Les systèmes de moteurs pas à pas sont un pilier de l'industrie du contrôle de mouvement. Nous examinerons les différences entre les systèmes en boucle ouverte et les systèmes en boucle fermée, et expliquerons les dernières avancées qui rendent les systèmes de moteurs pas à pas encore plus rapides, plus silencieux et plus économes en énergie.

Les systèmes de moteurs pas à pas ont parcouru un long chemin depuis les débuts des variateurs de tension et du pas complet. D'abord apparurent les variateurs PWM et le micropas, puis les processeurs de signaux numériques (DSP) et les algorithmes anti-résonance. Aujourd'hui, la nouvelle technologie des moteurs pas à pas en boucle fermée garantit que les moteurs pas à pas resteront un pilier du secteur du contrôle de mouvement pour les années à venir.

Que le mouvement soit linéaire ou rotatif, le couple et le rendement sont deux critères essentiels pour déterminer le moteur et les systèmes d'entraînement les plus adaptés. Cela s'applique que l'application finale soit un système d'assemblage automatisé, une machine de manutention, une imprimante 3D, un positionneur cartésien, une pompe péristaltique ou l'une des innombrables autres applications pour lesquelles les moteurs pas à pas constituent une technologie privilégiée.

La dernière avancée en matière de systèmes pas à pas réside dans l'utilisation de dispositifs de rétroaction économiques et haute résolution, ainsi que de DSP avancés, pour boucler le mouvement du moteur pas à pas. Ces commandes améliorent les performances du moteur pas à pas en boucle fermée et surpassent ainsi celles des systèmes en boucle ouverte. Comme nous le verrons, un tel système en boucle fermée est implémenté sur un moteur intégré comprenant un dispositif de rétroaction, des cartes de commande et de contrôle, des circuits électroniques d'alimentation, de communication et d'E/S, ainsi que des connecteurs côté moteur et à l'arrière.

Systèmes pas à pas en boucle ouverte ou en boucle fermée
Commençons par examiner comment les systèmes pas à pas en boucle fermée hautes performances se comparent aux systèmes pas à pas en boucle ouverte traditionnels en termes de couple et d’efficacité.

Les systèmes pas à pas en boucle fermée offrent des performances supérieures à celles des systèmes en boucle ouverte, comme le démontrent les résultats de tests en laboratoire comparant l'accélération (couple), le rendement (consommation d'énergie), l'erreur de position (précision), la production de chaleur et les niveaux de bruit des deux systèmes. Il suffit d'observer la relation entre couple et accélération. Les courbes couple-vitesse montrent les plages de couple maximal et continu d'un système pas à pas en boucle fermée, ainsi que la plage de couple utilisable d'un système pas à pas en boucle ouverte. Très souvent, le couple se traduit par une accélération : les moteurs à couple plus élevé peuvent donc accélérer plus rapidement une charge donnée.

Pour tester cette différence de couple en laboratoire, des moteurs pas à pas de même taille, en boucle ouverte et en boucle fermée, reçoivent des charges inertielles identiques. La programmation commande aux deux systèmes d'effectuer des profils de mouvement identiques, à la différence que le taux d'accélération et la vitesse maximale augmentent progressivement dans chaque système jusqu'à ce qu'ils génèrent des erreurs de positionnement.

Supposons que le système en boucle ouverte obtienne un taux d'accélération maximal de 1 000 tr/s²et une vitesse de pointe de 10 tr/s (600 tr/min). Cette vitesse maximale de 10 tr/s correspond à la fin de la partie plate de la courbe couple-vitesse. Le système en boucle fermée (grâce à sa capacité de production de couple plus élevée) atteint une accélération maximale de 2 000 tr/s.²et une vitesse de pointe de 20 tr/s (1 200 tr/min). Cela représente deux fois les performances du système en boucle ouverte et divise presque par deux le temps de déplacement, passant de 110 ms à 60 ms.

Pour les applications nécessitant un débit élevé (telles que l'indexation, le positionnement des guides de bord et les systèmes de prélèvement et de placement), le système en boucle fermée offre un avantage de performance évident.

Efficacité en boucle ouverte et en boucle fermée

Pour mesurer l'efficacité relative d'un système en boucle ouverte et d'un système en boucle fermée, supposons que nous répétions le même test avec les deux mêmes moteurs de même puissance. Cette fois, les moteurs en boucle fermée et en boucle ouverte fonctionnent côte à côte avec les mêmes charges d'inertie, mais la programmation maintient les profils de mouvement constants et égaux, de sorte que les deux systèmes effectuent le même travail.

Tandis que les deux moteurs suivent le même profil de mouvement de manière répétée, le courant absorbé par l'alimentation CC alimentant les deux systèmes est mesuré et la consommation électrique est calculée. Comme le montrent les courbes de valeurs, la consommation électrique moyenne du système pas-à-pas en boucle ouverte est de 43,8 watts, tandis que celle du système en boucle fermée n'est que du tiers de celle-ci, soit 14,2 watts en moyenne. Cette différence considérable de consommation électrique témoigne clairement du rendement supérieur du système en boucle fermée. Tout utilisateur souhaitant améliorer le rendement de son système pas-à-pas en boucle ouverte peut désormais envisager une simple mise à niveau vers un système en boucle fermée et espérer une consommation nettement inférieure.

Comment gérer le chauffage du moteur

L'étude de l'échauffement du moteur constitue une extension naturelle des tests de consommation d'énergie. Les systèmes pas à pas en boucle ouverte sont des machines simples d'utilisation. Il suffit de régler le variateur sur le courant nominal du moteur, et celui-ci fera de son mieux pour fournir ce courant au moteur à tout moment, que le couple résultant soit nécessaire ou non. Cela génère souvent de la chaleur plutôt que de l'énergie pour la fonction applicative ; c'est pourquoi les systèmes pas à pas en boucle ouverte chauffent généralement plus que leurs homologues en boucle fermée. Cela implique également que les concepteurs de machines doivent prendre des mesures supplémentaires pour gérer cet échauffement, souvent en intégrant des protections spéciales autour des moteurs pas à pas qui fonctionnent à proximité d'opérateurs, ou en installant des systèmes de refroidissement supplémentaires tels que des ventilateurs.

Considérons les résultats d'un essai d'échauffement de moteur réalisé en laboratoire avec les mêmes systèmes en boucle ouverte et en boucle fermée que précédemment. Lors de cet essai, les deux systèmes produisent à nouveau la même quantité de travail, entraînant les mêmes charges d'inertie, et fonctionnent jusqu'à atteindre l'équilibre thermique. Le système en boucle ouverte atteint une température de boîtier de 76,0 °C, tandis que le système en boucle fermée atteint l'équilibre thermique à seulement 36,9 °C, soit moins de la moitié de celle du système en boucle ouverte. Cette réduction significative de l'échauffement du moteur peut se traduire par une réduction des coûts des composants pour les constructeurs de machines, car ils peuvent se passer de sous-systèmes de protection et de refroidissement supplémentaires.

Fini les moteurs bruyants

Une autre plainte fréquente concernant les systèmes pas à pas en boucle ouverte est leur bruit audible important. Dans certains environnements, comme les laboratoires, les hôpitaux et les bureaux, ce bruit peut poser un réel problème aux concepteurs de machines.

Le bruit émis par les moteurs pas à pas provient de la fréquence électrique élevée et des variations rapides du flux dans les dents du stator, ainsi que du fait que les systèmes en boucle ouverte fonctionnent à pleine intensité nominale, quelle que soit la charge. Les systèmes pas à pas en boucle fermée, quant à eux, fournissent au moteur juste assez de courant pour contrôler la charge, ce qui se traduit par un bruit beaucoup moins audible.

Pour obtenir les résultats de test présentés dans le graphique du bruit acoustique accompagnant cet article, le bruit acoustique de chaque système est mesuré dans une chambre insonorisée. Le système en boucle fermée est nettement plus silencieux que le système en boucle ouverte à des vitesses comprises entre 0 et 20 tr/s. Cette plage de vitesse correspond à la plage de vitesse réelle des applications où les moteurs pas à pas sont le plus souvent utilisés. Cela signifie que la grande majorité des applications de moteurs pas à pas pourraient bénéficier d'une réduction du bruit moteur en passant à des systèmes en boucle fermée.

Meilleure précision du moteur pour éliminer les erreurs de position

Les systèmes de moteurs pas à pas en boucle ouverte sont appréciés pour leur capacité à positionner précisément des charges sans mécanisme de rétroaction ni système de contrôle en boucle fermée, mais uniquement si le système en boucle ouverte dispose d'une marge de couple suffisante pour éviter les erreurs de position en fonctionnement normal. Pour une précision accrue et une conception plus robuste, la fermeture de la boucle de position du servomoteur autour de la rétroaction du codeur haute résolution permet aux systèmes en boucle fermée de compenser automatiquement les augmentations de couple qui, autrement, entraîneraient des erreurs de position dans les systèmes en boucle ouverte. Cela améliore considérablement la précision globale du système, en particulier pour les applications hautement dynamiques telles que les systèmes de placement et les imprimantes 3D, qui nécessitent des mouvements courts et rapides et des changements de direction fréquents.

Mise à niveau des systèmes pas à pas existants

Parmi les composants d'un système intégré de moteur pas à pas, les coûts du moteur, de l'amplificateur de puissance et des communications n'augmentent généralement pas lors du passage d'une boucle ouverte à une boucle fermée. L'électronique de commande peut nécessiter un peu plus de puissance de traitement centrale ou de mémoire pour asservir le moteur, mais cela n'a généralement pas d'impact sur les prix catalogue. Une grande partie de la différence de coût entre les systèmes pas à pas en boucle ouverte et en boucle fermée réside dans l'ajout d'un dispositif de rétroaction haute résolution, mais les améliorations de fabrication ont rendu ces dispositifs de plus en plus abordables. Ainsi, les systèmes pas à pas en boucle fermée conservent désormais les avantages économiques des systèmes pas à pas en boucle ouverte par rapport aux autres types de systèmes de positionnement, comme les servomoteurs traditionnels, mais avec des performances considérablement accrues dans presque tous les domaines. En général, les économies d'énergie et le rendement accru d'un système en boucle fermée compensent rapidement la légère augmentation du coût du dispositif de rétroaction.

Outre une augmentation de coût minimale, la mise à niveau d'un système pas-à-pas en boucle ouverte vers un système en boucle fermée est simplifiée grâce aux options de dimensions de châssis NEMA. Un moteur pas-à-pas NEMA 23 en boucle fermée présente les mêmes dimensions de châssis, diamètre de pilote, cercle de perçage et diamètre de perçage qu'un moteur pas-à-pas NEMA 23 en boucle ouverte ; les supports de montage restent donc identiques. Le couple plus élevé du système en boucle fermée implique un diamètre d'arbre plus important, mais ce problème peut généralement être résolu facilement par un simple changement de l'accouplement d'arbre.