Moteur pas à pas bipolaire¶
Description d'un moteur pas à pas bipolaire¶
Si on ouvre un moteur pas à pas (de type bipolaire pour être précis, car il y en a d'autres), on verra qu'il est constitué :
- d'un rotor magnétique cranté en périphérie
- de bobines avec 4 fils qui sortent
D'un point de vue électrique, un moteur pas à pas est l'équivalent de 2 bobines, que l'on appelle phases : chaque bobine ayant 2 fils, c'est pour cela que l'on a 4 fils en sortie du moteur.
Le principe d'un moteur pas à pas¶
Le principe général du moteur pas à pas, c'est qu'il tourne par "crans" successifs, que l'on appelle pas. Au final, un moteur pas à pas tourne comme une trotteuse de montre à aiguille, enchaînant position après position. Par contre, évidemment, cet enchaînement est suffisamment rapide pour qu'on ne s'en rende pas compte.
Info
La rotation du moteur va ainsi pouvoir être contrôlée au "pas près", ce qui explique sa précision et c'est la raison pour laquelle on l'utilise sur les machines numériques.
Ce qu'il faut retenir, et c'est important, c'est le moteur pas à pas est défini par son nombre de pas "physiques", autrement dit le nombre de crans nécessaires pour faire un tour. Typiquement, sur nos machines, les moteurs utilisés sont des moteurs en 200 pas physiques ou "natifs".
La précision du pas est alors de 360° (1 tour) / 200 pas = 1.8°. Les pas natifs sont représentés ci-contre en rouge (il n'y en n'a pas 200, c'est juste pour comprendre le principe).
Tester le par vous-mêmes !
Une façon simple de s'en rendre compte, c'est de prendre en main un moteur pas à pas, de pincer l'axe entre ses doigts et de le faire tourner manuellement : vous sentirez les "crans" ou pas du moteurs. Important : il ne faut pas que les câbles se touchent pour que l'axe tourne librement.
Le mode microstep : Principe général¶
Grâce à l'électronique des étages de contrôle des moteurs, le génie humain a trouvé le moyen de créer des pas intermédiaires en jouant sur l'intensité des phases (on explique çà séparément dans des tutos dédiés si çà vous intéresse, mais ici, on vous donne l'essentiel utile pour comprendre).
Le principe général à retenir, c'est que le mode micropas correspond à l'ajout de pas intermédiaire entre les pas natifs !
Par convention, j'appelle les pas ainsi ainsi créé des micropas à distinguer des pas physiques natifs.
Sur le schéma ci-contre, on a symbolisé les pas natifs en rouge et les micro-pas en bleu.
Ce qui est génial en fait !
On a dit précédemment que le moteur pas à pas est contrôlable au "pas près"... et bien ici, ce qui est génial, c'est que le moteur va être contrôlable au "micro-pas près" ! Bluffant en fait et c'est çà l'un des secrets de la précision obtenue avec les machines numériques.
Les modèles et critères de choix¶
Le type moteur¶
Il existe au moins 2 grands types de moteurs pas à pas :
- les moteurs pas à pas bipolaires (2 bobines = 4 fils)
- les moteurs pas à pas unipolaires (2 bobines + 1 commun central = 5 fils)
Le modèle à prendre en pratique est le modèle bipolaire (4 fils de sortie), celui dont nous parlons ici.
La taille du moteur¶
Les moteurs pas à pas conseillé sont les moteurs de type NEMA (pour National Electrical Manufacturers Association) dont les dimensions sont standardisées. On caractérise un moteur NEMA par un chiffre NEMA 14, NEMA 17, NEMA 23, NEMA 34, etc. Le chiffre définit la dimension de la façade (carrée) et la position des 4 trous de fixation.
Les dimensions des façades sont les suivantes :
Dans chaque dimension de façade, on a des moteurs de longueurs différentes, qui correspondent en fait à des modèles ayant des couples (=force en rotation) de plus en plus élevés en général.
Voir :
L'intensité de phase¶
L'intensité de phase exprime l'intensité maximale que peut supporter le moteur. Celle-ci est liée au couple et au modèle de moteur.
L'intensité de phase déterminera la possibilité d'utiliser ou pas un moteur donné avec un étage moteur donné. Les étages moteurs ont en général une intensité de phase maximale, à savoir 2A pour un pololu par exemple, mais jusqu'à plusieurs ampères pour un étage externe.
En pratique, un moteur qui reçoit trop d'intensité de phase chauffera et par conséquent se dégradera avec le temps.
Pour information, l'intensité totale utilisée réellement par un moteur sera de l'ordre de 1.7 x I phase pour le moteur entier car les 2 phases ne sont jamais toutes les 2 en 100% en mode microstep et le point haut cumulé des 2 phases donne 1.7. Ceci étant, considérer que l'on consomme 2 x I phase est une sécurité et peut permettre de dimensionner en conséquence l'alimentation.
Truc bon à connaître
Il faut savoir que le supplément de couple est donné par la mécanique du moteur... et on pourra donc avoir un moteur NEMA "double" par exemple qui aura le même couple qu'un moteur NEMA "simple" dans une catégorie donnée. Il est intéressant de faire en sorte de ne pas dépasser de la sorte le seuil d'intensité maximum du driver tout en majorant le couple. """)
La tension de fonctionnement ?¶
Le principe des étages moteurs est tel qu'ils se comportent comme des sources de courant et non de tension. En conséquence, la tension du moteur n'est pas essentielle. Et un étage pourra fonctionner indifféremment avec un moteur 2.3V ou 12V, ce qui est pratique, notamment avec les moteurs de récup'.
L'important au final, c'est de calculer la puissance maximale que peut recevoir le moteur (P = tension nominale x I max) et l'adapter à la tension utilisée. En pratique, la température de fonctionnement du moteur sera un bon moyen de savoir où en est : tiède çà ira, chaud faudra baisser l'I max de l'étage.
Le nombre de pas¶
Le nombre de pas physique correspond au mouvement angulaire minimal que peut faire le moteur. Il peut être exprimé en nombre de pas ou en en degrès.
Typiquement, il existe des moteurs 200 pas (1.8°/step) et 400 pas (0.9°/step). Des moteurs "exotiques" existent aussi en 48 pas, etc.
En pratique, les 200 pas sont les plus courants, les 400 pas sont parfois rencontrés.
Savoir que le nombre de pas physiques seront augmentés électriquement grâce à la technique du micro-stepping. Ainsi, un moteur de 200 pas utilisé avec un microstepping de 1/16 disposera au final de 3200µpas par tour.
Entre un moteur 200 pas et un moteur 400 pas, il faudra une impulsion de fréquence 2 fois plus élevée avec le moteur de 400 pas pour avoir la même vitesse, toutes choses égales par ailleurs.
Le couple du moteur¶
Le couple exprime la force en rotation de l'axe du moteur.
Le couple du moteur est à prendre en compte à titre de comparaison entre les moteurs. Il est exprimé en N.cm (dire "Newtons centimètre" et pas "newton par centimètre".
Il faut savoir que le couple d'un moteur pas à pas diminue avec la vitesse : il ne doit donc pas être pris pour "argent comptant". Il faut savoir que plus on ira vite, plus le couple sera diminué. Savoir également que le couple est légèrement diminué par l'utilisation du micro-stepping (qui augmente cependant la résolution/précision).
ATTENTION
Quelque soit le modèle de moteur, la vitesse maximale de rotation est peu ou prou la même aux alentours de 1000 tours par minute. Donc, il ne suffit pas de prendre un moteur plus gros pour aller plus vite !! La dimension du moteur ne fait qu'augmenter le couple (la force en rotation) et l'augmentation de vitesse sera obtenue en modifiant la transmission utilisée. """)
Le diamètre de l'axe de sortie¶
Le diamètre de sortie est fonction du type de moteur :
Sur nos machines, cela sera :
- soit du NEMA 17 en 5mm avec méplat
- soit du NEMA 23 en 6.35mm avec méplat
La prise en compte du diamètre de l'axe est importante pour le choix du diamètre de coupleur d'axe ou de poulie utilisé(e) avec le moteur.
Le diamètre des trous de fixation¶
Le diamètre des trous de fixation est le suivant :
En pratique :
- M3 déjà taraudé pour le NEMA 17
- trou passant pour vis M5 pour le NEMA 23
Le connecteur du câble¶
Le câble peut être directement sortant du moteur voire parfois nécessite un câble spécifique qui se branche sur le driver : je déconseille çà car çà crée un jeu de contact sur les mouvements de câbles, cause de panne notamment sur les imprimantes 3D.
Détail qui a son importance : le câble 4 fils du moteur peut être libre ou avec connecteur Dupont à son extrémité.
Le point important ici est l'extrémité du câble :
- soit les fils sont bruts, juste dénudés, idéal pour utilisation avec un étage externe.
- soit un connecteur Dupont est présent, conseillé (indispensable en fait) pour l'utilisation avec les pololus.
Et aussi¶
Certains moteurs pas à pas ont un réducteur et il faudra dans ce cas prendre en considération :
- le ratio de réduction exprimé en 1:5 ou 1:50 par exemple
- le diamètre de l'axe de sortie du réducteur qui est souvent différent de celui du moteur
Brochage du moteur pas à pas bipolaire¶
Très simple : en interne c'est 2 bobines, il a donc 4 fils en sortie qui vont 2 à 2 .
Montage type¶
Un moteur pas à pas bipolaire nécessite un driver moteur qui va assurer divers fonctions :
- adaptation en tension et en intensité
- génération du signal micro-step
- contrôle de l'intensité de phase.
Le montage type est le suivant :
L'étage de moteur pas à pas a les connexions suivantes :
- les 4 broches pour les 2 phases du moteur pas pas
- les 3 broches logiques STEP/PULS, DIR et ENABLE
- l'alimentation moteur et l'alimentation logique
- les 3 broches de réglage du mode micropas utilisé.
Montage avec étage externe¶
