Il existe un grand nombre d'applications de moteurs pas à pas dans le domaine industriel, telles que le contrôle d'automatisation, les articulations de robots, le contrôle d'imprimantes, etc. Les plus utilisés sont les moteurs pas à pas hybrides. L’un des plus utilisés est le moteur pas à pas hybride, qui est également la forme de la plupart des moteurs pas à pas avec lesquels nous sommes en contact quotidiennement. Conceptuellement, il existe certains liens et différences entre les moteurs pas à pas et les moteurs à réluctance variable. Cet article parlera dans un premier temps de la structure et du principe de fonctionnement du moteur à réluctance/moteur pas à pas, et comparera les différences entre les différents moteurs.
1. Moteur à réluctance variable
Le moteur à réluctance variable (Variable-Reluctance Machine) est également connu sous le nom de moteur à réluctance de commutation, peut-être la structure de moteur la plus simple du moteur, par le stator équipé d'enroulements d'excitation et d'un rotor ferromagnétique avec une structure de pôles convexes. Le rotor n'a pas d'enroulements de bobine ni d'aimants permanents et s'appuie sur la variation de la réluctance du rotor à différentes positions pour générer une force électromagnétique (dΨ/dθ).
Nous savons que le flux magnétique a toujours tendance à traverser le chemin présentant la plus faible réticence. Comme le montre la figure . 1.1, S1 S2 contrôle l'activation et la désactivation du courant, et VD1 VD2 est la diode de continuité de courant. La position indiquée dans la position AA' et aa' de la réluctance maximale, la réluctance minimale de CC, si la phase D est alimentée à ce moment, le rotor tournera dans le sens inverse des aiguilles d'une montre ; si la phase B est alimentée à ce moment, le rotor tournera dans le sens des aiguilles d'une montre ; si la phase A est alimentée à ce moment, le rotor reste inchangé. Il convient de noter que les moteurs à réluctance commutée ne peuvent pas réaliser le changement de sens de rotation du moteur par le changement de sens du courant, mais par le changement de séquence d'alimentation pour réaliser la rotation avant et arrière du moteur.
Séquence d'excitation de rotation dans le sens des aiguilles d'une montre : B-A-D-C
Séquence d'excitation de rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre : D-A-B-C
Étant donné que la résistance magnétique du moteur change considérablement pendant la rotation, la pulsation de couple du moteur à réluctance deviendra élevée. Afin de garantir le fonctionnement fluide et efficace du moteur, le contrôle du moteur à réluctance nécessite de connaître la position du rotor, l'état de la charge et l'état de la vitesse, entre autres informations. Et le modèle du moteur à réluctance n'a pas la bonne linéarité du moteur synchrone à aimant permanent/moteur asynchrone, il a donc besoin de beaucoup de modèles de prédiction et d'algorithmes pour améliorer la précision du contrôle, ce qui augmente sans aucun doute la difficulté du contrôle du moteur à réluctance.
Figure 1.1 Structure de base du moteur à réluctance variable
2. Des moteurs à réluctance variable aux moteurs pas à pas
Les moteurs à réluctance variable peuvent subdiviser l'angle de mouvement en augmentant le nombre de pôles du stator et du rotor ou le nombre de phases sous tension du stator grâce à leur méthode de contrôle spéciale (conduction alternée pulsée). Il existe une variété de telles structures subdivisées avec différentes caractéristiques de couple angulaire, elles ne seront donc pas discutées. Dans cet article, nous explorerons plusieurs mécanismes courants de moteurs à réluctance variable, dans différentes dimensions, pour voir comment les moteurs pas à pas se démarquent de la myriade de structures de moteurs à réluctance variable.
2.1 Moteur à réluctance variable de type château
Comme mentionné précédemment, l'augmentation du nombre de pôles saillants peut subdiviser l'angle de mouvement, mais les pôles les plus saillants occuperont beaucoup d'espace dans la bobine, l'efficacité de l'enroulement du moteur est réduite et les pôles saillants ne peuvent pas être augmentés indéfiniment. Dans le cas d'un même nombre de phases d'entraînement, en gravant une petite dent sur le pôle saillant, on peut également subdiviser selon l'angle de distance de la machine. Comme le montre la figure 2.1, un moteur triphasé à réluctance variable de type château-château-avec un stator à 6 pôles, 4 dents par pôle et un rotor à 28 pôles. L'activation séquentielle de la bobine 1, de la bobine 2 et de la bobine 3 peut entraîner la rotation du rotor avec une distance de pas de 2/3 à chaque pas. les valeurs doivent être conçues en fonction des rapports d'engrenage de la conception du moteur et ne sont pas discutées ici.
Ce type de moteur est généralement utilisé à faible vitesse, à couple élevé et à résolution angulaire de précision, cette structure peut déjà être appelée « moteur pas à pas », car le contrôle de ce moteur peut également être détaché de la détection de position, grâce à l'entraînement par séquence d'impulsions peut réaliser un contrôle relativement fluide.
Figure 2.1 Moteur triphasé à réluctance variable de type château-château-
2.2 Moteurs à réluctance variable à plusieurs-étages
Les moteurs à réluctance variable constitués d'un seul rotor avec un enroulement multi-phasé sont également appelés "moteurs à réluctance variable à segment unique-". Un autre type de moteur à réluctance variable est un rotor et un stator divisés en plusieurs segments, qui peuvent être subdivisés sans augmenter le nombre de phases du stator et qui sont plus respectueux de la structure d'enroulement du stator. Il est possible de réaliser un segment monophasé, ce qui élimine pratiquement l'extrémité entre enroulements du moteur multiphasé. Pour les moteurs à n-segments, le rotor ou le stator de chaque segment est décalé de 1/n de l'angle de son pas polaire, et le pas polaire peut être subdivisé par n fois.
2.3 Moteurs pas à pas hybrides
Dans un simple moteur à réluctance variable, le sens de rotation dépend du timing du courant d'impulsion et de la structure de réluctance du moteur, et n'est pas affecté par le sens du courant. En l'absence de courant, le rotor ne peut pas être fixé dans une position spécifique en raison du manque de couple de réluctance, ce qui augmente encore la difficulté de contrôle. L'ajout d'aimants permanents à la structure originale du moteur à réluctance commutée pour former un moteur à aimant permanent ou à réluctance variable hybride peut améliorer considérablement le couple et la précision de position des moteurs pas à pas, qui constituent la structure de moteur pas à pas la plus courante aujourd'hui.
Comme le montre la figure 2.2, la structure du moteur pas à pas hybride est très similaire au moteur à réluctance variable multi-, inséré entre les deux segments des aimants permanents du rotor, visible à l'extrémité proximale de l'extrémité distale du pôle N- du pôle S-. Le stator peut être conçu comme une structure de moteur à un seul-segment, et seul un entraînement à deux-phases est requis, ce qui simplifie considérablement la structure et le coût du moteur. Le nombre de paires de pôles du rotor dans le moteur illustré sur la figure est de 3, donc l'angle mécanique correspondant à un cycle électrique est de 360/(2*3)=60.
Pour faciliter la compréhension, θ est l'angle mécanique et la séquence de conduite spécifique :
θ=0~10, la phase 1 et la phase 2 laissent passer un courant positif d'égale amplitude en même temps
θ=10~20, la phase 2 laisse passer seul le courant positif
θ=20~30, la phase 1 laisse passer seul le courant négatif
θ=30~40, la phase 1 et la phase 2 laissent passer un courant négatif d'égale amplitude en même temps
θ=40~50, la phase 2 laisse passer seul le courant négatif
θ=50~60, la phase 1 laisse passer seul le courant positif
Conduction cyclique... ...
Figure 2.2 Structure du moteur pas à pas hybride
3. Contrôle du moteur pas à pas
Comme le montre la figure 3.1, la structure du circuit d'entraînement du moteur pas à pas peut généralement être divisée en moteurs bipolaires et moteurs unipolaires : moteurs unipolaires grâce à la conduction alternative de l'enroulement pour obtenir un changement de direction du flux, moteurs bipolaires grâce au contrôle du pont H- pour obtenir un changement de direction du courant pour obtenir un changement de direction du flux.
Le moteur unipolaire n'a besoin que de 4 puissances MOS, contrôle unipolaire du courant (du point de vue du tube MOS), mais l'enroulement du moteur a besoin d'un robinet supplémentaire ; Le moteur bipolaire est de structure plus simple, deux enroulements sont fortement utilisés, mais il doit être augmenté à 8 puissance MOS pour la conduite, et le coût du contrôleur augmentera.
Figure 3.1 Entraînements de moteur pas à pas unipolaire et bipolaire
En plus de la subdivision dans la structure du moteur, les moteurs pas à pas peuvent également contrôler la précision de la subdivision du moteur pas à pas en contrôlant la forme d'onde du courant. Le principe de la subdivision est d'insérer le courant sinusoïdal simulé entre les plus petits angles de pas pour subdiviser les angles de pas, également appelé subdivision de courant.
Figure 3.2 Répartition du courant d'entraînement du moteur pas à pas
3.1 Courant en boucle fermée
Le réglage actuel du moteur pas à pas doit être déterminé en fonction de la demande de la charge, plus la charge est grande, plus le courant de commande doit être important, mais le contrôle en boucle ouverte-du moteur pas à pas ne peut pas détecter la taille de la charge, ce qui entraîne souvent l'inefficacité du lecteur en boucle ouverte-. La subdivision du courant nécessite un contrôle précis du courant, la nécessité de former une boucle fermée du courant contrôlé, c'est-à-dire une sortie de courant pour les caractéristiques de courant constant ; d'autre part, en raison du changement non linéaire de la magnétorésistance dans le moteur pas à pas, il est nécessaire de toujours surveiller la taille du courant de sortie pour éviter que le noyau ne sature le courant provoqué par la perte de contrôle. Figure 3.3 ci-dessous, pour le schéma de forme d'onde de contrôle de courant de la puce de pilote de moteur pas à pas TB67S109AFNG. Fchop pour le cycle de commutation interne, via la division de fréquence de l'horloge interne (OSC interne).
Les étapes spécifiques de contrôle à courant constant sont les suivantes :
Le pont H- est conducteur, le courant monte rapidement jusqu'à NF et la pente de montée du courant est de VDC/Ls.
Atteignez le point de courant réglé NF, éteignez le pont H-, le courant est renouvelé par la diode de renouvellement, et la pente de chute est de -VDC/Ls (changement rapide)
Lorsque le courant atteint la valeur de ligne inférieure du point de consigne, contrôlez le pont H- pour court-circuiter la bobine d'inductance (généralement le pont inférieur) et maintenez le courant constant (changement lent).
Lorsque le courant du point de consigne change, le pont H- passe par la même stratégie de contrôle pour contrôler le courant dans le dernier point de consigne de courant afin qu'il reste constant.
Comme le montre la figure 3.4, est la forme d'onde mesurée du moteur pas à pas, si la subdivision de la précision de l'inférieur peut être vue comme une étape évidente-comme la forme d'onde actuelle. Si le degré de subdivision est très élevé, alors le courant est plus proche d'un courant sinusoïdal, comme le montre la figure 3.5.
Figure 3.3 Contrôle de courant TB67S109AFNG
Figure 3.4 Courant mesuré du moteur pas à pas (non subdivisé)
Figure 3.5 Courant mesuré du moteur pas à pas (subdivision)3.2 Contrôle en boucle ouverte-et-en boucle fermée
Avec le contrôle en boucle ouverte-, puisqu'il n'y a pas de retour d'informations sur la position du rotor, on ne sait pratiquement pas si le système est suivi ou non par le contrôle. S'il y a une anomalie de charge, il est facile de faire perdre des pas au moteur pas à pas. Dans certaines applications de haute -précision et haute-performances, via l'encodeur ou d'autres capteurs de position, revenir aux informations de position, de sorte que le système d'entraînement pas à pas puisse savoir si la perte de pas s'est produite ou non, si la perte de pas compensera la perte d'impulsion dans le contrôle du contrôle est également relativement facile à réaliser.
Résumé
Cet article décrit brièvement la structure de base des moteurs à réluctance variable et leur évolution vers les moteurs pas à pas, et compare la structure et la logique de contrôle de plusieurs moteurs pas à pas courants. Le principe de contrôle du moteur pas à pas et les détails de contrôle de la subdivision actuelle sont introduits pour fournir une compréhension plus complète des moteurs pas à pas.