ELEC 2753 : Électrotechnique
Semaine 11 : moteurs pas-à-pas
Guidance

On peut distinguer deux philosophies différentes dans le choix du type de circuit utilisé pour fournir les courants des moteurs pas à pas.

a) Lorsque le choix de ces machines a été dicté par un souci d'économie, il est normal de se tourner aussi vers une forme simplifiée de circuit, même si elle ne permet pas d'obtenir de la machine ses performances optimales.

b) Lorsque au contraire le choix d'une machine à réluctance variable provient d'autres considérations, on peut chercher à obtenir de cette machine des performances optimales au prix d'un circuit sophistiqué.

Le circuit chargé d'alimenter successivement les différentes phases est normalement du type électronique de puissance, c'est-à-dire formé de semiconducteurs utilisés en tout ou rien, comme des interrupteurs, ce qui réduit les pertes dans ces semiconducteurs.

Les circuits les plus simples sont les circuits unipolaires, c'est-à-dire ceux qui ne peuvent faire circuler du courant dans une phase que dans un seul sens. Nous avons vu précédemment que ce type de circuit pouvait être utilisé avec les moteurs à réluctance pure et les moteurs hybrides. On l'utilise parfois aussi avec les moteurs électrodynamiques, mais au prix d'une baisse importante des performances.

Le circuit unipolaire le plus simple que l'on puisse imaginer pour alimenter une phase est celui représenté à la figure S11.22. Il est constitué d'une source de tension (représentant une alimentation DC) et d'un transistor commandé en tout ou rien. Afin d'éviter les surtensions de coupure, une diode permet au courant de s'éteindre progressivement lors du blocage du transistor (qui doit être brutal pour éviter la dissipation de chaleur dans ce dernier). La figure S11.22 indique également le chemin suivant par le courant selon que le transistor est conducteur ou bloqué.

Figure S11.22 - Circuit unipolaire simple d'un moteur pas à pas

Afin d'obtenir une décroissance plus rapide du courant lors du blocage du transistor, et accélérer ainsi le passage d'un pas à un autre, on ajoute souvent au circuit de la figure S11.22 des éléments qui font apparaître une tension négative sur la phase lors de l'extinction du courant.

La figure 7.9 du livre indique la disposition d'une résistance d'extinction associée à chaque phase. On peut aussi n'utiliser qu'une seule résistance d'extinction pour toutes les phases comme indiqué à la figure S11.23.

Figure S11.23 - Circuit avec résistance d'extinction unique

Comme la tension antagoniste qui apparaît sur la résistance d'extinction diminue au fur et à mesure que le courant s'affaiblit, la phase finale de l'extinction par résistance est assez longue. On peut améliorer le circuit en remplaçant la résistance par un élément à tension constante, le plus simple étant une diode Zener (figure S11.24), qui permet l'extinction en un temps fini.

S'il est facile d'améliorer le temps d'extinction du courant, améliorer le temps de montée nécessite une tension d'alimentation plus élevée. Si la tension d'alimentation est supérieure à la tension que le moteur peut supporter à l'arrêt, on est amené à ajouter une résistance en série avec la phase (figure S11.25). Cette façon de faire est très pénalisante du point de vue du rendement et ne sera donc utilisée que pour de très petits moteurs.

Figure S11.25 : montage simple pour accélérer la montée du courant

Les circuits d'extinction des figures S11.22 à S11.25 présentent l'inconvénient de dissiper sous forme de chaleur, pendant l'extinction, l'énergie magnétique accumulée dans la phase. Cette chaleur est dissipée dans la phase elle-même, à cause de sa résistance ohmique, ainsi que dans les éléments d'extinction éventuels. Le montage de la figure 26 permet de renvoyer cette énergie à l'alimentation, ce qui améliore le rendement énergétique de l'ensemble et réduit son échauffement.

Le montage de la figure S11.26 n'est possible qu'avec les moteurs dont chaque enroulement est accompagné d'un enroulement auxiliaire bien couplé magnétiquement avec le premier. La place disponible pour l'enroulement principal est alors plus petite, de sorte que la résistance de cet enroulement sera plus grande (utilisation de fil de section moindre). Un montage qui ne présente pas cette pénalité est indiqué à la figure 7.8 du livre ; ce montage nécessite pour chaque phase deux transistors commandés simultanément.

Les montages avec récupération peuvent être utilisés en mode MLI (modulation par largeur d'impulsion), ce qui détériorerait beaucoup le rendement dans le cas des circuits sans récupération.

Comme indiqué au paragraphe 7.2.3 du livre, le fonctionnement en MLI permet un meilleur contrôle de l'évolution du courant. En outre, il permet l'amélioration des performances dynamiques en augmentant la valeur de la tension U au-delà de la valeur pouvant être appliquée en continu au moteur, de façon à accélérer les montées et descentes du courant, et ceci sans devoir insérer de résistance série car la modulation MLI permet de limiter le courant à une valeur acceptable (contrairement au montage de la figure S11.25, cette amélioration des performances dynamiques ne donne donc pas lieu à une détérioration importante du rendement). L'évolution du courant dans une phase prend alors l'allure indiquée à la figure S11.27.

Figure S11.27 : évolution du courant d'une phase dans le cas d'un circuit MLI

Comme on l'a vu plus haut, une alimentation bipolaire est nécessaire pour obtenir de bonnes performances des moteurs électrodynamiques. On peut aussi alimenter de façon bipolaire les moteurs à réluctance pure (même s'il n'y a guère d'intérêt à le faire), mais pas les moteurs hybrides (qui verraient leurs performances se dégrader).

La figure S11.28 donne le schéma de deux circuits d'alimentation bipolaire. Le premier (figure 28a) utilise un enroulement à point milieu. Comme dans le cas de l'enroulement du circuit de la figure 26, les deux parties de cet enroulement doivent être bien couplées (bobinage bifilaire). En outre, elles doivent être identiques puisqu'elles deviennent à tour de rôle le circuit principal. Comme on n'utilise jamais avec ce montage que la moitié de l'enroulement, les pertes ohmiques sont plus élevées que dans le cas du montage de la figure S11.28b, qui utilise mieux l'enroulement mais nécessite quatre transistors par phase.

On aura remarqué que, dans le cas des alimentations bipolaires de la figure S11.28, l'extinction du courant s'effectue toujours avec récupération d'énergie. Ces circuits peuvent donc être utilisés en mode MLI, et permettent l'amélioration des performances dynamiques par utilisation d'une tension U plus élevée, ce qui conduit à nouveau à la forme d'onde indiquée à la figure S11.27.

On notera encore le nombre important de transistors du circuit de la figure S11.28b par rapport au nombre de transistors utilisés avec les machines à champ tournant ou DC sans balais, comme on peut le constater aux figures 5.14 et 6.20 du livre. Les simplifications qui conduisent aux circuits décrits dans le livre ne sont pas possibles dans le cas des moteurs pas à pas parce que les courants des différentes phases n'y ont pas une somme nulle.

Dernière mise à jour le 19-04-2008