Formes de contrôle pas à pas en boucle fermée

2017 - Article le plus populaire - Pour obtenir les meilleures performances, le moteur pas à pas peut être traité comme un servomoteur sans balais à 2 phases. Le courant vers le moteur sera alors contrôlé en fonction du signal d'erreur comme avec les servomoteurs standards.

Contribué par | Contrôle de mouvement Galil, Inc.

Les moteurs pas à pas sont utilisés dans une variété d'applications à travers le spectre de l'ingénierie car ils sont peu coûteux, simples à utiliser et offrent un couple élevé à basse vitesse. Cependant, les moteurs pas à pas souffrent d'inconvénients tels que des pas manqués, un couple réduit à des vitesses élevées, des résonances et une consommation d'énergie élevée. Afin d'atténuer ces problèmes, Galil propose trois méthodes pour fermer la boucle autour d'un moteur pas à pas : la correction du point final, le micropas en boucle fermée et l'entraînement du moteur pas à pas en tant que moteur sans balais biphasé.

Les moteurs pas à pas ont plusieurs électroaimants "dentés" disposés autour d'un rotor en forme d'engrenage. Pour faire tourner l'arbre du moteur, ces électroaimants sont alimentés selon une séquence spécifique. La figure 1 montre une vue simplifiée de ce processus pour un moteur pas à pas biphasé. Chaque séquence spécifique correspond à un pas du moteur. Un moteur pas à pas a généralement 200 pas par tour.

Les moteurs pas à pas ne sont pas sans inconvénients. Le premier inconvénient d'un moteur pas à pas est qu'il fonctionne à plein courant en permanence. Cela entraîne un gaspillage d'énergie et une production de chaleur excessive. Deuxièmement, la vibration provoquée lorsqu'ils changent de position par étapes discrètes est fondamentale pour le fonctionnement des moteurs pas à pas. Lorsque la fréquence de pas correspond à l'oscillation naturelle ou à la fréquence de résonance du moteur pas à pas, l'amplitude de ces vibrations augmente, entraînant une perte de position. Les moteurs pas à pas subissent également une diminution significative du couple à mesure que la vitesse du moteur augmente. Une courbe commune vitesse-couple est affichée dans Erreur : Source de référence introuvable. Enfin, la résolution positionnelle est limitée par le nombre de pas par tour. Si une résolution accrue est nécessaire, le stepper peut être piloté par le processus de microstepping.

Le micropas est une méthode d'entraînement d'un moteur pas à pas de telle sorte que chaque pas entier du moteur est décomposé en incréments plus petits appelés micropas. Le micropas crée généralement entre 2 et 256 micropas par pas complet, ce qui signifie que le moteur à 200 pas par tour peut maintenant avoir jusqu'à 51 200 de ces micropas par tour. La figure 3 détaille la forme d'onde du courant à travers chaque phase du moteur pas à pas avec un nombre croissant de micropas par pas complet.

La précision réelle du micropas dépend largement des forces externes. Le micropas est précis à un pas complet du moteur, mais si plus d'un demi-pas d'erreur est présent, une perte de position se produira. Le mouvement ne se produira pas si la friction, la gravité ou toute autre force est suffisamment importante pour empêcher le petit changement de courant entre deux positions de micropas d'affecter la position du moteur. La figure 4 montre un tracé d'un mouvement point à point exécuté dans un système entraîné par un moteur pas à pas couplé à un codeur. La ligne rouge est la position attendue du moteur pas à pas, la ligne violette est la sortie des impulsions de pas vers le moteur et la ligne bleue est la position du moteur mesurée par l'encodeur. La ligne noire indique quand le contrôleur profile activement le mouvement. En raison de la friction dans le système, la position finale du moteur pas à pas ne correspond pas à la position commandée, ce qui entraîne une erreur d'état stable.

En utilisant la rétroaction du codeur pour reconnaître cette erreur de position, le point final peut être ajusté en commandant des impulsions de pas supplémentaires pour amener le moteur dans la position correcte. Galil appelle ce mode de maintenance de la position pas à pas, ou SPM. SPM utilise toujours le stepper en mode microstepping, mais la précision du point final peut maintenant être vérifiée et ajustée. Ce mode fonctionne en comparant la position commandée du moteur pas à pas à la sortie de position réelle de l'encodeur juste avant la fin d'un mouvement. La figure 5 montre le même système que la figure 4 maintenant utilisé en mode de maintien de la position pas à pas. Après la fin du mouvement, l'erreur de position est reconnue et la position de référence est ajustée pour tenir compte de cette erreur. Un mouvement de correction d'erreur est ensuite commandé pour amener le stepper à la position correcte. En ajoutant l'encodeur, le contrôleur a maintenant la capacité de reconnaître et de corriger les erreurs présentes dans le système. Le même mouvement qui entraînait auparavant une erreur d'état stable due au frottement peut maintenant être pris en compte et corrigé.

Le mode SPM est destiné aux applications où la seule préoccupation est la précision du point final. Lorsqu'il est nécessaire de corriger en permanence une erreur, Galil propose le mode Closed Loop Microstepping (CLS). La figure 6 montre le système pas à pas piloté en mode CLS. En plus de la position de référence et de la position de l'encodeur, un signal d'erreur (ligne verte) est maintenant généré en interne sur le contrôleur et est utilisé pour ajuster en continu la position du moteur pas à pas. Il est important de noter qu'en mode CLS, le mouvement est désormais profilé en fonction de la position de l'encodeur, mais des impulsions de pas sont toujours générées par le contrôleur pour entraîner le moteur pas à pas.

Le signal d'erreur généré est alimenté par le filtre CLS de Galil qui compense ensuite toute erreur présente dans le système en ajustant la sortie des impulsions de pas vers le moteur pas à pas. Le micropas à pas en boucle fermée est un véritable mode de fonctionnement en boucle fermée et constitue l'utilisation optimale d'un moteur pas à pas toujours entraîné comme un moteur pas à pas. Le fonctionnement en boucle fermée comporte un risque d'instabilité si la boucle n'est pas correctement réglée, il faut donc veiller à assurer la stabilité. De plus, ce mode est toujours peu économe en énergie et a une faible bande passante par rapport à un système d'asservissement classique. Cette faible bande passante peut être encore réduite lors de l'utilisation de variateurs pas à pas tiers externes avec une faible bande passante de boucle de courant et des caractéristiques non linéaires.

Pour obtenir les meilleures performances, le moteur pas à pas peut être traité comme un servomoteur sans balais à 2 phases. Le courant vers le moteur sera alors contrôlé en fonction du signal d'erreur comme avec les servomoteurs standards. Galil se réfère au mode 2 Phase Brushless, ou 2PB. La figure 7 détaille le système de moteur pas à pas piloté dans ce mode. Désormais, plutôt que des impulsions de pas, un signal de commande de couple (ligne marron) est généré par le contrôleur pour être envoyé à l'un des amplificateurs internes de Galil fonctionnant en mode 2PB afin de contrôler la position du moteur. fois. Un moteur pas à pas piloté en mode 2PB est analogue à un servomoteur classique accolé à un réducteur de vitesse. Étant donné que ce mode fonctionne comme un servomoteur standard, la gamme complète des capacités de filtrage PID avancées de Galil peut désormais être utilisée, y compris les filtres coupe-bande, pôle et prédictif. Afin de piloter le moteur pas à pas de cette manière, l'amplificateur doit être rendu plus sophistiqué pour ne fournir correctement que le courant instantané requis au moteur. Cela permet au moteur pas à pas de fonctionner efficacement et de générer beaucoup moins de chaleur.

En tirant parti des méthodes de contrôle pas à pas en boucle fermée de Galil, les diverses lacunes des moteurs pas à pas peuvent être surmontées. La position du point final peut être ajustée pour les imprécisions avec le mode de maintenance de la position pas à pas, la position peut être ajustée dynamiquement avec un micropas en boucle fermée, et enfin le moteur pas à pas peut être traité comme un servo sans balais à 2 phases pour augmenter encore les performances et l'efficacité du moteur . Si vous avez des questions sur le mode de fonctionnement pas à pas en boucle fermée qui convient à votre application, contactez notre service d'ingénierie d'applications au (916) 626-0101 ou par e-mail à [email protected].

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