Entraînements bipolaires et unipolaires pour moteurs pas à pas : une comparaison

Un moteur pas à pas est un type de moteur à courant continu sans balais composé de bobines connectées appelées "phases". Ces dispositifs électromécaniques sont généralement pilotés en boucle ouverte sans capteur de retour, avec un courant appliqué sur les phases sans connaître la position du rotor. Le rotor s'aligne grâce au flux magnétique du stator, généré par le courant circulant dans les phases. A chaque impulsion, le courant peut être fourni à la phase suivante, permettant des mouvements de rotation incrémentaux, ou pas.

Il existe deux méthodes pour fournir du courant dans les bobines : bipolaire et unipolaire. Cet article expliquera les différences entre les moteurs bipolaires et unipolaires, leurs méthodes de conduite, leurs avantages et leurs limites.

La figure 1 montre un moteur pas à pas à aimant permanent à quatre étages. Le rotor est constitué d'un aimant à une paire de pôles et le stator est constitué de deux phases : la phase A et la phase B. Dans la méthode unipolaire, le courant circule toujours dans le même sens. Chaque bobine est dédiée à une direction de courant, donc la bobine A+ ou A- est alimentée ; les bobines A+ ou A- ne sont jamais alimentées ensemble. Dans la méthode bipolaire, le courant peut circuler dans les deux sens dans toutes les bobines. Les phases A+ et A- sont alimentées ensemble. Un moteur bipolaire nécessite une bobine minimum par phase et un moteur unipolaire nécessite deux bobines minimum par phase. Voici un aperçu détaillé des deux options :

Dans la configuration unipolaire, chaque phase du moteur est composée de deux bobinages. Avec un moteur biphasé composé des phases A et B, le moteur a quatre enroulements de bobine, comme illustré à la figure 2.

La phase A est composée de A+, A-

La phase B est composée de B+, B-

Le courant dans chaque bobine ne peut circuler que dans une seule direction, ce qui la rend unipolaire. En commande de tension, le système de contrôle est simple, avec un seul interrupteur, ou transistor, par bobine. Lorsque le transistor est fermé, la bobine est alimentée. Pour commuter le moteur, les transistors sont alternativement fermés et ouverts.

Sur la figure 3, les transistors Q1 et Q2 ne peuvent pas être fermés en même temps. Pour alimenter la phase A, vous devez fermer le transistor Q1 ou Q2, selon la direction dans laquelle vous avez besoin que le courant fonctionne. Avec le contrôle unipolaire, seule la moitié de la phase est alimentée à la fois, de sorte que le courant n'utilise que la moitié du volume de cuivre. Avec les variateurs de tension, des résistances en série sont généralement appliquées pour diminuer la constante de temps électrique. Ce scénario sera expliqué plus loin dans l'article.

Les moteurs bipolaires n'ont besoin que d'un seul enroulement de bobine par phase et le courant peut circuler dans les deux sens par bobine. Huit transistors avec deux ponts en H sont nécessaires pour contrôler les moteurs bipolaires, comme illustré à la figure 4.

Sur la figure 5, les transistors sont alternativement fermés et ouverts pour assurer la commutation. Les variateurs bipolaires ont l'avantage d'utiliser tout le cuivre par phase. Ces variateurs bipolaires sont utilisés soit dans le variateur de tension du moteur, soit dans la source de courant. Pour la source de courant, le courant dans chaque phase est contrôlé avec une modulation de largeur d'impulsion (PWM). Deux techniques sont utilisées pour le PWM : décroissance lente ou décroissance rapide, selon que le courant est censé décroître lentement ou rapidement à travers la phase du moteur pendant le temps « off » du PWM.

Commande de tension. Un circuit simple à quatre transistors permet un contrôle unipolaire économique. Un variateur de tension pour moteurs bipolaires nécessite deux ponts en H (huit transistors).

Lecteur actuel. Un mode bipolaire est préférable pour les variateurs de courant car la technologie unipolaire nécessite une électronique plus complexe pour obtenir des performances moteur moindres.

Précaution d'entraînement de tension. En raison de l'effet d'inductance, le courant a besoin d'un certain temps pour monter dans la bobine. Pour les variateurs unipolaires ou bipolaires, vous pouvez ajouter une résistance série pour diminuer la constante de temps électrique (L/R). En ajoutant une résistance externe, le courant diminue (i = U/(R+r)).

En résumé, ajouter une résistance pour une même puissance fournie se traduit par un couple plus faible à bas régime. Le courant est plus faible en raison de la puissance joule dissipée dans la résistance externe. Comme le couple est proportionnel au courant, le moteur fournira moins de couple. A haut régime, il en résulte un couple plus élevé. Même si une certaine puissance joule est dissipée dans la résistance externe, le moteur pourra délivrer plus de couple grâce à la constante de temps électrique plus faible. Cela permet au courant de monter plus rapidement dans la bobine. (Remarque : avec une augmentation de la tension d'alimentation, vous pouvez compenser le courant plus faible ; cependant, l'efficacité énergétique globale sera inférieure. Le couple est amélioré à haute vitesse et maintenu à basse vitesse.)

Le couple de maintien est le couple maximum que le moteur peut supporter. Le couple de maintien est proportionnel à la constante de couple et au courant dans la phase.

T tenant max = k * i

où

T maintien max est le couple de maintien (Nm)

k est la constante de couple (Nm/A)

i est le courant dans la phase (A)

Un couple plus élevé peut être généré en augmentant le nombre de tours de bobine ou en augmentant le flux de courant. L'augmentation du courant a provoqué une chaleur supplémentaire due à la dissipation de la perte de joule ( P joule = R * i 2). L'alimentation en courant est limitée par la capacité thermique de la bobine. La température de la bobine peut généralement atteindre la température maximale admissible de la bobine — généralement 100 °C ou 150 °C, selon le type de moteur.

Regardons les pertes en joules dans les deux combinaisons (Figure 6 ci-dessous), en considérant une phase ON :

En tenant compte du fait que chaque bobine individuelle a sa propre résistance, inductance et constante de couple, et si les pertes joules sont les mêmes dans les deux cas, P joule bi = P joule uni = P 0 , nous aurons :

Pour les mêmes pertes en joules dissipés, le moteur bipolaire peut produire √2 (≈40%) de couple en plus que le variateur unipolaire. Et pour une même puissance électrique, le variateur bipolaire obtient de meilleurs résultats que le variateur unipolaire.

La démonstration précédente montre qu'à puissance dissipée égale, le moteur bipolaire peut délivrer 40% de couple en plus. Cependant, à haute vitesse en tension, le moteur unipolaire peut délivrer un couple plus élevé que le moteur bipolaire car le courant peut circuler plus rapidement dans la bobine. La figure 7 en donne un exemple.

Un moteur bipolaire a généralement quatre fils alors qu'un moteur unipolaire a huit fils si le point médian n'est pas connecté (Figure 8).

Si le moteur unipolaire a huit fils, il peut être converti en une version bipolaire en connectant les demi-phases. Les bobines peuvent se connecter en série ou en parallèle. Les deux options ont la même régulation moteur (R/k2) et les mêmes performances de couple pour la même puissance électrique.

Un montage en série a une résistance quatre fois plus élevée qu'un montage en parallèle. Une connexion série nécessite deux fois le courant et la moitié de la tension d'une connexion parallèle. Une connexion série ou parallèle correspondra à l'alimentation.

Le tableau de la figure 10 présente les avantages des montages unipolaires et bipolaires. Le contrôle unipolaire était populaire dans le passé, mais le bipolaire dans la commande de courant est devenu plus répandu grâce à l'amélioration des coûts. Pour la commande de tension, le contrôle unipolaire reste une option rentable.

Cet article a été écrit par Clémence Muron, ingénieur d'applications chez Portescap, West Chester, PA. Pour plus d'informations, rendez-vous ici.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro d'août 2021 de Motion Design Magazine.

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