Les bases d'un moteur pas-à-pas expliquées

moteurs pas-à-pas fonctionnent en activant des bobines selon une séquence soigneusement contrôlée pour produire des mouvements précis. Comprendre comment ils fonctionnent au niveau fondamental peut toutefois s'avérer difficile. Nous allons traiter le sujet en profondeur en montrant comment fonctionne un moteur pas-à-pas simplifié, puis démonter un moteur pas-à-pas NEMA17 bipolaire pour illustrer ces concepts en pratique.

Fonctionnement d'un moteur pas-à-pas : illustration à l'aide d'un moteur simplifié

Dans le cas d'un moteur pas-à-pas bipolaire simplifié, chacun des deux jeux d'électroaimants est contrôlé par un pont en H. Cela leur permet de changer de polarité à la volée pour repousser ou attirer les pôles magnétiques permanents du rotor, comme le montre l'illustration ci-dessous :

Une autre variante consiste en un moteur à réluctance variable, qui utilise un cœur démagnétisé qui s'aligne sur les bobines activées. Notez que de nombreux moteurs pas-à-pas utilisent plus de quatre bobines.

Dans cette illustration, B et B1 sont liés de telle sorte que lorsque B est activé, il agit comme un pôle sud magnétique, B1 devenant le nord, ce qui inverse la position du rotor. A1 est ensuite activé de façon à devenir le sud et à attirer le pôle nord du rotor, tandis que A est activé pour être le nord et attirer le sud de l'aimant. Le cycle se poursuit comme le montre le schéma ci-dessous. Quand on traduit ce schéma à bobine unique sous forme de graphe, on obtient l'allure d'une vague, ce pourquoi il est souvent désigné sous le nom de séquence d'onde sinusoïdale.

Schéma dans le sens horaire (redémarrage)

Avec une résolution de pas de 90º, ce moteur pas-à-pas est en effet particulièrement rudimentaire. Une autre façon d'atteindre le même résultat est d'activer les quatre bobines en même temps, les pôle nord et sud étant alignés de façon séquentielle à côté l'un de l'autre. Le rotor magnétique permanent pointe entre les électroaimants actifs, vers le centre de leur attraction magnétique combinée. Ce type de fonctionnement où toutes les bobines sont actives produit davantage de couple qu'une configuration à une seule bobine, mais il exige le double de puissance dans le cas d'une activation totale.

La séquence dans le sens horaire est la suivante :

Schéma dans le sens horaire (redémarrage)

Nous fonctionnons toujours par pas entier de 90º, mais le fait de disposer des deux options nous donne la possibilité d'entrelacer les deux pour obtenir 8 pas au lieu de 4. Cela porte le nom de fonctionnement par demi-pas, comme dans l'illustration ci-dessous :

Cette séquence est plus longue et n'est pas reportée ici, mais elle suit un mouvement de pas progressif comparable. En particulier, les schémas présentés peuvent également être inversés pour fonctionner dans le sens anti-horaire.

Enfin, la configuration à plusieurs aimants peut être poussée encore plus loin à l'aide du fonctionnement par micro-pas. Dans une telle configuration, chaque pôle est alimenté de façon incrémentielle selon un schéma sinusoïdal analogique, ce qui permet de subdiviser encore ces 8 pas en 16, 32, voire en pas encore plus petits.

NEMA 17 : 200 pas par révolution

Au-delà de la simple disposition magnétique décrite ci-dessus, un moteur pas-à-pas NEMA17 couramment disponible offre 200 pas individuels entiers par révolution. Cela donne une résolution de 1,8º par pas (360º/200). Un moteur pas-à-pas NEMA17 type possède 8 bobines étagées sur sa circonférence, mais fonctionne de la même façon que le schéma A, A1 ; B, B1 de l'illustration ci-dessus.

À l'intérieur du moteur, un aimant rotor a un pôle nord et un pôle sud alignés sur le même axe et des roues de 50 dents à chaque extrémité permettant de fonctionner selon un mode hybride aimant permanent/réluctance variable. Chaque jeu de roues dentées est échelonné avec son homologue rotor de pôle opposé, ce qui permet d'obtenir 200 steps par révolution.

En mode demi-pas, il est possible d'obtenir une résolution de 0,9º. Un mode de micro-pas peut encore multiplier ces divisions. Sachant que les moteurs pas-à-pas sont souvent fabriqués et vendus bien en dessous de 100 $, ils représentent une fantastique innovation.

Moteur pas-à-pas NEMA 17 : démonté pour aller plus loin

Les moteurs pas-à-pas NEMA17 sont relativement faciles à démonter : il suffit de dévisser les écrous à l'arrière du moteur, puis de frapper l'arbre contre une table ou une autre surface dure. Bien qu'un risque de rupture existe, prendre le risque de sacrifier une unité bon marché m'a paru justifié ici. Je suis même allé plus loin et j'ai percé un trou dans le haut du boîtier pour le voir fonctionner.

Dans la première image ci-dessous, vous pouvez voir les principales pièces du moteur pas-à-pas. À gauche se trouve la partie inférieure modifiée pour voir l'appareil fonctionner. Le rotor se trouve au milieu, avec des protrusions décalées, comme nous l'avons vu plus tôt, ainsi que des roulements en haut et en bas pour assurer un fonctionnement fluide. La section de l'électroaimant se trouve à droite, avec 8 bobines, et des dents magnétiques en protrusion servant alternativement à attirer et repousser le rotor. En bas à droite, un ressort de compression maintient le rotor serré et, au-delà, quelques vis partiellement masquées maintiennent l'ensemble.

Les deux images suivantes montrent le rotor de façon plus détaillée, avec un petit aimant en forme de disque inversé pour indiquer la polarité. Ensuite se trouve un gros plan du stator, avec ses bobines et ses protrusions.

Lors du remontage, l'image suivante montre une vue en coupe du rotor et des bobines alignés. Une Arduino Uno avec un blindage moteur utilise une puce de pilote L293D pour activer le moteur pas-à-pas de façon séquentielle. Ces puces sont particulièrement indiquées avec ce type de moteur parce qu'elles utilisent deux circuits à pont en H qui permettent d'activer les bobines dans l'une ou l'autre direction.

Le blindage moteur L293D est fixé à ce moteur pas-à-pas modifié, exécutant une version modifiée du code test du blindage moteur de l'Adafruit (nettement plus lent, et 200 pas par révolution au lieu de 48 par défaut). Des LED étaient fixées sur les sorties des bobines, la rouge dans une direction et la bleue dans l'autre. Cela permet à la rouge de s'allumer pour une direction de la bobine et à la bleue de s'allumer pour l'autre. À mesure qu'il passe à travers les quatre schémas de pas, ce système permet de bien visualiser le flux du courant :

Moteurs pas-à-pas bipolaires : des commandes de mouvement utiles

En définitive, il est peu probable que vous ayez jamais à vous pencher sur les entrailles d'un moteur pas-à-pas car ces appareils fonctionnent en général sans problème pour peu qu'ils soient équipés du bon pilote et du bon logiciel. En même temps, j'espère que cet article vous aura permis de mieux comprendre ce qui se passe à l'intérieur de ces extraordinaires appareils. Bien que leur utilisation présente certaines limites (par exemple, pas de rétroaction intégrée comme dans un servomoteur), les moteurs pas-à-pas sont souvent une excellente solution pour contrôler précisément des mouvements de rotation.

Si vous avez besoin de rétroaction et de réglage en fonction de la vitesse plutôt que de la distance pure, consultez notre article sur la mise en place d'une configuration de contrôle PID.