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moteurs pas à pas

SOMMAIRE


Les Moteurs pas à pas :
   Les moteurs à réluctance variable
    Les moteurs bipolaires
    Les moteurs unipolaires

La commande des moteurs pas à pas :

    Les circuits spécialisés
        Le circuit intégré TEA3717
        Le circuit intégré MC3479C
        Les circuits intégré L297 et L298

    Annexes
        Différents type de moteurs pas à pas
        Spécification du L297
        Spécification du L298
 
 




Les moteurs pas à pas


 














Les moteurs pas à pas se divisent en deux catégories :

Les moteurs à aimants permanents se subdivisent en deux type principaux : Mais qu段ls soient d置n type ou d置n autre, le résultat recherché est l誕vance d置n seul pas à chaque impulsion que le moteur recevra, c弾st à dire que son axe effectuera à chaque pas une rotation d置n angle déterminé. Cet angle, selon le moteur, peut varier dans de grande proportion :

il peut avoir une valeur comprise entre 0,9° et 90°. Les valeurs les plus couramment rencontrées sont :

Il va sans dire que la précision de ces moteurs est infiniment grande et que leur usure mécanique est pratiquement inexistante, ce qui les rend tout à fait adaptés au matériel informatique : On les utilise également en robotique où une précision inférieure au 1/100e de mm est recherchée. Les tensions d誕limentation utilisées par les moteurs pas à pas et le courant consommé sont d置ne valeur extrêmement variables. D置ne façon générale, la gamme sétend de 3 à 4 volts et quelque dizaines de mA à plusieurs dizaines de volts et plusieurs ampères. Il est évident qu置n moteur consommant plusieurs ampères représentera un couple plus important qu置n moteur ne consommant qu置ne centaine de mA. Le couple peut-être mesuré en kg par cm, ce qui équivaut au poids en kilogramme que pourra soulever un moteur dont l誕xe sera muni d置n bras de longueur exprimé en centimètres.

Les moteurs récupérés dans le matériel informatique ne présentent pas un couple important (quelques dizaine de grammes par cm), et il conviendra d弛pérer, à l誕ide de pignons, une réduction de la vitesse de rotation afin d弾n augmenter la force.
 

Les moteurs à réluctance variable
 
 

Un moteur à réluctance variable possède un rotor en acier doux non magnétique. Ce rotor est constitué d置n nombre de pôles supérieurs à celui du stator.
 
 







 






















La figure 1 représente le schéma simplifié d置n tel moteur pas à pas. Ce dernier se commande à la façon d置n modèle unipolaire, en alimentant une paire de pôles du stator afin d誕ligner les pièces polaires du rotor avec les enroulements alimentés. Trois séquences pour l誕limentation des phases peuvent être utilisées :

1 A

2 C

3 B

4 D

1 AC

2 CB

3 BD

4 DA

1 A

2 AC

3 C

4 BC

5 B

6 BD

7 D

8 DA

Le circuit électronique de commande de ce moteur est simple puisqu段l ne réclame, dans sa version la plus simple, que quatre transistors utilisés en commutation (figure 2).
 
 



 


Les moteurs bipolaires

Le schéma électrique d置n moteur bipolaire est donné en figure 3. Il est bien entendu simplifié et son angle de rotation par pas est ici de 90°.
 
 



 


La constitution de ce type de moteur est la suivante :

Un aimant permanent est solidaire de l誕xe du moteur et sa rotation s弾ffectue entre les différents pôles du stator supportant les enroulements. Ces derniers devront être alimentés par un courant changeant de sens à chaque pas effectué, selon les trois séquences suivantes :
 
 

1°/ Mode " monophasé "

La première séquence ne réclame que l誕limentation d置n seul enroulement à chaque pas. Le couple développé par le moteur n弾st pas très important. Le schéma de la figure 4a montre la chronologie à respecter.
 
 



 




On alimente :

AB

CD

BA

DC

AB


 
 

2°/ Mode " biphasé "

La seconde séquence est obtenue par l誕limentation simultanée des deux phases. C弾st le procédé le plus courant et celui qui donne le couple maximum. On se reportera en figure 4b afin de comprendre ce type de commande.
 



 




3°/ Mode demi-pas

Cette troisième séquence est représentée en figure 4c. Là, le moteur est commandé en biphasé, puis en monophasé, puis en biphasé, etc. On arrive ainsi à doubler le nombre de pas d置n moteur et à augmenter sa précision.
 



 






Malheureusement, le couple est évidemment irrégulier. et la commande électronique de ce type de moteur est plus complexe si on veut la réaliser à l誕ide de transistors. En effet, le courant devant être inversé, un pont de quatre transistors par phase doit être utilisé, comme représenté en figure 5. On peut également n置tiliser que deux transistors, mais dans ce cas, une alimentation symétrique sera nécessaire (figure 6).
 



 
 


 




Les moteurs unipolaires

Le schéma théorique d置n moteur unipolaire est donné en figure 7.
 



 




On peut considérer que ce type de moteur est identique au moteur bipolaire, à une différence prés :

afin d段nverser le sens du courant, les enroulements sont réalisés à l誕ide de deux fils dont l置ne des extrémités est relié à la masse (ou au plus de l誕limentation).

Il suffit alors d誕limenter les enroulements à tour de rôle afin d弛btenir la rotation de l誕xe du moteur, et selon la même séquence vue pour le moteur à réluctance variable.

Un moteur unipolaire présentera, à dimension équivalentes, un couple moins important qu置n moteur bipolaire. La commande d置n moteur pas à pas unipolaire ne nécessitera que quatre transistors NPN qui seront commandé à tour de rôle, par exemple, à l誕ide de porte logiques.
 
 

Le dessin de la figure 8 représente les modes de commande schématisés pour les deux types principaux de moteurs.
 
 


 




Pour conclure cette brève description, signalons que ces moteurs (bipolaires et unipolaires) ne peuvent présenter des vitesses de rotation très élevées. Cette limitation est en grande partie due à la tension induite par le rotor dans le stator et produisant une force contre-électromotrice. Si l弛n désire des vitesses supérieures, il conviendra d置tiliser les moteurs à réluctance variable, dont le rotor est, comme nous l誕vons dit plus haut, en fer doux non magnétique, et qui n段nduit donc pas de tension dans le stator.



 


La commande des moteurs pas à pas :

Les circuits intégrés spécialisés


 






Il est facile, comme nous le verrons dans les pages suivantes consacrées aux montages pratiques, de réaliser une commande électronique de moteur pas à pas à l誕ide de commande de composants discrets :

Des transistors de puissances commandés par des portes logiques avec un dispositif de limitation de courant. Mais il est encore plus simple d置tiliser des circuits intégrés spécialisés, circuits ne nécessitant que quelques composants externes et simplifiant au maximum l弾nvoi des séquences de commande. Ils disposent en outre de toutes les fonctions telles que le sens de rotation, le mode demi-pas, la mise en haute impédance des sorties (moteur libre), etc.

Nous vous proposons maintenant la présentation de quatre d弾ntre eux, choisis parmi les plus utilisés, et donc facilement disponibles. Cette présentation permettra une mise en 忖vre facile des circuits présentés.
 

Le circuit intégré TEA3717

Caractéristiques générales :

Le brochage du TEA3717 est donné en figure 9.


 




Le circuit est destiné à la commande d置n enroulement d置n moteur pas à pas bipolaire. Il convient donc d置tiliser deux circuits afin de piloter le moteur. Il comporte en interne deux entrées compatibles T.T.L., un palpeur de courant, un monostable et un étage de sortie à quatre transistors protégé par des diodes.
 


Le schéma de la figure 10 représente la constitution interne du circuit intégré et indique les composants externes à câbler pour sa mise en 忖vre.


 




Deux circuits seront à réaliser afin d弛btenir une commande complète. Les entrées logiques I0 et I1 permettent de déterminer le courant du pont de sortie par commutation des trois comparateurs internes :

I0 I1 NIVEAU DU COURANT

H H annulation du courant de sortie

L H courant faible

H L courant moyen

L L courant maximum

La valeur du courant traversant le bobinage du moteur dépend également de la valeur de la tension de référence appliquée sur l弾ntrée VR et de la valeur de la résistance RS (du palpeur de courant). Ce palpeur de courant, outre la résistance RS, est constitué d置n filtre passe-bas et de trois comparateurs. Seul l置n de ces derniers peut être actif dans le même temps.

La limitation de courant fonctionne de la façon suivante :

Le courant traversant l弾nroulement du moteur traverse également la résistance RS. Lorsque le courant a augmenté de telle sorte que la tension aux bornes de la résistance devient supérieure à la tension de référence appliquée sur l置ne des entrées du comparateur sélectionné, la sortie de ce dernier passe à létat haut ce qui enclenche le monostable. Le courant est alors annulé durant une durée fixe appelée Toff. Cette durée est donnée par la formule :
 


Toff=0,69.Rt.Ct


 


Lorsque la durée de fonctionnement du monostable est achevée, sa sortie repasse à létat bas et le courant est rétabli dans l弾nroulement du moteur jusqu'à un nouvel enclenchement. Létage de sortie est constitué de quatre transistors darlington connectés en pont. Les deux transistors qui seront commutés alimenteront l弾nroulement du moteur, lui délivrant un courant constant.
 

Le circuit intégré MC3479C

Le circuit intégré MC3479C permet le pilotage d置n moteur pas à pas bipolaire. Un seul circuit est nécessaire. Il est constitué de quatre entrées (au standard T.T.L.) de sélection commandant un circuit logique. Ce circuit pilote deux drivers de puissance auxquels sont connectés les deux enroulements du moteur bipolaire. Le dessin de la figure 11 représente le schéma interne du MC3479C ainsi que son brochage.
 
 



 


Ses principales caractéristiques sont les suivantes :

Certaines des broches du circuit ont un rôle particulier et nécessitent une explication :
  1. broches 4, 5, 12 et 13

  2. Ce sont les broches de masse du MC3479C. outre leur rôle d誕limentation, elles sont utilisées afin de dissiper la chaleur produite par le boîtier. Le circuit imprimé devra donc être conçu de telle sorte qu置n large plan de masse parviennent à ces broches.
     
  3. broche 1

  4. Connexion d置ne diode de clamp. Cette entrée est utilisée afin de protéger les sorties lorsque des pointes de tension élevées apparaissent lors de la commutation des enroulements des moteurs. Cette diode doit être connectée entre la broche 1 et la broche 16 (Vs)
     
  5. broche 6 BIAS/SET
Cette broche est en principe portée à un potentiel de Vs-0.7V. le courant sortant, à travers une résistance connectée à la masse, détermine le courant maximal disponible aux bornes du moteur. On peut ainsi, en faisant varier la valeur de la résistance, diminuer le courant d誕limentation lorsque le moteur est à l誕rrêt. lorsque cette broche est laissée " en l誕ir ", les sorties de puissances se trouvent en état de haute impédance. Les circuits intégrés L297 et L298

Bien que conçus afin de fonctionner conjointement, ces deux circuits peuvent être utilisés séparément.

Le circuit intégré L297, dont le schéma interne est donné en figure 12, simplifie notablement la commande d置n moteur pas à pas. Le c忖r de ce circuit es un bloc appelé translateur qui génère les séquences d誕limentation des différentes phases du moteur, en demi-pas, en pas entier une phase et en pas entier deux phases.

Ce translateur est commandé par deux entrées logiques :

Le sens de rotation (CW / CCW) et

le mode de fonctionnement en demi-pas ou en pas normal (Half / Full).

Une troisième broche est l弾ntrée CLOCK qui permet l誕vance d置n pas vers le suivant. Le translateur contient en interne en compteur à trois bits et quelque circuits logique qui permettent de générer une séquence basique de huit pas, comme représenté sur la figure 13.
 
 


 


Les trois séquences de commande citées plus haut peuvent être facilement obtenues à partir de cette séquence de base.

Le circuit intégré L297 possède quatre sorties de commande des étages de puissance, ainsi que deux sorties supplémentaires d段nhibition de ces étages (lorsqu段l est utilisé avec le L298). Ces deux sorties sont commandées par une logique interne elle-même déclenchée par deux comparateurs.

Ces deux comparateurs mesurent la valeur de la tension présente aux bornes de deux résistances due au courant traversant les enroulements du moteur. Lorsque la valeur de cette tension dépasse celle de la tension de référence, l誕limentation du moteur est coupé jusquà ce que la valeur du courant diminue. Nous avons vu ce type de fonctionnement dans la description du TEA3717.
 
 

Le circuit intégré L298 contient deux étages de puissance configurés en pont, chacun commandé par deux entrées logiques (A, B et C, D) ainsi que deux entrées de validation (INH1 et INH2). De plus deux broches sont connectées en interne aux émetteurs des transistors (paires inférieures) qui permettent la connexion de résistances palpeuses de courant.

Le schéma interne du L298 est donné en figure 14.
 


Celui-ci permet de disposer d置n courant important (2,5A) sous une tension élevée (46V). la puissance obtenue peut ainsi atteindre environ 200W, ce qui permet l誕limentation de moteurs puissants présentant des résistances de bobinage faibles. Il va sans dire que dans ce cas, le circuit devra être fixé sur un dissipateur thermique de dimensions convenables.

Comme on le constate sur le schéma, le L298 possède deux broches d誕limentation :

L置ne pour le moteur (Vs) et

L誕utre pour la logique interne (Vss, +5V)

Ce qui permet de limiter la dissipation du boîtier.

Il est à noter que, contrairement à la majorité des circuits, le L298 ne contient pas les diodes de protections des transistors internes. Il conviendra donc de les câbler à l弾xtérieur du boîtier. Ces diodes devront présenter des temps de commutation faible et devront être capable de laisser passer un courant important.

Le L298 est présenté en boîtier MULTIWATT à 15 broches, ce qui simplifie sa fixation sur un refroidisseur.



 


ANNEXES :


 




Différents type de moteurs pas à pas :
 



 


Spécification du L297 :

 



 


Spécification du L298 :


 
 


 


 



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