Le couple d'un moteur est fonction du courant qui traverse les bobines du moteur. La méthode la plus courante, et la plus logique, qui permet de contrôler ce couple consiste à réguler le courant en le surveillant directement. Cette méthode est appelée « contrôle de mode de courant ». Il existe une autre méthode pour entraîner un moteur, appelée « contrôle de mode de tension »
Dans ce cas, le courant n'est pas surveillé ; des calculs de la tension à appliquer au moteur sont effectués dans l'optique d'atteindre le courant cible voulu. Cet article présente les avantages et inconvénients des deux méthodes. Le pilote pour moteur pas-à-pas powerSTEP01 de STMicroelectronics est le seul pilote sur le marché pouvant être programmé pour utiliser les deux méthodes.
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Les caractéristiques électriques d'un moteur peuvent être présentées sous forme d'inductance, de résistance et de force contre-électromagnétique, comme le montre la Figure 1. Un moteur pas-à-pas bidirectionnel dispose d'un double pont en H ; les mêmes signaux sont appliqués à chaque pont en H, bien qu'avec une différence de phase de 90 degrés. Nous nous concentrons donc uniquement sur un seul pont en H.
Figure 1
Dans un contrôle de mode de courant, le courant est surveillé grâce à une résistance de shunt en bas du pont en H (voir Figure 2), et la tension de cette dernière est connectée à un ADC.
Figure 2
Cette tension déclenche plusieurs phénomènes, comme le montre la Figure 3. Si la tension dépasse un certain seuil, il est impératif qu'une chute ait lieu. Si le courant doit diminuer lentement, une chute lente est produite via la recirculation du courant du côté basse tension (ou haute tension) du pont. Vous pouvez rapidement atténuer une chute rapide en faisant passer une tension négative dans la bobine. Au bout d'un court instant, le courant doit augmenter. Une tension positive est alors appliquée au moteur. Le courant oscille alors autour de la valeur cible jusqu'à ce qu'une nouvelle valeur soit programmée.
Figure 3
Les problèmes suivants doivent alors être résolus à l'aide du contrôle de mode de courant :
- La nécessité de programmer une chute lente et rapide au sein du même cycle.
- L'algorithme du temps de chute. Étant donné que la force contre-électromagnétique varie selon la vitesse, le timing de la chute doit également évoluer. Par ailleurs, la valeur du pas est différente pour ce qui est des micropas ; le timing doit donc varier à chaque micropas. Même avec un timing optimisé, le courant, bruyant, empêche un positionnement précis.
- Au fur et à mesure que le timing change, la fréquence change également, et peut diminuer dans l'environnement bruyant. C'est bien évidemment inacceptable dans de nombreuses applications.
- Le recours aux résistances de shunt. À un courant élevé, les résistances de shunt sont larges et coûteuses.
Le contrôle de mode de tension résout ces problèmes. Comme vu précédemment, un moteur est caractérisé par une inductance et une résistance à valeurs fixes, et par une force contre-électromotrice qui dépend de la vitesse du moteur. Le comportement du système est fonction du régime moteur ; à des vitesses faibles, il agit en tant que circuit résistif, tandis qu'à des vitesses élevées, le circuit devient inductif. Pour un courant cible Iph_target, la tension à appliquer est calculée grâce aux équations suivantes :
Où Ke est la constante électrique du moteur en V/Hz et fel est la fréquence électrique en Hz.
Avec ce mode, la tension est appliquée par un PWM à fréquence constante (pour la plupart des systèmes, une fréquence de 20 kHz convient très bien. Celle-ci est donc toujours supérieure aux fréquences audio). Par conséquent, la nécessité de programmer une chute lente et rapide au sein du même cycle disparaît. Le système fonctionne mieux, avec un positionnement plus précis, détecte mieux les calages et offre un meilleur contrôle du couple à des vitesses basses. Malheureusement, chaque moteur pas-à-pas subit des résonances à des vitesses différentes, et le contrôle de mode de tension présente des faiblesses lorsque le régulateur du système n'est pas assez puissant. En effet, étant donné que le courant n'est pas surveillé, la force contre-électromagnétique n'est plus prévisible en cas de vibrations. La conception ne permettant pas l'ajustement de la fréquence et de la valeur de la tension, la phase du courant suit les vibrations de la force contre-électromagnétique. Cela entraîne un couple non contrôlé, voire un arrêt.
La Figure 4 représente les différences d'entraînement de ces deux méthodes. Les sorties de tension du pont en H sont représentées en bleu et en vert, tandis que le courant du moteur est en marron. Lorsque le bleu et le vert s'entrelacent lors du contrôle de mode de courant, il se produit un mélange de chute rapide et lente. Au contraire, le contrôle de mode de tension utilise seulement la chute lente pour ajuster le courant.
Figure 4
En conclusion, le contrôle de mode de tension et le contrôle de mode de courant conviennent parfaitement, selon les besoins. Le contrôle de mode de tension est plus approprié lors des vitesses faibles, tandis que le contrôle de mode de courant convient mieux à des vitesses élevées, ou lorsque le moteur rentre dans une phase de résonance. Le pilote powerSTEP01 de STMicroelectronics peut être programmé pour piloter des moteurs pas-à-pas en utilisant les deux méthodes, rendant possible la création de plateformes polyvalentes.