Que sont les moteurs pas à pas et comment fonctionnent-ils?

Chaque fois que nous parlons de drones ou d’imprimantes 3D, le terme «  moteur pas à pas  » semble toujours trouver sa place dans la conversation. Après tout, il fournit le mécanisme fondamental de l’extrudeuse et de la tête d’impression mobile des imprimantes 3D, ainsi que des hélices des drones. Si nous pouvons comprendre les moteurs pas à pas et comment ils fonctionnent, nous pouvons acquérir une compréhension plus approfondie du fonctionnement des drones et des imprimantes 3D.

Que sont les moteurs pas à pas et qu’est-ce qui les différencie des moteurs classiques? Comment fonctionnent-ils et qu’est-ce qui les rend idéaux pour les composants d’imprimante 3D et de drone?

Qu’est-ce qu’un moteur pas à pas?

Un moteur pas à pas est un moteur électrique synchrone sans balais à courant continu qui divise sa rotation complète sur un certain nombre d’étapes de même ampleur. Comme avec un moteur sans balais habituel, un moteur pas à pas a un rotor central et un stator extérieur. La nature sans contact d’un moteur sans balais le rend moins sujet à l’usure, réduisant ainsi le besoin d’entretien fréquent.

La rotation d’un moteur standard sans balais est rendue possible par la présence de bobines électriques autour du stator. Le courant électrique traverse cette bobine, créant ainsi un champ magnétique qui fait tourner le rotor le long de l’axe de l’armature. Cette rotation complète la transformation de l’énergie électrique en énergie mécanique et entraîne le mouvement des engrenages trouvés dans de nombreux appareils courants, y compris les drones et les imprimantes 3D.

La présence de plusieurs bobines électriques autour d’un stator est responsable de la création des «étapes» discrètes d’un moteur pas à pas. Pour contrôler la vitesse de rotation d’un moteur pas à pas, des impulsions numériques sont envoyées au stator au lieu d’une seule tension analogique. En ajustant la fréquence de ces impulsions ou en limitant leur nombre, la vitesse de rotation et la position d’un moteur pas à pas peuvent être contrôlées avec une grande précision.

Comment fonctionne un moteur pas à pas?

Le contrôle caractéristique des moteurs pas à pas est assuré par la présence d’une série de bobines électriques – jusqu’à 200 dans certains cas. Chaque bobine est située à des parties égales du stator, permettant ainsi à l’armature de tourner à un angle fixe pour chaque impulsion électrique. Pour un moteur à 200 étapes, chaque étape crée un moteur équivalent à seulement 1,8 degrés.

Pour initier la rotation d’un moteur pas à pas, une seule impulsion électrique est envoyée à l’une des bobines électriques. Cela fait tourner le rotor d’une fréquence définie, ce qui le place dans un alignement plus proche de l’électro-aimant suivant. L’alimentation en courant du premier aimant est ensuite coupée et transférée au prochain aimant. Cela répète le processus, permettant une rotation supplémentaire du rotor. Chaque impulsion se traduit par une seule «étape», permettant un mécanisme de commande basé sur des nombres entiers pour la commande du moteur.

Pour les moteurs pas à pas plus anciens, le comportement de l’impulsion numérique peut être décrit par une fonction carrée. Cependant, des exemples plus modernes ont des impulsions qui suivent une fonction d’onde sinusoïdale. Ce dernier permet un fonctionnement moteur plus silencieux et plus efficace, mais nécessite l’utilisation de contrôleurs de vitesse plus sophistiqués et coûteux.

Différents types de moteurs pas à pas

Il existe aujourd’hui une grande variété de moteurs pas à pas. Outre les différentes tailles (exprimées en NEMA) et le nombre d’étapes, les performances d’un moteur pas à pas peuvent également varier en fonction de la construction du rotor et de l’enroulement des bobines des électro-aimants.

Selon la construction du rotor

1. Moteur à aimant permanent

Le type le plus simple d’un moteur pas à pas, un moteur à aimant permanent a un rotor cylindrique de base qui est magnétisé en permanence. En raison de la nature des aimants, la circonférence du rotor présente des polarités magnétiques alternées. Cela génère un couple plus fort avec la même entrée électrique. Cependant, la présence de polarités alternées signifie également que le rotor résistera naturellement aux changements de sa position, même lorsqu’une bobine électromagnétique a été mise sous tension. Cela réduit considérablement la vitesse de rotation d’un moteur à aimant permanent.

2. Moteur à réluctance variable

Dans un moteur à réluctance variable, le rotor à aimant permanent a été inversé au profit d’un fer spécialement conçu pour s’aligner sur le champ magnétique créé par les électro-aimants dans le stator. Sans couple de détente, un moteur à réluctance variable est capable de tourner à des vitesses beaucoup plus élevées. Cependant, le couple qu’il fournit est également beaucoup plus faible. Ainsi, le choix entre un aimant permanent et des moteurs à réluctance variable est une question de vitesse par rapport à la puissance.

3. Moteur synchrone hybride

Un moteur synchrone hybride combine les caractéristiques des deux types de rotors précédents – un rotor à aimant permanent avec une forme qui peut s’aligner avec la direction du champ magnétique créé par les électro-aimants. Cela signifie qu’il a également tous les avantages des deux autres types de rotors, y compris une combinaison de vitesse élevée et de couple élevé. L’inconvénient d’un moteur hybride est que le rotor nécessite une construction très complexe, ce qui le rend nettement plus cher.

Moteurs unipolaires vs bipolaires

1. Moteur unipolaire

Dans un moteur unipolaire, l’enroulement de la bobine à chaque phase de la vient avec un robinet central. Ce fil commun permet une alimentation en courant à chaque extrémité de la bobine, créant ainsi la possibilité d’inverser la direction du champ magnétique créé par chaque électro-aimant. La construction résulte en un circuit beaucoup plus simple tout en fournissant également un contrôle précis de la rotation angulaire du rotor. L’inconvénient de cette approche est que seule la moitié des bobines de chaque électro-aimant est alimentée à un moment donné, ce qui réduit également l’intensité du champ magnétique. Il en résulte une conversion moins efficace de l’énergie électrique en puissance mécanique.

2. Moteur bipolaire

Dans un moteur bipolaire, l’enroulement de chaque électroaimant est livré avec seulement deux bornes. Puisqu’un moteur pas à pas doit encore conserver la capacité d’inverser sa rotation, il doit encore y avoir un mécanisme pour changer la direction du courant à travers chacun des électro-aimants. Ceci est réalisé en construisant un pont en H – un circuit assez complexe qui permet de commuter la direction du courant. Bien que le circuit de commande d’un moteur bipolaire soit très complexe, il crée un moteur qui exploite la quantité maximale de couple pouvant être produite au niveau de chaque bobine électromagnétique.

Avantages et inconvénients des moteurs pas à pas

Les moteurs pas à pas sont particulièrement adaptés aux applications qui nécessitent une commande précise du moteur. Ils sont également polyvalents – des moteurs pas à pas peuvent être trouvés dans la minuscule extrudeuse d’une imprimante 3D jusqu’aux usines CNC à l’échelle industrielle. Cependant, toutes les situations ne nécessitent pas de moteurs pas à pas. Voici quelques avantages et inconvénients des moteurs pas à pas qui peuvent être utilisés pour qualifier leur utilisation appropriée.

AVANTAGES

Positionnement précis

Grâce à l’utilisation d’impulsions électriques, les moteurs pas à pas peuvent maintenir un positionnement angulaire très précis. Cela les rend parfaits pour les applications qui utilisent des moteurs pour le positionnement, comme pour les machines CNC. Une fois que le nombre approprié d’impulsions électriques a été transmis à l’élément statorique du moteur, il présente généralement une très bonne réponse à l’arrêt. La précision des moteurs pas à pas est généralement de l’ordre de 3% à 5%.

Faible maintenance et haute fiabilité

Le principal avantage d’un moteur sans balais réside dans le fait que le rotor et le stator tournent l’un par rapport à l’autre à des vitesses rapides sans avoir à entrer en contact. Cela évite le problème de l’usure accélérée des moteurs à balais plus anciens (mais moins chers). La plupart des industries ont commencé à s’orienter vers les moteurs sans balais car elles réduisent considérablement le besoin de maintenance et les temps d’arrêt coûteux.

Vitesses de rotation variables

Les moteurs pas à pas sont incroyablement polyvalents. En faisant simplement varier la fréquence des impulsions électriques envoyées aux électro-aimants, la vitesse de rotation d’un moteur pas à pas peut varier à un niveau presque granulaire. Certains moteurs pas à pas sont également conçus pour pouvoir tourner dans les deux sens. Un bon exemple de ceci est les engrenages d’extrudeuse d’une imprimante FDM qui peuvent à la fois extruder et rétracter le filament.

LES INCONVÉNIENTS

Couple faible et bruit élevé

Pour créer un mouvement, un moteur pas à pas doit passer par plusieurs formes de transformation d’énergie. Le courant électrique crée un champ magnétique, qui entraîne ensuite la rotation de l’arbre pour créer de l’énergie mécanique. Comme la conversion d’énergie n’est jamais parfaite, une partie de la puissance est perdue à chaque étape sous forme de chaleur perdue ou de friction. Cela signifie que les moteurs pas à pas ont un rapport plus faible entre le couple de sortie et la puissance absorbée par rapport aux autres moteurs.

Même si un moteur pas à pas peut sembler tourner en douceur, il passe en fait par un cycle d’arrêt et de démarrage continu à une échelle qui ne nous est pas apparente. Mis à part l’inefficacité inhérente d’un tel schéma, il crée également beaucoup de bruit. C’est l’une des raisons pour lesquelles les drones sont notoirement très bruyants.

Prend du courant même à l’arrêt

La génération d’un champ magnétique par un électro-aimant nécessite un flux continu de courant dans l’enroulement. La conséquence de cela est qu’un moteur pas à pas continuera à tirer du courant, même quand tout ce qu’il a à faire est de maintenir le rotor dans une position stationnaire. Sinon, le rotor sera laissé à tourner librement. De toute évidence, cela a des ramifications sur l’efficacité globale d’un moteur pas à pas pour des opérations qui ont beaucoup de temps d’arrêt.

Dernières pensées

Les moteurs pas à pas sont devenus très utiles dans de nombreux produits commerciaux et applications industrielles d’aujourd’hui. Outre leur valeur en termes de contrôle et de polyvalence, ce qui est encore plus impressionnant dans les moteurs pas à pas, c’est la densité de la technologie qui a été intégrée dans leur construction incroyablement compacte. Bien que les moteurs pas à pas ne soient pas parfaits, ils sont devenus un équipement standard dans un certain nombre de paramètres différents.

Avertissement; Les imprimantes 3D ne doivent jamais être laissées sans surveillance. Ils peuvent présenter un risque de sécurité incendie.