la minimisation des pertes par effet Joule et Fer. Pour ce faire, il convient de choisir des moteurs à faible résistance et courant nominal, et d'utiliser, lorsque cela est possible, un montage en série plutôt qu'en parallèle. Les moteurs déjà sélectionnés peuvent bénéficier de variateurs dotés d'une régulation automatique du courant à mi-intensité et d'une fonction de mise hors tension. De plus, les variateurs à micropas réduisent l'échauffement grâce à leurs formes d'onde de courant quasi sinusoïdales, présentant moins d'harmoniques. Le choix d'un équilibre approprié de la tension d'alimentation est crucial pour une vitesse élevée, un fonctionnement régulier, un échauffement minimal et un faible niveau sonore.

Précision des moteurs pas à pas
Les moteurs pas à pas hybrides biphasés des séries KH et KVM présentent un angle de pas de 1,8° avec une précision de 3 à 5 % de cet angle. Cette erreur est ponctuelle et n'apparaît qu'à la mise sous tension initiale.

Commande par automate programmable des moteurs pas à pas
Les automates programmables Delta et Mitsubishi utilisent les instructions DPLSR/PLSR pour la commande par impulsions des moteurs pas à pas et servomoteurs, intégrant l'accélération et la décélération sur une durée supérieure à 100 ms. Les instructions DPLSY/PLSY, dépourvues d'accélération/décélération, peuvent entraîner des blocages à haute vitesse, des pertes de pas ou des alarmes de surcharge.

Câblage et extension des moteurs pas à pas
Les moteurs pas à pas KH sont équipés d'un câble standard de 3 mètres, tandis que les moteurs KVM ont un câble de 1 mètre. La longueur des câbles peut être augmentée jusqu'à 15 mètres ; au-delà, on observe une réduction du courant et une atténuation du couple.

Choix des divisions de micro-pas
Nous recommandons de choisir 4 000 ou 10 000 divisions de micropas. Un nombre de divisions plus élevé offre un meilleur couple à haute vitesse et réduit les vibrations à basse vitesse. Ce choix est également limité par la fréquence d'impulsion maximale de l'automate programmable.

Résistances pour signaux d'impulsion et de direction
La nécessité de résistances dépend de la tension d'impulsion et de direction du port du pilote. Si le port supporte 24 V, aucune résistance externe n'est requise avec une alimentation 24 V. Pour les ports 5 V alimentés en 24 V, des résistances de 2 kΩ sont nécessaires.

Câblage des bornes ENA+/ENA- (ou MF+/MF-)
Les bornes ENA+/ENA- (ou MF+/MF-) libèrent le moteur en coupant le courant de phase lorsqu'un signal actif est fourni, libérant ainsi l'arbre du moteur.

Fonction semi-courant
La fonction de demi-courant réduit l'échauffement du moteur en divisant par deux le courant lorsqu'aucune impulsion n'est reçue pendant une période donnée (par exemple, 1,5 s). Elle est recommandée pour les applications horizontales afin de limiter l'échauffement et désactivée pour les applications verticales afin de maintenir le couple de maintien.

Choix de la tension de fonctionnement du pilote
Des tensions de fonctionnement plus élevées réduisent l'atténuation du couple à haute vitesse dans la plage de tension du circuit d'entraînement, mais augmentent l'échauffement et les vibrations.

Réglage du courant de sortie du pilote
En règle générale, réglez le courant de sortie du pilote à une valeur ne dépassant pas le courant de phase du moteur, sauf si vous le dépassez légèrement pour répondre aux exigences de couple ou pour les environnements froids afin d'améliorer le couple de sortie.

Inversion du sens de rotation du moteur
Pour inverser le sens de rotation du moteur sans modifier le programme de commande, inversez les fils A+/A- (ou B+/B-) avec les connexions du circuit de commande. Pour les moteurs triphasés, inversez deux phases quelconques.
En comprenant ces aspects, vous pourrez mieux sélectionner, contrôler et entretenir les moteurs pas à pas dans vos applications, garantissant ainsi des performances et une fiabilité optimales.