Moteurs pas-à-pas

Les moteurs pas-à-pas sont des moteurs qui permettent d’exécuter des mouvements avec une grande précision. On les retrouve principalement dans les imprimantes, les CNC (computer numerical control) et d'autres appareils qui nécessitent une bonne précision. Le principal inconvénient de ces moteurs provient de leur vitesse, en effet, plus on augmente leur précision et plus leur vitesse diminue.

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Les moteurs pas-à-pas sont répertoriés en deux grandes familles : les moteurs bipolaires et les moteurs unipolaires. Il faudra choisir l’une de ces deux familles lors du démarrage d’un projet afin d’opter pour les bonnes caractéristiques de courant, de couple ou autre. Chaque famille a ses avantages et ses inconvénients. Par contre, les deux types de moteurs offrent une bonne précision.

Contrairement aux moteurs DC standard, les moteurs pas-à-pas disposent de plusieurs enroulements à l'intérieur. C'est ce qui explique que l’on ne peut faire tourner le moteur que d'un seul pas à la fois. Dans le cas des moteurs bipolaires qui disposent de deux enroulements, ces derniers seront contrôlés par deux ponts en H. Les moteurs unipolaires quant à eux disposent de quatre enroulements qui devront être contrôlés séparément par quatre transistors.

Les principales caractéristiques des moteurs pas-à-pas sont essentiellement la tension d'alimentation, le courant d'une phase et le nombre de pas par tour. Évidement, si vous gérez également la partie mécanique du projet, vous allez devoir choisir le format du moteur (NEMA 17, NEMA 23...) et prendre en compte d'autres caractéristiques techniques tel que le couple moteur.

La tension est un élément important puisqu'elle va déterminer quel contrôleur de moteur vous allez devoir choisir. Certains contrôleurs ne peuvent alimenter que des moteurs 12 V alors que d'autres peuvent alimenter tous les moteurs fonctionnant dans la gamme de 8 à 35 V. La vitesse est également fonction de la tension appliquée au moteur pas-à-pas. Plus la tension de fonctionnement du moteur est élevée et plus le moteur peut tourner rapidement. Le courant est un autre élément important puisqu’il déterminera le type de contrôleur à retenir. Le courant est habituellement donné pour chacune des phases étant donné qu'elles doivent être contrôlées séparément. Ainsi, plus le courant est élevé, ce qui est vérifié lorsque la résistance de l'inducteur est plus petite, et plus le moteur disposera d’un couple important. Finalement, le nombre de pas par tour va déterminer la précision de votre moteur et sera une indication de la vitesse relative du moteur. Pour illustrer cela comprenez qu’un moteur réalisant 200 pas par tour ira deux fois plus vite qu'un moteur qui accomplit 400 pas par tour.

Pour faire tourner ce type de moteur, il faut utiliser une alimentation séquentielle des différents enroulements. Une alimentation directe des enroulements ne suffirait pas à faire tourner un moteur pas à pas contrairement au moteur DC standard. Que ce soit les moteurs bipolaires ou unipolaires, il est possible de les contrôler en mode « pas complet » (Full Step), en mode « demi pas » (Half Step) ou encore en mode « multi-pas » (Microstepping). En utilisant le mode « pas complet », le moteur aura le même nombre de pas par tour qu’autorise le cahier des charges de sa fabrication. Par exemple, un moteur de 100 pas par tour contrôlé en « pas complet » aura nécessairement 100 pas à faire pour réaliser un tour de 360 degrés. Chaque pas déplacera donc le rotor d’un angle de 3,6°. Lorsqu'on contrôle un moteur en mode « demi-pas » ou « multi-pas », on augmente la précision du même moteur sans changer sa mécanique. Ainsi, le même moteur qui fait 100 pas par tour contrôlé en « demi-pas » aura à faire 200 demi-pas pour faire un tour complet de 360 degrés. Chaque demi-pas correspondra donc à une rotation du rotor de 1,8° d’angle. Certains contrôleurs peuvent même, puisque chaque moteur dispose d'un nombre déterminé de pas fixé par le cahier des charges, découper chaque pas en 32 parties , créant ainsi 32 mini-pas sur lesquels ils peuvent agir. Ceci veut dire que ce même moteur disposant d’une configuration mécanique pour réaliser 100 pas par tour mais activé par un contrôleur qui permet d’accéder au 1/32 du pas réel nous permettra d'atteindre 3200 mini-pas par tour. Le rotor est donc contrôlé avec un mini-pas d’une précision de 6 minutes et 45 secondes de degré d’angle, donc, globalement, un dixième de fois plus petit que le degré d’angle d’où la précision de ces moteurs pas à pas contrôlés par de tels types de contrôleurs.

Pour faire des multi pas (« microstepping »), il faut absolument un contrôleur comme le A4988 ou le DRV8825. Ce sont des contrôleurs en courant continu qui gère le courant, contrairement aux ponts en H, dans chaque enroulement afin de le limiter et de ne pas endommager le moteur. Sans ces contrôleurs, il faudrait beaucoup trop d’éléments (DAC, comparateur, PWM etc.) pour faire tourner un moteur pas. De plus, ils permettent de modifier la précision de chaque pas simplement en mettant des combinaisons sur trois des entrées du module. Dans le cas de ces deux contrôleurs, il faut trois broches pour déterminer la précision, mais pour d’autres, il en faudra seulement deux. Pour le modèle A4988, le contrôleur peut avoir une précision d’un pas complet jusqu’à 16 micros pas, tandis que le modèle DRV8825 peut faire jusqu’à 32 micros pas. L’avantage d’avoir des micros pas est que le moteur tourne de manière plus fluide lorsqu’il tourne et il est plus silencieux dû aux changements moins brusques des positions du moteur.

Ces contrôleurs sont très simples d’utilisation puisqu’ils permettent de gérer la direction avec une seule broche. Finalement, pour faire des pas, il suffit d’envoyer des coups d’horloge (haut et bas séquentiellement) sur la broche « STEP ». Ainsi, on peut faire tourner le rotor d’un pas à la fois avec une précision personnalisable.

Ces deux modèles de contrôleurs supportent entre un et deux ampères par enroulement lorsque l’énergie thermique est bien dissipée. Par contre, d’autres types de contrôleurs permettent de supporter des moteurs qui consomment plus par enroulements et de contrôler des moteurs avec un sinus qui permet d’avoir un meilleur rendement.

Il est intéressant de noter que ces contrôleurs fonctionne sous une alimentation standard soit 3V à 5V et que l’alimentation du moteur doit être séparé puisqu’elle est différente. En effet, la plupart du temps, on peut alimenter les moteurs avec une tension pouvant aller de 8V à 35V. Mais que faire des moteurs qui sont spécifié d’un fonctionnement à 2.7V ? On peut quand même utiliser ces contrôleurs puisque ceux-ci sont contrôler par le courant et non la tension. On pourra alimenter le moteur de 2.7V avec une tension de 12V, mais en régulant le courant avec un potentiomètre placé à cet effet. Ainsi, on limite le courant selon la documentation technique du moteur au lieu de limiter la tension.

Premier projet de pont en H avec un PIC16F688 et des transistors :