Choix des enroulements

Si on câble un moteur qui n'a que 2 enroulements, on est obligé de l'utiliser avec un montage en pont. Par contre pour les moteurs ayant 4 enroulements (2 par phase), il y a plusieurs solutions. C'est l'objet de cette page.

Je note que si je regarde ma liste de moteurs unipolaires Nema17, je trouve beaucoup de moteurs 12V et 6V, ainsi que quelques moteurs 4V ou 7,2V. Ces moteurs sont plutôt conçus pour être utilisés avec un montage pour unipolaire, et utiliser un pont est un pis aller. Si on veut de la performance, on choisira un moteur bipolaire.

Du côté des Nema17 bipolaires, une majorité a une tension proche de 3V (conçus pour être utilisés avec une commande en courant) et quelques moteurs 10v et 12V (commande plutôt en tension).

Alimenter un moteur prévu pour être alimenté en tension avec une commande en courant est possible, mais il ne faut pas s'attendre a de bonnes performances. Cela permet par contre d'utiliser les micro-pas. En principe, le constructeur donne la résistance de l'enroulement et soit le courant soit la tension nominale. La loi d'Ohm nous permet alors de connaître le courant et la tension de service.

Les alimentation des moteurs en tension ne permettent pas à ma connaissance d'utiliser les micros-pas.

Principe du montage unipolaire

Unipolaire indique que les enroulements vont avoir un courant qui ne circule que dans un seul sens (une seule polarité). Une bobine d'une phase va créer un champ magnétique dans un sens, l'autre bobine de la même phase va engendrer un champ en sens inverse.

Les interrupteurs représentés sont en fait des transistors, et n'est pas indiqué sur ce schéma de principe les protections, la mesure du courant éventuelle et la commande.

Pour avoir un fonctionnement dans un sens en mode pas, on peut fermer d'abord I₀, ce qui alimente la phase 1, puis I₂ pour alimenter la phase 2, puis I₁, ce qui alimente la phase 1 dans l'autre sens, puis I₃. On a donc que 4 transistors par moteur. Pour tourner dans l'autre sens, on décrit la succession dans l'autre sens (ce que font les bibliothèques, ou on permute simplement deux bobines d'une phase (ce que l'on fait si le câblage fait tourner le moteur dans le mauvais sens).

Le moteur est dans son utilisation "normale". On alimentera chaque enroulement avec ce que donne le constructeur (V_N en général). Il est rare que ce montage utilise une régulation en courant, je n'ai jamais vu de réalisations ou de composant le permettant.

Ce montage est utilisable avec les moteurs ayant 5 à 8 fils. On ne peut pas câbler ainsi un moteur bipolaire (4 fils).

Principe du montage bipolaire

Bipolaire indique que le courant va circuler dans les deux sens et l'inversion du courant provoquera l'inversion du champ.

Les interrupteurs représentés sont en fait des transistors, et n'est pas indiqué sur ce schéma de principe les protections, la mesure du courant éventuelle et la commande.

Pour mettre le courant dans un sens dans la bobine de gauche, il faut fermer les interrupteurs I₀ et I₁ et pour faire passer le courant dans l'autre sens, il faut fermer I₂ et I₃. Il faut 4 transistors par bobine, soit 8 transistors par moteur. La commande est un peu plus complexe, il faut notamment veiller à ne pas faire conduire en même temps I₀ et I₃ (ou I₁ et I₂).

On alimentera chaque enroulement avec ce que donne le constructeur (V_N ou I_N). Dans le cas d'un driver on donne en principe le courant total, il faudra donc régler le driver à √2.I_N. Si le moteur doit être alimenté en tension on mettra V_N.

En général, on utilise plutôt les moteurs alimentés en courant, et on peut utiliser les moteurs à 4, 6 ou 8 fils. On peut toutefois utiliser ce montage avec les moteurs à 5 fils si on les commande en tension et en mode deux phases à la fois.

Le montage ci-dessus permet d'exploiter les moteurs à 1 bobine par phase, ou les moteurs à 2 bobines par phase, et ignorant simplement deuxième bobine. Mais on peut aussi pour les moteurs à 2 bobines par phase utiliser ces deux enroulements en les connectant en série (5 à 8 fils) ou en parallèle (moteurs à 8 fils seulement). Les moteurs 5 fils utilisés en bipolaires ne peuvent utiliser que le mode deux phases à la fois, avec une commande en tension. C'est le cas du 28BYJ-48 non trafiqué. Certains blogs montrent comment couper le fil commun, ce qui permet alors de pouvoir utiliser les micro-pas avec un A4988.

Moteurs à 4 fils

Pour ce type de moteurs, seul le montage en pont (bipolaire) est utilisable.

On alimentera chaque enroulement avec courant ou la tension que donne le constructeur (I_N ou V_N). Dans le cas d'un driver on donne en principe le courant total, il faudra donc régler le driver à √2.I_N.

Moteur à 6 fils

On peut bien sûr utiliser le montage unipolaire. C'est en principe la solution que l'on prend. Ce sera souvent le cas si le moteur doit être alimenté en tension.

Le moteur est dans son utilisation "normale". On alimentera chaque enroulement avec la tension que donne le constructeur (V_N).

Mais comme on a au moins deux enroulements sans point commun, il est possible d'utiliser une commande bipolaire. On peut par exemple n'utiliser qu'un seul enroulement par phase.

On alimentera le driver avec la tension que donne le constructeur V_N (alimentation en tension) ou on régle le courant à √2.I_N (ce qui fait un courant de I_N en mode deux phases à la fois.

On peut aussi utiliser les deux enroulements en série comme un seul enroulement.

On a vu que pour une même saturation magnétique (même couple), il faut diviser le courant par 2 (réglage du driver à I_N/√2). Le moteur chauffera moins.

Mais si on se contente de diviser le courant ou la tension par √2 (réglage du driver à I_N), on sera au maximum pour l'échauffement, mais l'excitation magnétique sera de 40% plus élevé. Cela sature un peu plus le moteur, mais cela peut se traduire par une augmentation du couple. Par contre comme cela augmente la tension, le moteur se comportera moins bien aux hautes vitesses si la commande en courant est utilisée. C'est pour cette raison que l'on qualifie le montage avec un seul enroulement de "grande vitesse" et celui avec deux enroulements de "fort couple". Mais à taille équivalente, un moteur 4 fils sera meilleur.

Moteurs à 5 fils

Du fait d'une connexion commune, on utilise normalement le montage unipolaire.

Mais regardons à gauche le branchement pour le moteur 6 fil lorsqu'on utilise deux bobines en série et que l'on l'alimente les deux bobines entre V_moteur et la masse. Cela se produit en permanence uniquement si on est en mode deux phases à la fois et en limitation tension. Posons nous la question de savoir quel est le potentiel sur la broche du moteur qui n'est pas utilisé.

Nous avons un diviseur de tension réalisé avec deux bobinages qui fonctionnent de la même façon (même valeur résistive, même valeur inductive, même courant, même fcem...). la tension est donc de V_alim/2. Et donc la tension entre ces deux points communs est nulle. Il peut y avoir toutefois de légères différences qui ne vont pas être gênantes. Cela permet d'utiliser un driver pour bipolaire genre A4988 ou un pont classique avec un L293D avec n'importe quel moteur. Mais cela ne fonctionne que si l'on travaille en mode deux phases avec des moteurs alimentés en tension. Il est possible que le mode demi pas fonctionne, mais je suis sûr qu'il ne faut pas espérer travailler en micro-pas.

Moteur à 8 fils

Un moteur à 8 fils peut se câbler un peu comme on veut. Surtout si il est prévu pour être alimenté en tension, on peut l'utiliser avec un montage unipolaire.

Le moteur est dans son utilisation "normale". On alimentera chaque enroulement avec la tension que donne le constructeur (V_N).

Mais le moteur peut aussi être utilisé avec les montages bipolaires. On peut n'utiliser qu'un seul enroulement.

Si on n'utilise qu'un seul enroulement, on va avoir les mêmes résultats que pour un moteur 4 fils. On alimentera chaque enroulement avec courant que donne le constructeur (I_N). Dans le cas d'un driver on donne en principe le courant total, il faudra donc régler le driver à √2.I_N.

On peut aussi utiliser les deux enroulements en série comme on pour les moteurs 6 fils.

On a vu que pour une même saturation magnétique (même couple), il faut diviser le courant par 2 (réglage du driver à I_N/√2). Le moteur chauffera moins.

Mais si on se contente de diviser le courant ou la tension par √2 (réglage du driver à I_N), on sera au maximum pour l'échauffement, mais l'excitation magnétique sera de 40% plus élevé. Cela sature un peu plus le moteur, mais cela peut se traduire par une augmentation du couple. Par contre comme cela augmente la tension, le moteur se comportera moins bien aux hautes vitesses si la commande en courant est utilisée. C'est pour cette raison que l'on qualifie le montage avec un seul enroulement de "grande vitesse" et celui avec deux enroulements de "fort couple". Mais à taille équivalente, un moteur 4 fils sera meilleur.

On peut aussi mettre les deux enroulements d'une même phase en parallèle. Si on ne veut pas saturer le moteur, il faudra garder le même courant (courant alors moitié dans chaque enroulement). Cela va diminuer la tension aux bornes du moteur. On aura donc le même couple à bas régime, mais si le moteur est alimenté en courant, la tension nécessaire est divisée par 2, ce qui fait un bien meilleur comportement en hautes vitesses.

Si on se permet de saturer le moteur, le courant peut être augmenté de √2 (réglage du driver à 2.I_N), et les caractéristiques couple basse vitesse sera meilleur.

Pour ce type de moteur, si on souhaite des caractéristiques performantes, je ne vois que le montage parallèle intéressant. Mais il nécessite de connecter les 8 fils au lieu de 4.