Moteur pas à pas

Thèmes:

Préface
Moteur pas à pas à aimant permanent (type PM)
Moteur pas à pas à réluctance variable (VR)
Moteur pas à pas hybride

Préface:
Un moteur pas à pas, comme son nom l’indique, peut être réglé en plusieurs étapes. Le nombre d'étapes peut varier. Selon l'application, le moteur pas à pas peut s'ajuster de 4 à 200 pas par rotation, ce qui peut équivaloir à une rotation contrôlée de 0,8° de rotation du rotor.
La rotation angulaire d'un moteur pas à pas peut être déterminée de manière très précise. Le moteur pas à pas est essentiellement un moteur électrique synchrone à courant continu sans balais de charbon car les pièces et les méthodes de contrôle sont très similaires, mais il se distingue néanmoins de ce moteur DC par les propriétés suivantes :

Un moteur pas à pas a un couple relativement important à basse vitesse et peut donc démarrer très rapidement à partir d'un arrêt ;
Le mouvement d'un moteur pas à pas est lent et très précis. Le moteur à courant continu est utilisé pour pouvoir fonctionner rapidement pendant une longue période ;
La vitesse de rotation et la position du moteur pas à pas sont contrôlées par un signal de commande provenant de l'unité de commande. Cela signifie qu'aucun capteur de position ou autre forme de retour n'est requis ;
Un moteur pas à pas fait plus de bruit et provoque plus de vibrations qu’un moteur à courant continu sans balais.

Le moteur pas à pas est utilisé à de nombreux endroits de la voiture pour que les pièces effectuent un mouvement électrique contrôlé. Vous trouverez ci-dessous trois applications dans lesquelles le moteur pas à pas peut être trouvé, à savoir : pour le contrôle du ralenti, les mains dans le tableau de bord et les vannes de chauffage pour le contrôle de la ventilation.

Moteur pas à pas pour le contrôle du ralenti :
Le papillon des gaz d'un moteur à essence est fermé au repos. Une petite ouverture est nécessaire pour permettre au moteur de tourner au ralenti. Le passage doit également être réglable, car la température et la charge (par exemple lorsque des consommateurs tels que la pompe de climatisation sont allumés) influencent la quantité d'air aspirée requise.
Dans les moteurs modernes, la position du papillon des gaz est contrôlée avec précision. On trouve également des systèmes dans lesquels le papillon des gaz est complètement fermé et l'air est guidé autour du papillon des gaz via une commande de dérivation. La circulation de l'air peut être réalisée soit via un moteur à courant continu contrôlé par PWM, soit par un moteur pas à pas. Voir la page sur le Manette de Gaz.

Les trois images ci-dessous représentent un moteur pas à pas qui sert de contrôleur de ralenti. L'ouverture du by-pass est commandée par l'arbre à extrémité conique. La rotation de l'induit dans le moteur pas à pas entraîne une rotation de l'engrenage à vis sans fin.

Tourner dans le sens inverse des aiguilles d'une montre : la vis sans fin tourne vers l'intérieur (grande ouverture dans le bypass) ;
Rotation dans le sens des aiguilles d'une montre : la vis sans fin tourne vers l'extérieur (petite ouverture dans le by-pass).

Tableau de bord:
Le tableau de bord est souvent équipé de plusieurs moteurs pas à pas pour l'indicateur de niveau du réservoir, le compteur de vitesse, le compte-tours, la température du moteur et dans l'exemple ci-dessous également le compteur de consommation sous le compte-tours. Le tableau de bord d'une BMW est présenté ci-dessous.

À l'arrière (à l'intérieur) du tableau de bord se trouvent les cinq moteurs pas à pas avec boîtier noir. A droite, nous voyons le moteur pas à pas en question sans boîtier. Ici, vous pouvez clairement voir les deux bobines et les quatre connexions (deux à gauche, deux à droite) grâce auxquelles on peut reconnaître le moteur pas à pas bipolaire. Le moteur pas à pas peut ajuster les aiguilles du pointeur par petites étapes. La commande de réglage provient de l'ECU du groupe d'instruments.

Le schéma suivant montre les entrées et sorties du pilote de moteur pas à pas. Il s'agit du circuit intégré du combiné d'instruments qui traduit les informations entrantes en sortie pour le moteur pas à pas :

niveau de carburant dans le réservoir (flotteur du réservoir) ;
vitesse du véhicule (générateur d'impulsions dans la boîte de vitesses ou capteurs ABS) ;
régime moteur (capteur de position du vilebrequin);
température (capteur de température d'eau).

Dans le schéma fonctionnel, les flèches rouges et vertes montrent les connexions (A à D) sur les bobines du moteur pas à pas.

Vannes de guidage d'air dans le poêle :
Nous trouvons souvent des moteurs pas à pas dans les vannes de purge d'air à commande électronique dans le maison de poêle. Les images ci-dessous montrent une photo d'une vanne de température d'air (à gauche) et une illustration de la position d'installation (à droite). Le moteur pas à pas actionne la vanne au moyen du mécanisme, où le numéro 4 sur l'illustration indique le point de pivotement. Si le moteur pas à pas ne fonctionne pas correctement ou après remplacement, les positions de début et de fin doivent être indiquées dans l'ECU. Avec un équipement de diagnostic, nous pouvons apprendre les arrêts de la vanne, de sorte que l'ECU sache quand la vanne est complètement ouverte ou fermée, afin qu'il puisse également déterminer combien de temps il doit entraîner le moteur pas à pas pour ouvrir partiellement la vanne.

Moteur pas à pas à aimant permanent (type PM) :
Ce type de moteur pas à pas possède un rotor avec un aimant permanent. L'avantage de ce moteur pas à pas est sa construction simple et donc son faible prix de revient. Vous trouverez ci-dessous des informations sur le fonctionnement de ce moteur pas à pas.

Le rotor du moteur pas à pas peut effectuer une rotation complète avec plusieurs étapes intermédiaires. Dans l'exemple des quatre images ci-dessous, quatre étapes intermédiaires sont affichées par rotation. Le rotor peut donc être arrêté tous les 90 degrés. Le moteur pas à pas gauche est en position 1, avec le pôle nord du rotor en haut et le pôle sud en bas. Pour déplacer le rotor de 90 degrés dans le sens des aiguilles d'une montre, le courant vers la bobine avec les bornes C et D est interrompu et l'autre bobine est alimentée. Cela peut être vu dans le deuxième moteur pas à pas. La chaussure du pôle gauche devient rouge (le pôle nord) et celle de droite devient noire (le pôle sud). Cela mettra le rotor en position 2.

Cela fonctionne également de cette façon avec les paramètres 3 et 4 ; la bobine entre C et D est alimentée pour la position 3, mais le courant circule dans le sens opposé à celui de la position 1. Le sabot polaire supérieur est maintenant le pôle nord et celui du bas est le pôle sud. Le rotor sera maintenant en position 3. Pour la position 4, la bobine inférieure est à nouveau alimentée et le rotor tournera en position 4.

Le moteur pas à pas à quatre vitesses peut être arrêté tous les 90 degrés. Si cela ne suffit pas pour l'application pour laquelle le moteur pas à pas est utilisé, il peut également être réglé sur huit étapes. Ceci est possible avec le même moteur pas à pas, mais pendant ces étapes intermédiaires, les deux bobines seront alimentées simultanément.

L'image ci-dessous montre ces étapes intermédiaires. Ce sont les étapes 5 à 8. Comme vous pouvez le voir, le réglage 5 se situe entre les étapes 1 et 2. Il en va de même pour l'étape 6 (entre les étapes 2 et 3), etc. Durant ces étapes intermédiaires, un courant circule dans les deux bobines.
Lorsque le rotor doit être tourné au pas 5, un courant circule à la fois dans la bobine inférieure de A vers B et dans la bobine supérieure de C vers D. Il y a donc maintenant deux pôles nord (les chaussures rouges) et deux pôles sud (les chaussures noires). Le rotor sera en position 5.

Pour faire tourner le rotor de 45 degrés supplémentaires (jusqu'à la position 2), le schéma du moteur pas à pas à quatre positions s'applique à nouveau. La bobine inférieure sera à nouveau alimentée pour permettre à un courant de circuler de A à B.
Si le moteur pas à pas est ensuite tourné de 45 degrés supplémentaires (jusqu'à la position 6), l'image ci-dessus s'appliquera à nouveau, avec les deux bobines sous tension.

Le moteur pas à pas est toujours contrôlé par un appareil de commande. Les transistors du circuit intégré de commande du dispositif de commande assurent l'alimentation et la décharge du courant vers et depuis les sabots polaires. L'unité de commande contient huit transistors. En contrôlant correctement ces huit transistors, le moteur pas à pas fera un tour complet en quatre ou huit pas. La rotation peut s'effectuer dans deux sens ; gauche et droite. Le dispositif de contrôle garantit que les transistors corrects sont rendus conducteurs.

Sur l'image, nous voyons un moteur pas à pas contrôlé par un dispositif de contrôle. Les transistors 1 et 4 sont passants. Pour clarifier le contrôle, les transistors et les fils sont colorés en rouge et marron. Le transistor 1 (rouge) connecte la borne A au positif et le transistor 4 (marron) connecte la borne B à la masse.

Étant donné que les transistors 2 et 3 ne sont pas passants, aucun courant ne les traverse. Si tel était le cas, un court-circuit se produirait.
Dans l'image, le moteur pas à pas tourne un peu plus loin. A cet effet, les transistors 6 et 7 doivent également être rendus conducteurs.

Pour permettre au moteur pas à pas de tourner encore un peu, la conduction des transistors 1 et 4 s'arrête. Seuls les transistors 6 et 7 restent conducteurs, faisant passer le moteur pas à pas en position 3.

Pour l'étape suivante, les transistors 2 et 3 doivent être rendus passants.

Moteur pas à pas à réluctance variable (VR) :
Comme le moteur pas à pas à aimant permanent, le moteur pas à pas à réluctance variable contient des pôles de stator avec des bobines. Il se distingue du moteur pas à pas évoqué précédemment par son rotor denté en métal ferromagnétique, comme le nickel ou le fer. Cela signifie que le rotor n'est pas magnétique. Ce type de moteur pas à pas est rarement utilisé de nos jours.

La bobine du stator d'un côté (A) est enroulée dans le sens opposé à la bobine de l'autre côté (A'). La même chose s'applique bien sûr à B et B', etc. Les dents du rotor sont attirées par le flux magnétique créé par l'excitation des bobines du stator.

Les avantages du moteur pas à pas VR par rapport à la version à aimants permanents sont :

En raison de l'absence d'aimants permanents, la production du moteur pas à pas VR est moins nocive pour l'environnement ;
Il n’est pas nécessaire d’inverser la polarité des bobines du stator. Cela permet un contrôle plus simple ;

Les inconvénients sont :

Faible couple ;
Faible précision ;
Production de bruit plus élevée. Le nombre d'applications, y compris automobile, est donc limité ;
En raison de l'absence d'aimants permanents, il n'y a pas de couple de maintien à l'arrêt.

Moteur pas à pas hybride :
Le moteur pas à pas hybride possède un rotor denté à aimants permanents et un stator denté à huit bobines avec un petit entrefer entre le rotor et le stator. Le rotor est constitué de deux engrenages décalés de 3,6° l'un par rapport à l'autre. Il y a un gros aimant à l’intérieur du rotor. Deux engrenages en acier sont pressés sur l'aimant. Les engrenages deviennent également magnétiques grâce à la présence de l’aimant. Un engrenage est magnétisé comme le pôle nord et l'autre comme le pôle sud. Chaque dent du rotor devient un pôle magnétique. On parle donc de « rotor du pôle Nord » et de « rotor du pôle Sud ». En raison du changement de vitesse, les pôles nord et sud alterneront pendant la rotation. Chaque engrenage comporte 50 dents.

Au moment où le pilote du moteur pas à pas conduit le courant à travers une bobine de stator, la bobine devient magnétique. Les pôles nord des bobines attireront les pôles sud du rotor, provoquant la rotation du rotor.

Les trois images ci-dessous montrent le contrôle des deux phases (rouge et orange) du moteur pas à pas hybride.

A. Le rotor du moteur pas à pas a tourné jusqu'à sa position actuelle (voir la figure) car les bobines illustrées ont été rendues magnétiques.

L'engrenage vert est le pôle sud, qui est attiré vers les pôles nord du stator ;
Les dents entre le rotor et le stator sont alignées les unes avec les autres aux endroits où le rotor a été tiré. Pour plus de clarté, ces points sont indiqués par une marque noire dans les trois situations ;
L'engrenage rouge est derrière l'engrenage vert. Étant donné que les engrenages tournent les uns par rapport aux autres, les dents rouges sont visibles. Les pôles nord du rotor sont attirés par les pôles sud du stator.

B. Le contrôle a changé de phase. Le champ magnétique entre les bobines orange et le rotor a disparu. Les bobines de la phase « rouge » sont désormais contrôlées, provoquant la création d’un champ magnétique entre les bobines rouges et le rotor.

Suite au passage du champ magnétique des bobines orange aux bobines rouges, le rotor tourne de 1,8° dans le sens des aiguilles d'une montre ;
Pour faire tourner le rotor dans le sens inverse des aiguilles d'une montre au lieu de celui des aiguilles d'une montre, la polarité (sens du courant) devait être inversée via les connexions rouges. Après tout, la direction du courant traversant la bobine détermine la direction du champ magnétique, et donc la « position » des pôles nord et sud.

C. La commande a de nouveau changé de phase et le rotor a de nouveau tourné de 1,8° dans le sens des aiguilles d'une montre.

Les mêmes bobines que dans la situation A sont alimentées, mais la polarité des fils orange a été inversée ;
Le rotor peut être tourné à nouveau dans le sens inverse des aiguilles d'une montre en contrôlant les bobines comme indiqué dans la situation B ;
Pour faire tourner le rotor dans le sens des aiguilles d'une montre, les bobines rouges sont également alimentées, mais la polarité est inversée par rapport à la situation B.

Dans les exemples ci-dessus, on peut voir que le rotor du pôle nord est attiré par une bobine du pôle sud et qu'en même temps le rotor du pôle sud est attiré par une bobine du pôle nord. Cela garantit que le moteur pas à pas hybride effectue des mouvements très précis et dispose également d'un couple élevé.

Le moteur pas à pas hybride peut être équipé de plus de paires de pôles et de plus de dents sur le rotor, permettant des pas allant jusqu'à 0,728° et 500 pas par tour.

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