Comprendre la traction

Valentin Raschke | 13 sept. 2022

Lorsqu'il est temps de spécifier un moteur hautes performances qui offre à la fois un positionnement précis et une rentabilité, les moteurs pas à pas offrent de nombreux avantages par rapport aux moteurs à courant continu grâce à leur technologie sans balais. Bien que la sélection d'un moteur pas à pas implique de nombreuses considérations, les concepteurs doivent à la fois comprendre et prendre en compte les courbes de couple de traction et de traction, qui décrivent les caractéristiques de vitesse et de couple du moteur lorsqu'il est entraîné. Cet article fournira un aperçu des concepts de couple de traction et de traction à prendre en compte lors de la mise en œuvre de moteurs pas à pas avec un système de mouvement.

La figure 1 ci-dessous montre le couple produit par un moteur CC sans balais triphasé (BLDC) avec une commutation en six étapes. Des capteurs à effet Hall sont intégrés au moteur pour suivre la position du rotor. Cette information permet de commuter les trois phases au bon moment afin de maintenir un angle de 90° ± 30° entre le champ magnétique du rotor et du stator. Il y a une petite ondulation de courant, mais le couple développé par le moteur est relativement stable et quelque peu dépendant de la position du rotor. Un codeur haute résolution peut fournir une rétroaction plus précise de la position du rotor et réduire l'ondulation du couple à presque zéro.

Figure 1. Phase et couple moteur d'un moteur BLDC.

La figure 2 ci-dessous montre une version simple d'un moteur pas à pas : un aimant avec une paire de pôles servant de rotor et deux phases séparées situées dans le stator. Cette conception fournit quatre étapes complètes sur une révolution mécanique. Les courbes de couple résultantes indiquant un courant continu appliqué à chaque phase sont illustrées à la figure 3, représentées par des graphiques bleu et orange. Si le moteur est entraîné en pas complet en activant une seule phase à la fois, un courant sera appliqué dans l'ordre suivant : A, B, -A et -B.

Figure 2. Un moteur pas à pas avec une paire de pôles.

Les graphiques verts ci-dessous dans les figures 3a et 3b illustrent le couple résultant à l'arbre du moteur. Contrairement à un moteur BLDC, le couple moteur d'un moteur pas à pas dépendra de manière significative de la position du rotor. Pour obtenir une conception simple et économique, le moteur pas à pas est généralement entraîné en mode boucle ouverte sans retour de position du rotor. La commutation se produit donc avec un signal externe - en pas par seconde - sans position actuelle du rotor établie. Une commutation "idéale" permettrait le courant dans la phase lorsque le rotor est positionné exactement entre deux phases. Cependant, dans une boucle ouverte - sans retour de position du rotor - le rotor peut ne pas toujours être dans la position idéale. Lors du dimensionnement d'un moteur pas à pas, le concepteur doit tenir compte de cette incertitude en appliquant un coefficient de sécurité sur le couple de décrochage.

Figure 3a. Une commutation "idéale" d'un moteur pas à pas biphasé.

Figure 3b. Commutation réaliste d'un moteur pas à pas biphasé, en boucle ouverte.

Pour mieux comprendre comment le couple d'arrachement maximum est défini, il est important de revoir comment il est mesuré. Typiquement, le couple de décrochage est mesuré dans les conditions suivantes :

La figure 4 ci-dessous montre la configuration de mesure pour le couple d'arrachement. Le moteur sera connecté à un pilote, qui définit le sens de rotation et la vitesse du moteur via un signal pulsé. L'arbre du moteur est relié à un système de freinage variable, tel qu'un frein à courants de Foucault, qui permet d'appliquer une charge variable au moteur.

Figure 4. Configuration pour mesurer le couple d'arrachement.

La mesure est effectuée comme suit :

Figure 5. Un exemple de courbe de couple d'arrachement.

Les valeurs de charge maximales pour chaque vitesse mesurées au cours de l'étape 3 représentent la courbe de couple de décrochage du moteur, comme indiqué ci-dessus dans la figure 5. En raison de la résonance, certaines vitesses peuvent entraîner un comportement erratique du moteur et doivent être évitées. Cette condition peut être indiquée dans le diagramme de couple de décrochage.

En pratique, le couple de décrochage permet de définir une plage de couple et de vitesse pour entraîner en toute sécurité les moteurs en boucle ouverte. Pour le couple de charge maximal, un facteur de sécurité de généralement 30 % est pris en compte (représenté sur les figures 6a et 6b par la ligne bleue en pointillés), par rapport au couple de traction maximal disponible (représenté ci-dessous sur les figures 6a et 6b par le trait plein Ligne bleue).

De plus, le couple de décrochage est utilisé pour déterminer le profil d'accélération optimal pour le moteur. Le moteur doit atteindre un point de fonctionnement, qui est indiqué par la croix rouge dans l'exemple de la Figure 6a. Il existe deux façons d'accélérer le moteur à la vitesse requise :

Figure 6a. Comparaison du couple de décrochage disponible pour accélérer le moteur en cas d'accélération non linéaire (en orange) par rapport à une accélération linéaire (en bleu).

Figure 6b. Temps nécessaire pour accélérer à une vitesse donnée en cas d'accélération non linéaire (en orange) par rapport à une accélération linéaire (en bleu).

Le couple de traction peut, par exemple, être mesuré à l'aide de la configuration de la figure 7 ci-dessous. Un disque est monté sur l'arbre du moteur et un cordon est enroulé autour de celui-ci. Les forces de tension F1 et F2 dans le câble sont mesurées et la différence entre les forces crée un couple de charge sur le moteur, qui dépend du diamètre du disque. La charge résultante sur l'arbre du moteur consiste en un couple de frottement pur avec une inertie de charge négligeable. La seule inertie présente lors de la mesure sera donc l'inertie rotorique du moteur. Le moteur est connecté à un driver en mode boucle ouverte, et toute la mesure se fait sans rampe d'accélération.

Figure 7. Configuration pour mesurer le couple de traction.

La mesure est généralement effectuée comme suit :

Figure 8. Exemple de courbe de couple de traction.

Les valeurs de vitesse maximales capturées au cours de l'étape 3 représentent la courbe de couple de démarrage illustrée ci-dessus dans la figure 8. En règle générale, les fournisseurs de moteurs comme Portescap fourniront la courbe de couple de démarrage du moteur déchargé et la mesureront avec un pilote spécifique. Dans l'application réelle, l'inertie de la charge doit également être prise en compte car cette inertie supplémentaire agissant sur l'arbre du moteur diminuera le couple de traction disponible du moteur. Pour résumer, les facteurs qui influencent le couple de démarrage d'un moteur pas à pas sont :

En pratique, il existe deux situations clés dans lesquelles le couple de démarrage est utilisé lors du dimensionnement d'un moteur pas à pas :

Lors de la sélection d'un moteur pas à pas, il est essentiel de comprendre la courbe de couple de traction et de traction du moteur pour garantir de bonnes performances et une bonne fiabilité dans l'application prévue. Portescap propose une large gamme de moteurs pas à pas standard et personnalisés ainsi qu'un support technique.

Nous vous aiderons à sélectionner un moteur pas à pas avec les caractéristiques de vitesse et de couple qui répondront le mieux à vos exigences et garantiront des performances sans problème.

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