Choisir et piloter un pas à pas

Pourquoi le couple chute avec la vitesse

Un moteur pas à pas offre son couple maximal à l'arrêt, le couple de maintien (chapitre 1), puis son couple baisse à mesure que la vitesse monte. Deux raisons :

• L'inductance des bobines : à chaque pas, le courant doit s'établir dans la bobine, et il ne le fait qu'avec un temps de montée (cours sur les passifs R, L, C : τ = L / R). Plus les pas s'enchaînent vite, moins il a le temps d'atteindre sa valeur ;
• la tension induite par la rotation, qui grandit avec la vitesse et s'oppose à l'alimentation (cours sur l'électromagnétisme).

Exemple : une bobine de 3 mH et 1,5 Ω, prévue pour 1,5 A, soit une tension nominale de 2,25 V.

• τ = 3 / 1,5 = 2 ms. À 1 000 pas par seconde, chaque pas dure 1 ms : le courant n'atteint même pas sa valeur ;
• alimentée sous 36 V par un driver à courant régulé, la bobine voit son courant monter bien plus vite : environ 36 / 0,003 = 12 000 A par seconde, 1,5 A en à peine plus d'un dixième de milliseconde. Le driver découpe ensuite la tension pour ne pas dépasser 1,5 A (cours sur le découpage).

À retenir : un moteur pas à pas donné pour 2 ou 3 V s'alimente normalement par un driver sous 24 à 48 V, qui limite lui-même le courant. C'est ce qui lui permet de tourner vite.

Micro-pas et résonance

En modulant le courant dans les deux bobines (chapitre 2 : les micro-pas), le driver place le rotor entre deux pas entiers : 200 pas par tour en 1/16 de pas donnent 3 200 positions.

• le mouvement devient doux et silencieux ;
• il évite la résonance : à certaines vitesses, les à-coups des pas entiers entrent en résonance avec le rotor et la charge, le moteur vibre, fait du bruit et peut perdre des pas.

• Mais la précision réelle ne suit pas la résolution : entre deux pas entiers, le couple qui maintient le rotor sur un micro-pas est faible. Sous charge, le rotor peut rester légèrement en retard. On gagne surtout en douceur, beaucoup moins en précision de position.

Pour une vraie précision, on associe une mécanique adaptée, vis à billes ou réducteur, ou l'on passe à la boucle fermée, écran suivant.

La perte de pas

Le moteur pas à pas est piloté en boucle ouverte : le driver envoie des pas et suppose qu'ils sont tous exécutés. S'il décroche, par surcharge, par une accélération trop forte ou à cause d'une résonance, personne ne le sait : la position est fausse jusqu'à la prochaine prise d'origine.

• C'est pourquoi une imprimante 3D ou une petite machine commence par chercher ses butées de fin de course à la mise sous tension ;
• une couche décalée sur une impression 3D, c'est une perte de pas.

Les remèdes :

• une marge de couple, souvent du simple au double, et des rampes d'accélération (chapitre 5) ;
• les moteurs pas à pas en boucle fermée, équipés d'un codeur : le driver voit l'écart et le corrige ;
• le servomoteur brushless et son codeur (chapitre 5) : il ne perd jamais sa position, et ne consomme que le courant nécessaire à la charge.

Un moteur pas à pas chauffe même à l'arrêt, puisque le courant de maintien circule en permanence : 60 à 80 °C sur le boîtier sont courants. La plupart des drivers réduisent ce courant quand le moteur ne bouge plus.

Brushless : capteurs ou pas, carré ou sinus

Un moteur brushless a besoin de connaître la position de son rotor pour commuter ses bobines au bon moment (chapitre 2 : le ventilateur à effet Hall). Deux grandes familles :

	Commande « carrée »	Commande sinusoïdale
Courant	par blocs, 6 étapes par tour électrique	sinusoïdal, par MLI
Position	3 capteurs à effet Hall, ou sans capteur	codeur ou résolveur
Couple	légères ondulations	très régulier
Usages	ventilateurs, drones, trottinettes, outillage	servomoteurs, robots, véhicules électriques

Sans capteur, le contrôleur devine la position à partir de la tension induite dans la bobine non alimentée. Mais cette tension n'existe qu'en rotation : au démarrage, il lance le moteur « à l'aveugle ». Parfait pour une hélice, qui démarre sans charge ; délicat pour une machine qui doit démarrer chargée.

• Les moteurs de drones s'annoncent en kV, en tr/min par volt : c'est la même constante que celle du moteur à courant continu (voir l'Aller plus loin du moteur à courant continu). Un moteur de 1 000 kV sous 12 V tourne à vide vers 12 000 tr/min.
• Le contrôleur, souvent appelé ESC, est le variateur de ces petits moteurs : hacheur triphasé, commande et protections en un seul module.

Choisir un moteur pas à pas

Ce qu'indique la fiche :

• la taille de bride, souvent désignée NEMA 17, NEMA 23... : un format normalisé de fixation, environ 42 et 57 mm de côté ;
• le couple de maintien, en N·m : le couple maximal à l'arrêt, courant nominal établi ;
• le courant par phase, sur lequel on règle le driver ;
• la résistance et l'inductance par phase : à couple égal, une inductance plus faible permet de tourner plus vite, avec un driver plus puissant ;
• le nombre de pas par tour : 200, soit 1,8°, le plus souvent (chapitre 4).

La démarche :

1. calculer le couple et la vitesse dont la charge a besoin, puis prendre une marge d'environ deux ;
2. vérifier sur la courbe couple-vitesse du fabricant, tracée pour une tension de driver donnée, que le couple reste suffisant à la vitesse maximale ;
3. choisir le driver : courant par phase, tension la plus élevée admise, micro-pas ;
4. câbler en bipolaire si le moteur le permet, pour davantage de couple (chapitre 3 : les câblages 4, 6 et 8 fils).