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Le fonctionnement en boucle fermée, une nouvelle grande idée

Les moteurs pas à pas sont avant tout populaires car ils sont faciles à utiliser. Ils ne nécessitent pas de codeur pour maintenir leur position, et contrairement aux moteurs CC à balais ou sans balais lorsqu’ils sont utilisés pour le positionnement, ils ne nécessitent pas de boucle d’asservissement. Leurs avantages sont un faible coût, un couple élevé et un fonctionnement sans balais. Cependant, ils présentent également des inconvénients importants qui incluent les vibrations, le bruit et une plage de vitesse limitée.

Une nouvelle technique d’entraînement appelée pas à pas en boucle fermée, également parfois appelée servo pas à pas, commence à attirer l’attention, car elle peut résoudre un grand nombre de ces problèmes classiques de moteur pas à pas et en même temps peut réellement extraire plus de performances du moteur. Dans certaines applications, les moteurs pas à pas entraînés avec la méthode pas à pas en boucle fermée surpassent les moteurs CC sans balais dans les catégories importantes de taux d’accélération et de couple de sortie par unité de poids du moteur.

L’essentiel du fonctionnement pas à pas en boucle fermée consiste à ajouter un codeur et à faire fonctionner le moteur comme un moteur CC sans balai à deux phases commutées. Le fait qu’un codeur soit nécessaire signifie que les applications vraiment à faible coût ne seront pas de bons candidats pour le stepper en boucle fermée. Mais le moteur pas à pas en boucle fermée représente une alternative puissante aux schémas d’entraînement de moteurs pas à pas traditionnels.

Figure 1 montre des formes d’onde traditionnelles pour entraîner un moteur pas à pas. Les moteurs pas à pas sont un appareil polyphasé, ce qui signifie que plusieurs bobines de moteur sont électriquement excitées pour créer un mouvement. Les moteurs pas à pas sont généralement construits avec 1,8 degrés mécaniques par pas complet (90 degrés électriques). Cela signifie un 1,8 degrés. stepper a 200 pas complets par rotation mécanique. En plus de 1,8 degrés. moteurs pas à pas, il existe d’autres configurations telles que .9 et 7.2 deg.

1. Formes d'onde de contrôle de moteur pas à pas traditionnelles.1. Formes d’onde de contrôle de moteur pas à pas traditionnelles.PMD

La magnétique entraîne le moteur

Voyons ce qui se passe à l’intérieur du moteur pour comprendre plus en détail le fonctionnement d’un moteur pas à pas traditionnel.

Figure 2 fournit un modèle magnétique simple d’un moteur pas à pas. Le rotor peut être considéré comme un aimant à barre rotative qui interagit avec un champ magnétique contrôlé extérieurement (le stator). Le couple de rotation généré est nul lorsque le champ du rotor NS s’aligne avec le champ magnétique NS du stator (également appelé champ B), et à son maximum lorsque les deux champs sont à un angle de 90 degrés électriques l’un de l’autre. Notez que bien que la construction interne réelle d’un moteur pas à pas ne ressemble en rien à cela, c’est toujours un moyen utile de comprendre le fonctionnement du moteur.

2. Modèle d'aimant à barre tournante pour moteurs pas à pas.2. Modèle d’aimant à barre tournante pour moteurs pas à pas.PMD

Lorsque les bobines du moteur sont entraînées avec du courant, une «vallée» de force sinusoïdale est créée qui entraîne le moteur pas à pas à se positionner à une position spécifique. Plus le courant est entraîné à travers les bobines, plus la profondeur de la vallée de force est grande et plus la force de maintien sur le moteur est grande. Dans ce profil de collines et de vallées, là où la courbe est horizontale, il n’y a pas de couple mécanique généré, et partout où la courbe est la plus raide, le couple généré est le plus grand.

Comme figure 3 montre, dans un schéma d’entraînement par moteur pas à pas traditionnel, le moteur se dépose au «bas» du profil de force. À ce stade, le couple moteur net généré est nul car le moteur est à un point d’équilibre. Cela explique pourquoi la position peut être maintenue dans un moteur pas à pas sans codeur ni boucle d’asservissement.

3. Point de fonctionnement traditionnel du moteur pas à pas.3. Point de fonctionnement traditionnel du moteur pas à pas.PMD

Pour créer un mouvement, le contrôleur déplace cette vallée vers l’avant ou vers l’arrière en modifiant l’angle de phase du moteur via les connexions de la bobine externe. Lorsque le vecteur électrique change, le rotor du moteur «tombe» vers l’avant ou vers l’arrière, se maintenant au fond de la vallée de force en réponse. Pensez à une balle qui se dépose au fond d’une auge. Bien que pratique et simple, ce schéma présente plusieurs inconvénients, notamment les vibrations et un phénomène connexe appelé instabilité de milieu de gamme. Pourquoi ce schéma de contrôle a-t-il autant de vibrations?

La réponse vient du fait que la position du rotor s’installe dans une position d’équilibre mais n’est pas activement maintenue dans cette position. Cela signifie que l’inertie du rotor ainsi que toute force extérieure pouvant exister entraînera une déviation du moteur par rapport à la position d’équilibre. Figure 4 fournit un exemple de cela, montrant comment le rotor sonne et prend du temps à s’installer lorsqu’il lui est ordonné de passer à la prochaine étape complète.

4. Sonnerie après une seule étape.4. Sonnerie après une seule étape.PMD

Normalement, nous pensons à la sonnerie et au tassement comme celui-ci, un phénomène de boucle d’asservissement, mais si vous pensez à la balle qui se dépose dans un creux, cela commence à avoir un sens. Le phénomène d’instabilité de milieu de gamme se produit lorsque cette fréquence de sonnerie est égale à la fréquence de pas commandée. Dans cette condition, la sonnerie et le taux de pas se renforcent mutuellement et provoquent une résonance qui réduit le couple disponible à une vitesse spécifique, ou pire, entraîne la perte de pas du moteur ou l’arrêt complet du mouvement.

Contrôle actif de la position du rotor

Le fonctionnement pas à pas en boucle fermée est différent de trois façons principales:

  1. Il nécessite qu’un encodeur soit fixé au moteur pas à pas, un avec une résolution assez élevée. Pour 1,8 degrés standard. moteurs pas à pas, vous voudrez un codeur avec pas moins de 2000 comptes par rotation mécanique, et pour 7,2 degrés. les moteurs pas à pas 500 est un strict minimum.
  2. Le moteur fonctionne comme un moteur CC sans balais et commute l’angle de phase en utilisant la position réelle du codeur plutôt que la position commandée. Redessiner notre diagramme de force, Figure 5 montre comment le phasage commuté signifie que le point de fonctionnement du moteur pas à pas est décalé de 90 degrés. à la partie la plus raide de la vallée de force plutôt qu’au point d’équilibre.
  3. Au lieu d’être constants, la hauteur et l’angle de phase de la forme d’onde sont modifiés en continu en fonction de la sortie d’une boucle PID de position, qui est utilisée pour asservir la position commandée. Encore une fois, c’est la même chose que le fonctionnement d’un moteur à courant continu sans balais.

5. Point de fonctionnement pas à pas en boucle fermée.5. Point de fonctionnement pas à pas en boucle fermée.PMD

Il existe de nombreux avantages à utiliser un ion moteur de cette façon:

  • Pas de pas perdu. Un avantage immédiat est que la perte d’étapes n’est plus une préoccupation. Fonctionnant comme un servomoteur, le codeur détermine l’emplacement du moteur pas à pas. Par conséquent, le problème de la perte de pas – une préoccupation toujours présente dans les applications traditionnelles de moteur pas à pas – ne s’applique plus.
  • Moins de chaleur. Un autre avantage est qu’un moteur pas à pas en boucle fermée, car il utilise une technique de servo-entraînement, ne produit que la quantité de couple nécessaire pour atteindre le profil de mouvement souhaité. Les moteurs pas à pas traditionnellement contrôlés sont entraînés à un courant constant qui doit être suffisamment important pour gérer le profil de mouvement le plus défavorable, et cet excès de courant génère de la chaleur.
  • Précision. Étant donné que l’encodeur est utilisé pour piloter l’emplacement du moteur, la précision de positionnement n’est plus liée à la résolution de pas du moteur. Par conséquent, le même moteur pourrait atteindre 2000
  • Bruit. Avec une technique pas à pas en boucle fermée, le moteur génère beaucoup moins de bruit qu’un entraînement pas à pas ou demi-pas, et encore moins de bruit qu’un entraînement à micropas. Bien qu’il ne soit pas aussi silencieux qu’un moteur CC sans balais typique, le moteur pas à pas en boucle fermée tue à peu près le problème classique du bruit du moteur pas à pas.

Un nouveau schéma de contrôle est nécessaire

Figure 6 fournit un schéma d’ensemble d’un schéma de connexion pas à pas de boucle plus proche. À ce niveau élevé, le schéma du système ne semble pas si différent d’un schéma de moteur pas à pas traditionnel, à part l’inclusion d’un codeur.

6. Schéma du système de haut niveau.6. Schéma du système de haut niveau.PMD

Mais le schéma de contrôle interne utilisé avec le moteur pas à pas en boucle fermée est très différent d’un schéma de contrôle de moteur pas à pas traditionnel. Ce schéma, illustré dans Fig. 7, comporte trois éléments généraux: une boucle PID de position, une boucle de courant et un amplificateur à découpage.

7. Système de contrôle pas à pas en boucle fermée.7. Système de contrôle pas à pas en boucle fermée.PMD

La boucle PID entre une position commandée, à partir d’une source d’impulsions et de direction externe ou d’un générateur de profil interne et utilise la position mesurée du codeur pour générer une commande de courant après avoir traversé un filtre PID. Ensuite, cette commande actuelle doit être commutée. Cela peut être fait en utilisant une table de recherche sinusoïdale, ou dans des contrôleurs plus sophistiqués par une technique appelée FOC (Field Oriented Control). Bien que dans le diagramme ci-dessus, une seule boucle de courant soit représentée, en fait, des boucles de courant distinctes sont utilisées pour chaque phase du moteur.

Enfin, des ponts de commutation numériques, composés chacun de quatre commutateurs dans une configuration en pont en H, entraînent les bobines du moteur à partir de l’alimentation + HV. Le circuit de commutation est agencé de sorte que le courant dans chaque bobine de moteur puisse être mesuré et renvoyé au contrôleur pour exécuter les boucles de courant.

Le pas en boucle fermée est-il un bon choix?

Bien que le contrôle pas à pas en boucle fermée soit sur la scène depuis plus de 10 ans, ce n’est qu’au cours des dernières années, avec la disponibilité d’encodeurs économiques et haute résolution et de circuits intégrés pas à pas dédiés à bas prix, que cette technique a commencé à voir l’adoption plus répandue.

Bien que cela ne corresponde pas à chaque application, les concepteurs de machines doivent sans aucun doute être conscients de ce que le système de contrôle pas à pas en boucle fermée peut offrir. Il s’agit de l’un des développements les plus importants en matière de contrôle de mouvement de la dernière décennie, et a le potentiel de fournir des performances plus élevées à moindre coût dans certaines applications par rapport aux moteurs CC sans balais.

Chuck Lewin est PDG et fondateur de Performance Motion Devices, Inc.

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