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Moteurs pas à pas, hybrides et brushless

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1/5 : Comparatif, exemple d'usage, avantages

Comparatif des technologies de moteurs

Type : Asynchrone Continu à balais Brushless Mpp
ηRendement 60 > 90% 40 > 60% 70 > 90%
Avantages η, robustesse, simplicité Simplicité de variation, couple de démarrage le plus élevé, réversibilitéRécupération d'énergie aisée η identique donc moyen en mode générateur. η, fiabilité, réversibilitéRécupération d'énergie aisée et η identique donc élevé en mode générateur., polyvalence mais surtout contrôle sans erreurC'est une horloge électronique qui définit la rotation, ce moteur est son propre codeur incrémental, sa vitesse et sa position sont connues ! de la vitesse et de la position !
Seul réel moteur capable de couple à l'arrêtAppelé aussi couple de maintient :
Tous les autres moteurs lorsqu'ils sont alimentés se mettent obligatoirement à tourner !
Pas les moteurs pas à pas, hybrides et brushless !
Ils peuvent tourner ou être maintenus fermement à l'arrêt.
Nota : avec des variateurs modernes, les moteurs asynchrones peuvent y parvenir mais en rattrapant en permanence tout glissement, il s'agît donc plus d'une 'vibration' autour d'un point fixe que d'un réel maintient !
!
Inconvénients Variation de vitesse complexeObligatoirement avec de l'électronique, couple de démarrage η, maintenance, poussières de charbons, ATEXUsage impossible en zone explosive à cause des étincelles ! Electronique obligatoire, terres raresAimants permanents, ressources limitées
Tendance




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Pompes immergées brushless TBTS 12 Vcc


Les pompes immergées de ce bassin sont des modèles brushlessBrush = balais ; less = sans :
Brushless = Sans Balais, sans charbons ni collecteur, on va voir tout cela !
en 12 Vcc.




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Applications incontournables :

  • Entraînement et positionnement des têtes des lecteurs informatiquesVitesse très précise pour la rotation, positionnement ultra précis pour la lecture et l'écriture de données sans erreur sur disques durs, lecteurs DVD...
  • 100% des robots industrielsSoudures, positionnement, manutention dans les process de fabrication automobile, agro-alimentaire...
    Robot industriel
  • Cartes d'axes et avances numériquesTours et fraiseuses à commande numérique pour réaliser des pièces avec une précision maximale
  • Tous positionnements
  • imprimantes 3D
  • Mais aussi régulation de vitesse et chauffageEt oui, avec les potentiomètres numériques pour 'lire' la position de la pédale, le papillon d'air d'un moteur à essence est piloté par un moteur pas à pas, seul capable de couple de maintient : couple sans rotation ! Idem pour les volets de régulation d'un air conditionné... en voiture !
  • ...

Le couple à l'arrêt

Mpp pas à pas couple à l'arrêtCe moteur utilise un rotor en aimant naturel.
Le fait de maintenir un courant continu au niveau du stator, crée une attraction maximale et permanente entre les pôles opposés :
Ce qui engendre un couple de maintient très élevé sans la moindre vibration !
L'image ci-contre le représente !




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Pas à pas hybride, brushless ou Synchrone ?

Tous sont brushless et synchrones !
Le synchrone est historiquement mono ou triphasé mais toujours alimenté en sinusoïdal.
Le pas à pas ou moteur hybride utilisent des signaux similaires, le premier possède un aimant permanent le second pas toujours...

Mais rassurez-vous : le principe de fonctionnement est le même !

Je simplifierai en écrivant que la différence est aussi ténue qu'entre contacteur et relais ! La dénomination est plus liée à la puissance et ici à la vitesse de rotation qu'aux conceptions respectives...

En forte puissance, ces moteurs n'utilisent plus des signaux carrés mais de la MLIModulation de Largeur d’Impulsion (PWM en anglais)
MLI PWM en image
Image issue du Conseil+ en fin de page, lien ci-après
, pseudo-sinusoïdale, devenant ainsi une sorte de moteur synchrone quadriphasé car utilise souvent non pas 3 mais 4 phases...

Enfin nous verrons que, si certains comptent 8 voire 12 bobinesMoteur de lecteur disquette, 12 bobines, l'aimant tournant ici autour du stator positionné au centre.
(source Wikipedia)
Mpp 12 bobines
, elles sont en série 2 par 2 ou 3 par 3, comme pour les moteurs asynchrones à pôles multiples. L'électronique ne 'voit' que 4 phases.

L'alimentation 4 phases gère 4, 8, 12... bobinesAvec 4 phases et 8 bobines à gauche : elles sont alimentées en série à 180°
4 phases avec 12 bobines à droite : en série par 3 à 120°
8 ou 12 bobines mpp
!


L'augmentation du nombre de bobines diminue la vitesse au profit du couple




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Introduction en questions !...


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2/5 : Du synchrone triphasé au moteur pas à pas

Le moteur Synchrone triphasé, son 'grand oncle' à 3 phases


Ici le champ tournant est obtenu directement par l'alimentation triphaséeCourant triphasé.
Le rotor, un aimant permanentMoteur synchrone triphase, suit ce champ tournant, à 50 Hz : 50 t/s ou 3000 t/mn.




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Moteur brushless 4 phases de ventilateur

Ce moteur est celui qui équipe la majorité des ventilateurs du monde informatique...
Disponibles de 5 à 48 Vcc, il peuvent tourner de quelques centaines à plusieurs dizaines de milliers de tours par minute ! Alors brushless, pas à pas ? Les 2 mon général !

Moteur brushless de ventilateur

Ils s'alimentent directement en tension continue, 12 V pour la majorité, et incorporent une électronique qui assure la rotation via un générateur d'impulsions dont la fréquence d'horloge est définie par un convertisseur f en fonction de UAfin de simuler un 'vrai' moteur continu, l’électronique modifie la fréquence en fonction de la tension (f en fonction de U).
Ex : 500 t/mn pour 3 V, 1000 t/mn avec 6 V et 2000 t/mn sous 12 V.
C'est ainsi que les ventilations de processeur informatiques sont 'thermocontrolés'.
. On les nomme aussi moteur synchrone, pas à pas, auto-piloté.
La plus grande différence avec 'tonton' triphasé : la plage de vitesse est très largeGrâce aux variateurs, il en va presque de même avec les moteurs à courant alternatif... !




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Alors ? Comment ça marche ?

Moteur synchrone : 4 bobinesBobines d'un brushless de ventilateur PC, 4 phases


Moteur pas a pas 4 phases pas à pasMoteur pas a pas 4 phases vitesse normale
Les animations ci-dessus représentent le principe du moteur pas à pas.
En haut à gauche on peut voir les pas successifs...
Même si à vitesse normale, animation en bas à droite, les 'à coups' ne sont plus perceptibles. Alimenté en MLI et non en carré pour les hautes puissances, les à-coups disparaissent totalement !

Un tour = 360° ; 4 pas par tour = 360° / 4 = 90° !



Cycle de fonctionnement :
Posons en point de départ : le rotor est vertical, le nord en haut
  1. Pas 1 : rotation à 90° sens horaire, rotor horizontal, Nord à droite
  2. Pas 2 : ajoute 90° (180° au total), rotor vertical, Nord en bas
  3. Pas 3 : ajoute 90° (total = 270°), rotor horizontal, Nord à gauche
  4. Pas 4 : + 90° = 1 tour complet, vertical, Nord en haut 
Ce moteur ne tourne que lorsque le champ tournant statorique évolue, quand le cadencement des pas avance grâce à un circuit électronique.
(d'un simple registre à décalage 4017... à un micro-contrôleur).


Notez bien la définition du pas :


Le pas est l'angle formé entre 2 états stables :
Un exemple de différents pas :
pas de 90° versus pas de 18°




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Signal électronique bipolaire : Couple normal

mpp avec signaux électriques animation
Ci-dessus, la commande bipolaireOn pilote chaque bobine par couple avec une tension continue + / puis / +
Mpp série bipolaire
la plus simple : 90° par pas (1/4 de tour).
Pour plus de clarté, les bobines du stator sont représentées à la droite du moteur.
Mais vous pouvez les voir incorporées comme en réalitéBobines dans le moteur !


Le cycle de fonctionnement :
  1. Bobines verticales, sens : le + en haut, le en bas
    Bobines horizontales : aucune alimentation
  2. Bobines horizontales, sens : le + à droite, le à gauche
    Bobines verticales : aucune alimentation
  3. Bobines verticales, sens : le + en bas, le en haut
    Bobines horizontales : aucune alimentation
  4. Bobines horizontales, sens : le + à gauche, le à droite
    Bobines verticales : aucune alimentation

Signal bipolaire : Couple maximum

mpp 2 phases parallèle animation
Cette fois les 2 paires de bobines sont alimentées simultanément : en parallèle.
Il en résulte toujours seulement 4 pas, mais de couple supérieur (intensité magnétique plus élevée).

Le cycle de fonctionnement :
  1. Bobines verticales et horizontales, sens : le + en haut et à droite, le en bas et à gauche
  2. Bobines verticales et horizontales, sens : le + à droite et en bas, le  à gauche et en haut
  3. Bobines verticales et horizontales, sens : le + en bas et à gauche, le en haut et à droite
  4. Bobines verticales et horizontales, sens : le + à gauche et en haut, le à droite et en bas




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Commande en demi pas: 8 pas par tour (45°)

mpp fonctionnement demi pas
Ici on combine les 2 montages précédents, ajoutant ainsi 4 étapes intermédiaires afin d'obtenir
8 pas par tour. Les signaux à droite vous précisent ce pilotage : bobines verticales, horizontales.
Le cycle de fonctionnement :
  1. Bobines verticales, sens : le + en haut, le en bas
    Bobines horizontales : aucune alimentation
  2. Bobines verticales et horizontales, sens : le + en haut et à droite, le en bas et à gauche
  3. Bobines horizontales, sens : le + à droite, le à gauche
    Bobines verticales : aucune alimentation
  4. Bobines verticales et horizontales, sens : le + à droite et en bas, le  à gauche et en haut
  5. Bobines verticales, sens : le + en bas, le en haut
    Bobines horizontales : aucune alimentation
  6. Bobines verticales et horizontales, sens : le + en bas et à gauche, le en haut et à droite
  7. Bobines horizontales, sens : le + à gauche, le à droite
    Bobines verticales : aucune alimentation
  8. Bobines verticales et horizontales, sens : le + à gauche et en haut, le à droite et en bas
Enfin il existe un pilotage par micro-pas en modulant l'intensité dans chaque bobine A l'instar de la commande simultanée, ce type de pilotage alimente les bobines 2 par 2 mais en modulant l'intensité de manière à positionner le rotor entre les pas.
Ex : en vertical I, en horizontal I/2 : Positionnement à 1/3 du pas simple :
mpp commande angulaire
.

Electronique simplifiée : commande unipolaire 4 pas

Mpp unipolaire
Ce montage unipolaireIci on a toujours 2 pôles : Nord et Sud mais seul le + est piloté, un point commun de neutres (on le verra) est relié au offre l'avantage de ne requérir que 4 transistors (voir partie abonnés).
Le nombre de pas est aussi de 4 pour 90° chacun.

Le cycle de fonctionnement :
  1. Bobine du haut au +
  2. Bobine de droite au +
  3. Bobine du bas au +
  4. Bobines horizontales sens : le +
Le est commun au centre de chaque bobine (centres reliés)




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Puissance : transistors de pilotage...


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3/5 : Câblage des moteurs pas à pas, la réluctance

Vidéo sur le câblage d'un mppMoteur pas à pas





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Câblages constructeurs

1
2
3
4
Câblage Mpp 4 bobines indépendantes
Les 4 (8 ou 12 si en série pour diminuer la vitesse) bobines ne sont ici pas couplées. Les 8 fils sont disponibles au niveau du moteur.
C'est le cas le plus rare, les fabriquants privilégiant souvent des couplages pré-établis comme nous allons le voir....
Mpp avec 2 neutres câblage
Plus souvent, aussi par commodité pour retrouver le sens des enroulements, le constructeur prévoit de relier les bobines en série de manière à créer 2 neutresOn appelle neutre chaque point central des 2 paires de bobines en série. N1 et N2.
Cette configuration 6 fils permet les commandes unipolaires et bipolaires.
Mpp câblage 1 neutre
Montage aussi couramment utilisé, il convient aussi bien en bipolaire qu'en unipolaire. Il s'agit, avec le précédent à 2 neutres, du plus fréquemment retenu comme on le verra en vidéo.
Mpp câblage bipolaire
Enfin en '4 fils' le moteur pas à pas ne peut fonctionner qu'en bipolaire puisque les neutres ne sont pas accessibles...




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La réluctance, une histoire d'angles !

rotation d'un moteur à réluctance
Les bobines statoriques sont ôtées pour plus de clarté, la polarité magnétique (Nord ou Sud) n'est pas représentée. Ni en vert ni en rouge (juste du bleu pour indiquer les bobines actives), car le rotor est en métal donc aucunement affecté par la polarité magnétique, Nord ou Sud, du stator.
Vous remarquez que le champ tournant statorique et le rotor tournent en sens inverse !
Toute la subtilité est là : en effet, c'est le métal le plus proche qui est attiré comme le démontre cette imageIci avec un modèle à 3 phases :
Dents proches, moteur à réluctance
!
Ainsi, sens électrique et mécanique sont inverses et le déplacement est égal à la différence des angles : 60 - 45° = 15°Angles mécaniques et électrique sur mpp réluctance !
On obtient donc le produit des crans mécaniquesLes dents que forment le rotor par les pas électriquesAttention ici point de polarité : on compte 4 pas seulement : 6 × 4 = 24 pas réels !
Les pas du moteur à réluctance 24 pas !
Cliquez pour relancer

Ci-dessus le fonctionnement réel du moteur à réluctance. Notons qu'il existe des modèles avec 12 pas4 dents au rotor × 3 pas électriques
(fonctionnement triphasé possible mais à vitesse fixe)
Moteur à réluctance 12 pas
et à l'inverse des modèles avec un nombre de pas supérieur...




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Introduction au...


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4/5 : De la réluctance au moteur hybride

Essais en rotation du moteur pas à pas hybride





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Le moteur pas à pas hybride 400 pas

Moteur hybride mpp animation
Equipé de 2 couronnes au minimumUne couronne Nord (en rouge sur l'animation, orange sur la photo) et une couronne Sud (en vert dans les 2 cas)
Roues magnétiques mpp hybride
Couronnes de moteur pas à pas hybride
comportant chacune 1 dent de moins que le stator (ici 49 dents Sud et 49 dents Nord contre l'équivalent (car interrompues) de 50 dents au stator), ce moteur utilise le principe de la réluctance pour multiplier les pas50 pas mécaniques × (4 × 2) pas électriques = 400 pas par tour !
les 8 bobines sont en série 2 par 2 à 180° mais alimentées en bipolaire donc 2 polarité × 4 enroulements réels = 8 pas électriques !




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Zoom sur les pas successifs

1
2
3
4
mpp hybride pas 1 sur 8
Position de départ, le flux maximal est vertical, rotor Nord vers stator Sud et il en va de même coté opposé rotor Sud vers Nord du statormpp hybride coté opposé au pas 1 sur 8 ! !
mpp hybride pas 2 sur 8
L'alimentation s'est décalée de 45° sens anti-horaire, le rotor à tourné de 1 / [50 × (1 / 8)]L'angle électrique est de 45° donc de 1/8° de tour.
Le stator comporte 50 dents...
de tour, soit de seulement 0.8° (1/400 = 0.8°), en sens horaire (inverse du stator).
mpp hybride pas 5 sur 8
On va ignorer les 2 pas électriques suivants pour directement venir au pas électrique opposéC'est grâce à la combinaison de 4 bobines et 2 polarités électriques, et donc magnétiques, que l'on obtient les 8 pas électriques ! :
Cette fois le Sud est vertical
mpp hybride pas 6 sur 8
Pas suivant... Le cycle peut continuer !




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Décortiquons le fonctionnement !

1
2
3
4
Mpp hybride inséré
Photo du haut, juste après l'ouverture du moteur.
En dessous un zoom sur les bobines et dents du stator.
Zoom stator à dents mpp hybride
Zoom sur roues décalées mpp bybride
Gros plan sur les dents des 2 roues magnétiques du rotor et le fameux décalage d'1/2 dent !
Décalage axes mpp hybride
Les bobines verticales sont alimentées et créent un Sud pour attirer la roue Nord en haut, Nord qui attire roue Sud en bas. C'est le pas 1. Au pas 2, ce sont les bobines juste à 45° anti-horaire qui vont faire tourner en horoaire d'1/8° de dent !
mpp hybride 4 premiers pas
Cliquez pour relancer l'animation
Après 1/2 tour électrique, la polarité change, il faudra bien au total 400 changements d'état électrique pour parcourir 1 tour complet !
mpp hybride 4 derniers pas
Cliquez pour relancer l'animation




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Un moteur pas à pas peut......


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5/5 : Caractéristiques : démarrage, arrêt, couple et comparatif

Moteur brushless

Moteur brushless 2 kW industriel
Voici la photo d'un moteur brushless, 4 phases et 4 pas naturelsCe sont les pas réels, sachant qu'avec l'électronique adaptée il peut fonctionner en demi-pas ou en micro-pas comme vu plus haut.
Mpp ventilateur brushless
.
Il incorpore un codeur, car si tout moteur synchrone est son propre codeurIl s'agît d'un codeur incrémental :
Si on connait le point de départ, en fonction du nombre d'impulsions envoyées, on connait la position finale !
, encore faut-il l'initialiserA la mise sous tension par exemple ! : connaître son point de départ !




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Démarrage et arrêt

Afin d'éviter tout risque de décrochageImpossibilité de rester ou d'accrocher la vitesse de synchronisme : Lorsque le champ tournant est plus 'nerveux' que l'inertie du rotor couplé à sa charge, cela crée un glissement mécanique...
Le moteur brushless n'est pas conçu pour fonctionner en asynchrone !
, l'électronique de pilotage gère des rampes d'accélérationUn démarrage direct limite le couple car passer de 0 à une fréquence X provoque un glissement maximum induisant un champ magnétique variable important qui induit à son tour une tension E (voir LENZ en conseils à la fin du cours) élevée dans les bobines. Tension qui s'oppose et donc limite I = (U - E) / (r × I).
Limiter l'intensité I limite le couple moteur !
et de décélérationIci c'est l'inertie mécanique due aux masses en mouvement qui risque d'engendrer un glissement en cas de ralentissement trop brutal !.
Les imprimantes un peu anciennes laissent quelquefois percevoir ces phases, trop brêves aujourd'hui...
mpp phases accélération, vitesse, ralentissement




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Courbes de couple

Courbes de couple des moteurs mpp, hybrides, synchrones et brushless
En violet, la courbe de couple nominale avec un démarrage et arrêt respectant des rampes progressives. En bleu les démarrage ou arrêt sans progressivité. Le couple transmis ou retenu est plus faible à cause de la tension induite, dans les bobines, tension due au glissementLà aussi, vous pouvez aller voir la
'Loi de Lenz' ci-dessous pour de plus amples informations
...




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Tableau comparatif...


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Hacheur de tension

Agissez sur le curseur pour ajuster la consigne (en pointillés larges noirs). Vous verrez la largeur du signal en bleu passer de 0 à 100%. Ce signal est simplement obtenu en comparant un triangle ou ici rampe en pointillés verts à la consigne (exemple 0 à 10 Volts).

50%

La MLI/PWM

Reconstitution d'une pseudo-sinusoïde

Le curseur règle la consigne U (tension)
50%

Jouez avec le curseur sous la sinusoïde

EE = à vide, au 'coeur' du générateur
U = tension réelle aux bornes de la source de tension
, la tension induite...

  • Une bobine devient source d'une tension E uniquement lors de variations de champ
  • E est proportionnel à l'intensité du champ magnétique
  • E est aussi inversement proportionnel au tempsPlus le temps requis pour faire varier ce champ est court, plus l'effet est élevé
    (Vu avec : introduction de l'aimant...)
    E est proportionnel à la vitesse
    La vitesse est un déplacement par unité de temps, il est plus simple de raisonner directement sur le temps !
  • E s'oppose, E est donc négatif –
Mettons tout celà en équation :

Tension E = – ( Variation de flux / temps requis pour cette variation )


E = - ( ΔΦ / Δt )

Volt = - ( Weber / seconde )



Il existe bien des déclinaisons de cette formule générale, dans nos autres cours nous y reviendrons...

Outrunner, inrunner, disque

Les moteurs dont le rotor tourne autour du stator (ventilateurs..) sont dits 'outrunner' :



Ceux dont le rotor tourne au centre du stator sont appelés 'inrunner' :



Enfin il existe des moteurs 'disque', très en vogue car plus simple à concevoir !
EN effet, 2 disques tournent concentriquement...
Conseils+, compléments, prérequis :
Hacheur rapport cyclique variable
MLI PWM sinusoïdale
Lenz Faraday
Rotor Stator

Crée le 12 / 12 / 2016, der. màj le 04 / 11 / 2017 par : Guillaume (Guillaume DUPAS)
Contributeur Guillaume DUPAS Gu5835e07c1389f
Cours vu 165 fois ★★★★★
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