Différents types de moteurs

Tout se passe dans la famille Moteurs. Ils ont un grand adolescent et surtout trois jeunes enfants qui comprennent bien ce qu'on leur dit, et qui sont capables des faire de petites choses. Le plus grand des trois est toujours agité, le confinement ne l'a pas aidé, et il tourne en rond dans l'appartement. Dès qu'il a de l'énergie. Et plus il en a plus il s'agite! Il n'y a que quand il n'a pas d'énergie qu'il s'arrête et sa mère dit alors "Il a enfin cessé!". C'est ce qui lui a valu le surnom de Cessé. Moteur Cessé est devenu son état civil.

Un moteur à courant continu (moteur CC) tourne quand on le branche à une source de tension. Il n'y a pas besoin de faire autre chose. Si on ne lui donne plus d'énergie, il s'arrête. Plus la tension à ses bornes est élevée, plus il tourne vite. En première approximation, la vitesse est proportionnelle à la tension moyenne. Pour faire varier sa vitesse, on fait donc varier la tension. On utilise souvent le PWM (Pulse Width Modulation pour Shakespeare, ou MLI - Modulation de largeur d'impulsion - pour Molière), c'est le fait de mettre un coup la tension d'alimentation, un coup rien du tout. Suivant la largeur de l'impulsion (le temps de l'état "haut", de la tension d'alimentation) la moyenne sera plus élevée ou plus faible et le moteur tournera plus ou moins vite. Le courant est proportionnel au couple.

Le plus jeune n'a qu'un seul mot de vocabulaire "papa" qu'il prononce plutôt "pâââââpa" Son état civil c'est Moteur Pas-A-Pas. Son père qui est Processeur en finquième (ou professeur en cinquième, je ne sais plus) , l'initie aux petits chevaux, depuis sa cuisine, en train de préparer le repas. Pâââââpa était dans la pièce voisine, sur un tapis circulaire ayant autour 4 couleurs complémentaires deux à deux: Une paire complémentaire jaune/bleue et une paire complémentaire magenta/vert. Voici le jeu quand je suis arrivé pour observer le développement cognitif de la famille:

Pour faire avancer Pâââââpa, le père Processeur annonce "Avance sur le magenta". Pâââââpa se met alors sur la couleur magenta la plus proche, celle d'à côté. Puis le père Processeur annonce "Avance sur le bleu". Et ainsi de suite. J'ai observé que le Processeur donnait les ordres suffisamment lentement pour que Pâââââpa ait largement le temps de se déplacer sur la bonne case. Quand Processeur s'arrête de donner des ordres Pâââââpa s'arrête et reste sur sa couleur. Chaque fois que Processeur donne un ordre, Pâââââpa avance d'un pas pour aller sur la couleur annoncée.

Un moteur pas à pas a en général 4 ensembles de pôles qui sont complémentaires deux à deux (un nord, un sud) Si il y a 4 bobines, on en alimente une et les pôles du rotor (partie mobile au centre) se mettent en face des pôles opposés du stator (partie fixe autour). En alimentant successivement les 4 bobines on avance, chaque fois d'un pas. Les bobines sont complémentaires, l'une va donner en un point un nord, l'autre un sud. On n'alimente pas les deux bobines complémentaires en même temps. Pour économiser le cuivre, on peut aussi n'avoir que deux bobines et on fera passer le courant dans un sens ou dans un autre pour avoir les deux positions. Si on arrête de donner des ordres, le moteur pas à pas reste sur sa position, il ne tourne plus.

Processeur a une fois essayé d'aller trop vite, mais Pâââââpa faisait n'importe quoi, il n'arrivait plus à suivre. Mais quand Processeur s'est arrêté de donner des noms de couleurs Pâââââpa s'est mis sur la dernière couleur annoncée.

Si les ordres sont donnés assez lentement, le moteur progresse. Si on va trop vite le moteur perd des pas. Mais quand on l'arrête, il se positionnera sur un pas correspondant à la bobine alimentée. On peut donc perdre des pas, mais c'est par paquets de 4; on ne peut pas perdre un pas tout seul.

Une fois Processeur a annoncé les couleurs lentement d'abord puis de plus en plus vite. C'était beaucoup plus rapide et je pensais que Pâââââpa n'arriverait pas à suivre, mais en fait Pâââââpa était lancé, courrait sur les couleurs et tout marchait bien. Processeur aurait pu ralentir ses ordres pour arrêter Pâââââpa correctement, mais dans la casserole la sauce à brûlé, Processeur s'est arrêté brusquement de donner des ordres, Pâââââpa n'a plus respecté les couleurs entraîné par son élan.

Il y a pour les moteurs une vitesse maximale. Si on accélère, on peut alors dépasser cette vitesse. On dit alors qu'on est en sur-vitesse. Le moteur tourne, respecte les pas, mais ne peut pas s'arrêter net.

Pour rigoler, après avoir sauvé ce qui restait utilisable de la sauce, Processeur a redonné les ordres à la vitesse d'avant. Pâââââpa à croisé les bras et a attendu qu'on lui donne des ordres assez lentement;

On ne peut pas démarrer un moteur directement en sur-vitesse. En principe le moteur vibre, mais n'avance pas.

La plupart du temps, cet apprentissage étant sérieux, Processeur donne des ordres à une vitesse raisonnable, il pourrait les donner plus rapidement, mais il ne peut pas le savoir, de sa cuisine il ne voit pas le jeu. Si il allait trop vite, Pâââââpa aurait perdu des couleurs. On n'est pas au maximum de ses capacités.

Avec un moteur pas à pas on doit travailler assez lentement pour ne pas perdre de pas. On ne peut pas travailler à la limite de ses possibilité. On donne des ordres en aveugle, et on suppose que tout se passe bien.

Une fois Pâââââpa était chargé, car il a emprunté les boules de pétanques de son père parce qu'elles brillaient. Son père lui annonçait des couleurs, mais on voyait bien que Pâââââpa ne pouvait pas avancer aussi vite qu'avant.

Si on charge le moteur pas à pas, il ne peut pas tourner aussi vite.

Processeur sait très bien faire aller Pâââââpa dans les deux sens, il lui suffit de donner les ordres dans l'autre sens. Et il sait très bien faire pour que Pâââââpa aille vite ou au contraire très lentement, l'arrêter ou le faire partir dans l'autre sens.

On peut facilement faire varier la vitesse d'un pas à pas en donnant les ordres plus ou moins vite, et changer le sens de rotation en alimentant les bobines dans l'ordre inverse.

Une fois il est arrivé que la mère se place dans l'embrasure de la porte et renseigne le père sur la position du petit. La marâtre s'appelle Codeur, car c'est elle qui fait régner l'ordre dans la maison, et ses codes sont bien respectés. Avec l'aide de sa compagne, Processeur a pu donner des ordres plus vite. A un moment Pâââââpa n'a pas eu le temps de suivre les ordres, mais grâce à Codeur, Processeur a pu rectifier le tir, et Pâââââpa a pu se mettre où il fallait. Mais la présence de Codeur est rare.

On peut utiliser un codeur incrémental avec un moteur pas à pas qui va renseigner sur la position. Ainsi on peut rattraper les pas perdus. Mais c'est plus compliqué. On appelle cela une boucle fermée car il y a un retour d'information. Je n'ai pas vu de réalisation d'amateurs avec un codeur. On reste en boucle ouverte.

Une autre fois Draïveur, un ami de Processeur, est venu à la maison. Ils ont joué à trois. Processeur et Draïveur étaient ensembles dans la cuisine en train de boire une bière et en finissant de préparer le repas. Processeur avait plein de choses à faire, il était déjà midi et demi et le repas n'était pas prêt, Draïveur a proposé de l'aider pour Pâââââpa qui voulait jouer. Sans trop réfléchir Processeur disait simplement "avance" ou "recule" et Draïveur traduisait en nom de couleurs pour Pâââââpa.

Au lieu de calculer quel pas va être mis, on peut utiliser un driver (prononcer draïveur, pilote en français) qu va se charger de calculer dans quelle bobine mettre le courant. Cela simplifie la tâche du micro-processeur. Le driver peut faire bien d'autres choses encore. Le micro-processeur donne deux ordres Step pour dire d'avancer d'un pas et Dir pour donner la direction.

A un moment il a été décidé que Pâââââpa pourrait aussi s'arrêter entre deux couleurs. Processeur disait toujours "avance" ou "recule" mais Draïveur traduisait pour Pâââââpa en disant "jaune-magenta" puis "magenta" puis "magenta-bleu" puis "bleu"... Ainsi Pâââââpa faisait des demi-pas. Comme cela fonctionnait bien, et pour faire faire des pas de fourmis à Pâââââpa, Draïveur a intercalé des couleurs du style "beaucoup de jaune et un peu de magenta". Pâââââpa avançait alors avec des pas encore plus petits.

Avec un driver, on peut souvent passer en demi-pas, ou même en micro-pas. Ce sont des sous-divisions du pas que l'on obtient en mettant des courants convenablement choisis dans chaque bobine.

Lessie est plus âgée que Pâââââpa, elle sait parler, On l'appelle Brush-Lessie à cause de ses cheveux, voir même Brush-Less pour les intimes. Bref, Brush-Less pousse Pâââââpa, et reprend le jeu. Et là j'entendais la conversation:
- va sur le magenta
- ça y est presque!
- va sur le bleu
- ça y est presque!
- va sur le vert
- ça y est presque!
...
Du coup Brush-Less allait beaucoup plus vite que Pâââââpa. Elle ne pouvait pas perdre de couleurs. Mais c'était un peu plus compliqué à cause du dialogue.

Un moteur brushless (sans balais) est un moteur synchrone dont on lit la position pour envoyer la suivante. Cela donne un résultat beaucoup plus performant, mais le pilotage est plus compliqué. Ce sont les moteurs qui entraînent par exemple les disques durs, on y voir un disque aimanté, des bobines et des petits circuits permettant de mesurer le champ magnétique pour avoir la position. Du fait de l'asservissement, ils sont peu utilisés par les amateurs.

Ah! je ne vous ai pas parlé de l'adolescent de la famille Moteurs. Physiquement il ressemble beaucoup à Cessé, le plus grand de ses frères qui le met en boîte pour le faire enrager. Il fait des études dans les asservissements. C'est un garçon très intelligent, c'est le servo de la famille. Tout le monde l'appelle Servo. Il a passé l'âge de jouer à tourner en rond, et s'adonne à la politique. Mais il est tellement manipulable qu'il va se positionner en fonction de l'orateur à droite, au centre ou à gauche.

Un servomoteur, on dit un servo en abrégé, est un moteur CC enfermé dans une boîte avec un asservissement. Suivant l'ordre qu'on lui donne, il va positionner son axe de sortie avec un débattement généralement de 180°. Il ne peut pas faire une rotation continue. Le gros intérêt des servos est que dans le même boîtier, on trouve l'asservissement de position, mais aussi le driver. Ainsi il peut se brancher directement sur une Arduino sans interface de puissance.

Parfois Cessé essaie d'imiter don grand frère, mais il ne comprend rien la politique et en fonction des orateurs que son frère écoute, il va tourner dans le même sens que lui, mais il ne s'arrête pas (sauf quand il n'a plus d'énergie, nous l'avons déjà dit. Il est fière de ressembler à Servo, et dans ces moment on l'appelle "Servo qui tourne".

Un servo à rotation continue n'est plus un servo, mais est vendu dans le même boîtier. Le codage des ordres pour un servomoteur et un servomoteur à rotation continu est semblable, et pour un ordre donné un servo va se placer à une position donnée tandis que le servo à rotation continue va tourner à une vitesse donnée. On va avoir une correspondance:

Pour un servoPour un servo à rotation continue
ordre 1msposition à -90°vitesse négative maximum
ordre qui va de 1ms à 1,5msposition qui va de -90° à 0°vitesse négative qui va du maximum à l'arrêt
ordre 1,5msposition à 0° (milieu)vitesse nulle, arrêt
ordre qui va de 1,5ms à 2msposition qui va de 0° à +90°vitesse positive qui va de l'arrêt au maximum
ordre 2msposition à +90°vitesse positive maximum

Bien entendu ce n'est qu'un principe, certains servos n'ont qu'un débattement de 90°, d'autres dépassent les 2 tours, et les temps de commande dépendent un peu du modèle.

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