La connexion des usines et les applications portables sont des facteurs d'évolution
Un moteur pas-à-pas est un type de moteur CC sans balais (BLDC) qui avance par pas discrets en réponse à des signaux externes appliqués aux bobines de son stator. Bien que les moteurs pas-à-pas existent depuis longtemps, ils continuent d'évoluer devant l'émergence de nouvelles applications et de transformations industrielles.
L'histoire du moteur pas-à-pas
L'origine du moteur pas-à-pas remonte au « moteur électromagnétique » inventé au XIXe siècle. En 1919, un brevet déterminant sur la construction de moteurs pas-à-pas est déposé, puis des applications pratiques apparaissent sur les navires de guerre dans les années 1920. Il faudra pourtant attendre les années 1950 pour que soient développés les premiers modèles modernes de moteurs pas-à-pas, qui seront largement adoptés au cours de la décennie suivante.
Fonctionnement du moteur pas-à-pas
Un moteur pas-à-pas contient en général deux jeux de bobines de stator, appelées « phases », qui sont entraînées indépendamment par des signaux en quadrature. En alimentant chaque phase de façon séquentielle, on fait tourner le moteur, pas après pas, pour aligner les dents du rotor sur la bobine du stator alimentée. La plupart des modèles de moteur pas-à-pas intègrent des aimants à la fois sur le rotor et le stator, avec des aimants permanents situés sur le rotor et des électroaimants dans le stator. La vitesse du moteur varie en fonction du rythme de changement des impulsions des signaux d'alimentation. Le sens de la rotation change lorsque la séquence des impulsions est inversée. Ce principe de contrôle n'oblige pas à renvoyer des informations de position au contrôleur. Les moteurs pas-à-pas sont donc par définition des appareils en boucle ouverte.
Il existe de nombreuses façons d'alimenter les phases du stator, notamment par pas complets, par demi-pas ou par micro-pas, selon la technique de contrôle utilisée.
Figure 1 : une série de moteurs pas à pas et de contrôleurs industriels. (Source : Arcus)
Les moteurs pas-à-pas sont de tailles et de styles très variés. Comme tous les moteurs, ils présentent des avantages et des inconvénients les uns par rapport aux autres.
Côté positif, les moteurs pas-à-pas sont économiques, solides, faciles à construire et se montrent très fiables. Fonctionnant par nature en boucle ouverte, ils sont simples à faire fonctionner et à piloter. Ils fournissent un excellent couple à vitesse lente, jusqu'à cinq fois le couple continu d'un moteur à balais de même taille ou le double du couple d'un moteur équivalent sans balais. Cela évite souvent de devoir les doter d'une boîte de vitesses. Enfin, les moteurs pas-à-pas sont plus résistants aux pannes que les moteurs servo et n'ont pas tendance à s'emballer, quelle que soit la défaillance au sein du contrôleur.
Ils présentent en revanche quelques inconvénients. L'absence d'élément de retour empêche de connaître la position absolue du pas (on ne connaît que sa position relative). Chaque pas manqué représente donc une erreur qui vient s'ajouter aux précédentes. Le moteur doit alors être réinitialisé sur une position connue au démarrage après réinitialisation du système, généralement en parcourant tous les pas de la course jusqu'à trouver les arrêts mécaniques. En outre, la précision du positionnement dépend de celle des engrenages mécaniques ou des vis à billes utilisés. Le fonctionnement en boucle ouverte peut aussi entraîner une oscillation d'avance-retard, difficile à amortir, des effets de résonance à certaines fréquences de pas et des temps de stabilisation relativement longs.
Les moteurs pas-à-pas consomment du courant dans toutes les conditions de charge et tendent donc à chauffer. Les pertes à certaines vitesses, relativement élevées, peuvent entraîner une surchauffe et le moteur est assez bruyant, surtout à haute vitesse. À faible vitesse, il est difficile d'obtenir de vraies performances à moins d'utiliser des micropas. Ces solutions ne sont pas optimales pour les applications à haute vitesse car elles exigent des tensions de plus en plus élevées pour faire varier le courant au bon moment à mesure que la vitesse augmente.
Progrès récents dans les moteurs pas-à-pas
Les moteurs pas-à-pas sont en vogue depuis les années 1960, ce qui ne signifie pas que la technologie stagne. Des améliorations régulières ont été apportées au fil du temps à de nombreux aspects de ces moteurs et à leurs systèmes de commande, notamment avec l'invention des micropas dans les années 1970, suivie par l'introduction de contrôleurs du commerce 10 ans plus tard. Voici quatre des tendances les plus récentes de l'évolution de ce type de moteur.
Commande de moteurs pas-à-pas en boucle fermée
L'arrivée de microcontrôleurs puissants et peu coûteux et de stratégies de contrôle orientées vecteur ou champ (FOC) a conduit à l'apparition de contrôleurs de mouvement capables de faire tourner les moteurs pas-à-pas avec retour de la part du codeur. Le résultat est un moteur pas-à-pas en boucle fermée qui vient corriger un grand nombre des inconvénients décrits ci-dessus.
Les avantages du contrôle en boucle fermée dans le cas de moteurs pas-à-pas sont notamment une vitesse nettement plus régulière et une consommation électrique moindre par rapport aux moteurs pas-à-pas en boucle ouverte. De même, le couple à faible vélocité est sensiblement supérieur à celui des moteurs servo triphasés classiques sans balais. Par ailleurs, les systèmes en boucle fermée peuvent détecter et corriger les erreurs de position dues aux pas manqués.
Les applications dans lesquelles utiliser un moteur pas-à-pas en boucle fermée sont notamment les équipements à semiconducteurs, la robotique, les machines textiles, les systèmes de test et d'inspection ou les machines à enrouler.
Moteurs pas-à-pas miniature pour applications portables
Une des tendances qui touchent la quasi-totalité des équipements électroniques (des connecteurs aux batteries en passant par les moteurs) est l'inexorable transition vers des appareils plus petits et plus légers. Les machines de bureau deviennent des accessoires portables. Des équipements qui prenaient toute une pièce se promènent maintenant sur de simples chariots. Cette transition pousse à son tour les composants à se miniaturiser toujours plus et les moteurs pas-à-pas ne font pas exception à la règle.
Figure 2 : moteur pas-à-pas miniature avec actionneur linéaire et lentille intégrée. (Source : Elabz)
Des moteurs pas-à-pas minuscules exigent des accessoires mécaniques tout aussi fins. La figure 2 montre un bloc de moteur pas-à-pas miniature avec une vis à rouleaux satellites intégrée faisant office d'actionneur linéaire pour déplacer la lentille laser d'un lecteur DVD HP. Avec son diamètre de 17,9 mm seulement, le tout n'est pas plus gros qu'une pièce de 10 centimes !
Systèmes de moteurs pas-à-pas en réseau
Les usines modernes automatisées fonctionnent avec plusieurs ateliers répartis dans toute l'usine et pilotés par des contrôleurs programmables qui communiquent via des protocoles réseaux industriels tels que Fieldbus, Ethernet ou CAN. Le réseau permet aux données et aux informations critiques et urgentes de circuler facilement entre les divers contrôles distribués, l'objectif étant d'obtenir un système de contrôle de cellules de travail cohésives bien qu'indépendantes.
Dans cette recherche perpétuelle d'un meilleur rendement, d'un câblage plus simple, d'une évolutivité modulaire, d'une plus grande facilité de dépannage et d'une taille plus réduite, la tendance est à pousser l'intelligence le plus loin possible dans la chaîne de signaux. C'est ainsi que sont nées des solutions de moteurs pas-à-pas intégrées, qui comprennent le moteur pas-à-pas, le codeur (si le fonctionnement en boucle fermée l'exige), l'entraînement du moteur et une interface réseau, le tout dans un même bloc.
Un moteur pas-à-pas classique (avec codeurs, pilote et contrôleur) peut nécessiter la connexion d'au moins 20 câbles, ce qui augmente les risques d'erreur. Cette nouvelle approche offre de nombreux avantages pour l'OEM, notamment une installation plus rapide, un risque réduit de bruits électriques, un encombrement limité, de moindres coûts d'installation et des dépannages plus simples. L'utilisateur final, quant à lui, bénéficie d'une plus grande fiabilité, d'un remplacement plus simple, d'une durée de fonctionnement prolongée et d'une meilleure productivité.
Le système présente cependant quelques inconvénients. Le coût initial d'un moteur pas-à-pas intégré est plus élevé, de même que le coût de remplacement puisqu'il faut remplacer le bloc tout entier si un seul de ses composants tombe en panne. Un grand nombre de fabricants de moteurs pas-à-pas intégrés diminuent légèrement la puissance de leurs moteurs pour réduire la chaleur dégagée, cause fréquente de pannes électroniques. En outre, le choix est sans doute plus limité pour ce type de moteur que pour leurs homologues non intégrés.
Une conception tolérante aux pannes
Un grand nombre de moteurs pas-à-pas fonctionnent dans des applications où la sécurité est critique et où toute défaillance peut entraîner un dysfonctionnement catastrophique du système. Ce peut être le cas, par exemple, dans l'aéronautique, le médical, les transports, la défense ou le nucléaire. Il existe diverses méthodes pour limiter ces risques de défaillance, dont celles de conception tolérante aux pannes (un système capable de continuer à fonctionner malgré la défaillance d'une de ses pièces) et de conception redondante, dans laquelle chaque opération critique est exécutée par deux systèmes en doublon (voire davantage).
Les installations de grande taille pourront utiliser des systèmes en double, mais cela peut ne pas être réalisable dans de nombreuses applications disposant de peu d'espace. Du point de vue du moteur pas-à-pas, la tolérance aux pannes implique des fonctionnalités telles que les suivantes :
- Une redondance supérieure, en utilisant des segments de moteurs identiques sur le même arbre,
- Des phases isolées électriquement pour éviter les courts-circuits de phase à la phase,
- Des bobinages découplés magnétiquement pour éviter les baisses de performances en cas de panne des autres phases, et
- Des phases physiquement isolées pour éviter la propagation de la panne aux phases voisines et pour renforcer l'isolation thermique.
Une récente avancée dans ce domaine est le développement d'un moteur pas-à-pas biphasé miniature tolérant aux pannes, qui intègre quatre bobinages indépendants les uns des autres, mais normalement connectés par défaut. Dans cette conception tolérante aux pannes, toutefois, les quatre bobinages sont séparés électriquement entre eux, ce qui crée des moteurs pas-à-pas biphasés dont les phases sont isolées physiquement et électriquement.
Les bobinages ne sont que partiellement couplés magnétiquement. La configuration redondante entraîne une réduction du couple d'environ 30 % par rapport à une configuration standard. Cela peut être compensé par l'augmentation du courant de phase. De nombreux moteurs miniatures sont conçus pour des applications telles que les équipements médicaux, l'aéronautique ou la photonique.
Circuits intégrés pour la commande de moteurs pas-à-pas
Arrow offre de nombreuses solutions permettant de contrôler les moteurs pas-à-pas. Texas Instruments, par exemple, vient de sortir le DRV8800, un entraînement de moteur pas-à-pas 2 A avec un indexeur de micropas 1/16 doté de la fonction AutoTune. Celle-ci accorde automatiquement les moteurs pas-à-pas pour une régulation optimale du courant et compense les variations du moteur et les effets du vieillissement.
Voir les produits connexes
Microchip propose également un portefeuille complet, notamment des kits de développement de moteur pas-à-pas tels que le dsPICDEM MCSM Development Board, qui vise à contrôler les moteurs pas-à-pas unipolaires et bipolaires en mode de boucle ouverte ou fermée. Un logiciel permettant de piloter les moteurs en boucle ouverte ou fermée avec un système de micropas entier ou variable est également fourni, de même qu'une interface graphique afin de commander les pas, la saisie des paramètres du moteur et les modes de fonctionnement.