Modes d'alimentation

Alimentation en pas entiers, une phase à la fois

Dans le modèle simplifié du début, on alimentait les enroulements, un par un, les uns après les autres . C'est la méthode naturelle, et elle découle directement des propriétés du moteur. Le moteur Nema17 17HS13-0316S (0,31A / 38,5Ω / 21mH) est construit pour supporter 0,31A dans deux phases en même temps, soit 0,41A dans un seul enroulement (pour un seul enroulement on peut multiplier le courant par √2). Si on y met plus, le moteur surchauffe, sature.... Si on y met moins, le couple sera plus faible, mais il n'y a pas de risques.

Alimentation en pas entiers, deux phases à la fois

Si au lieu d'alimenter un seul pôle, on en alimentait deux, l'aimant central s'orienterait entre les deux pôles. Cela donnerait le fonctionnement illustré ci-dessous.

Sans surcharger le moteur, alimenter sous sa tension nominale deux phases à la fois, ou sous sa tension nominale multipliée par √2 une phase à la fois, donne exactement le même couple à bas régime. Mais il peut y avoir un intérêt à alimenter en 2 phases à la fois:
- la puissance est répartie sur deux enroulements au lieu d'un seul (moins de points chauds)
- si on alimente le moteur en "courant", pour une même tension d'alimentation, le rapport V_alim/_Vmoteur est multiplié par 1,4 et cela va améliorer les performances en hautes vitesses.

Le driver A4988 qui est un classique pour la gestion des moteurs pas à pas bipolaires de petites puissances va donc préférer utiliser le mode 2 phases à la fois pour avancer en pas entiers, et le courant est réduit par rapport à la consigne (pour un moteur, la consigne doit être 1,4 fois le courant maxi du moteur donné par le constructeur):

Mode demi-pas

C'est le mélange alterné des deux modes précédents. Un dessin vaut mieux qu'un long discours. Ci-dessous le fonctionnement en demi-pas. Une fois sur deux, on alimente une seule phase, une fois sur deux on alimente deux phases. C'est simple au premier abord et cela permet de transformer à moindre frais un moteur 200 pas par tour en un moteur 400 pas par tours. Seulement il y a une règle que l'on devrait respecter: la tension ou le courant doit être augmenté de √2 lorsqu'on est en une phase à la fois. Avec une alimentation en tension (avec des ULN2803) Je n'ai pas vu de schéma correct permettant ce mode. Avec les drivers permettant la commande en courant, on a bien cette différence d'alimentation.

Bien entendu, on peut quand même utiliser un ULN2003 pour une commande en demi-pas, en prenant la tension d'alimentation égale à la tension nominale, mais les demi-pas n'ont pas le même champ magnétique et si le moteur n'est pas à vide, les pas ne seront pas égaux. De plus comme la tension est inférieure à ce qu'elle devrait pour les pas "une seule phase", le couple maximal est réduit. Et c'est lui le facteur limitant. Dans ce cas le couple utilisable est réduit par rapport au modes pas entiers ou demi-pas.

Avec une alimentation en courant, le driver tient compte de cette particularité, et on sera toujours au couple maximum

Micro-pas

On vient de voir qu'en alimentant deux phases en même temps, le champ magnétique résultant va se positionner entre les positions qu'il y aurait si on alimentait une seule phase. Au milieu même si les deux phases ont le même courant. En plus en réduisant pour ce "demi-pas" le courant par √2, le couple bas régime est constant. Pour mon moteur imaginaire, cela donne:

Pour intercaler une position entre le demi-pas 1 et le demi-pas 2, il suffit d'alimenter les deux phases, mais un peu plus la phase 1 que la phase 2. Toujours en respectant que la puissance totale est fixe soit (courant phase 1)² + (courant phase 2)² = (courant nominal)². On peut ainsi passer en quarts de pas. En faisant ainsi plusieurs divisions, on peut avoir des huitièmes de pas, des seizièmes de pas... On appelle cela des micro-pas (microsteps en anglais). Rien ne nous garanti que les micro-pas soient identiques, et on ne gagne rien en précision, un moteur précis à +/-3% sera toujours précis à +/-3%. Voici le début de la table du A4988:

Les micro-pas sont un grand classique des drivers en courant. A tel point d'ailleurs que certain drivers ne permettent pas le mode pas entier. Le driver DM860H vous transforme un moteur 200 pas par tour en un 400 à 25000 pas par tour.

En passant en micro-pas, on diminue les risques de résonance, on diminue énormément le bruit du moteur (les saccades sont toutes petites). Mais d'un autre côté, il faut que la commande envoie plus d'informations. Si au lieu d'être en mode deux phases à la fois, on passe en 16 micro-pas, il faut envoyer 16 fois plus d'ordres. C'est pour cela que certains indiquent que l'on gagne en passant en micro-pas, mais que 10 ou 16 est un bon compromis.

La bibliothèque accelstepper indique que les pas sont fiables en dessous de 1000 pas par seconde ce qui fait 5tr/s pour un moteur 200 pas par tours. Si on passe en 10 micro-pas, la limite devient de 0,5tr/s, ce qui peut devenir faible.