L’article examine les méthodes de modulation de largeur d’impulsion et de contrôle sinusoïdal dans les moteurs pas à pas.
Les moteurs pas à pas sont un composant essentiel dans les systèmes industriels nécessitant un contrôle précis du mouvement. Ils dépendent des variateurs de moteur pour décoder les impulsions d’entrée et générer un courant de sortie. Un bon système de contrôle génère du courant pour l’enroulement du moteur en utilisant un algorithme spécifique pour effectuer des incréments précis dans la rotation du moteur pas à pas. L’algorithme contrôle la vitesse, la position, la résolution des pas et l’efficacité. Les méthodes de contrôle telles que la modulation de largeur d’impulsion (PWM) et le contrôle sinusoïdal génèrent le courant nécessaire pour un contrôle précis du mouvement.
Moteur pas à pas démonté. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Adobe Stock
Fonctionnement de la modulation de largeur d’impulsion
La PWM est une méthode de contrôle permettant de réguler la quantité de puissance délivrée à des charges telles que les moteurs. Cette méthode modifie la largeur de l’impulsion électrique, ce qui est essentiel pour le contrôle des moteurs.
Dans la PWM, un microcontrôleur, une minuterie ou un autre circuit génère un signal numérique, généralement une onde carrée. Le signal généré est amplifié par un circuit de commande, qui l’envoie à la charge. La quantité de puissance délivrée à la charge dépend de la largeur de l’impulsion.
Le cycle de travail est utilisé pour faire varier la largeur de l’impulsion du signal numérique. Un modulateur de largeur d’impulsion, qui contrôle la largeur de l’impulsion en comparant une tension de référence à une tension de rampe, est généralement utilisé pour ajuster le cycle de travail.
Figure 1. Le signal PWM est constitué d’ondes carrées solides du signal original (en pointillé). Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bob Odhiambo
Faire varier le cycle de travail du signal PWM permet d’ajuster la puissance délivrée pour un contrôle précis, ce qui en fait une méthode de contrôle idéale pour les moteurs pas à pas.
Types de signaux PWM
Il existe deux types distincts de signaux de modulation de largeur d’impulsion.
PWM à organe unique. Dans la modulation de largeur d’impulsion à organe unique, un microcontrôleur génère des signaux en onde carrée avec un cycle de travail variable et une fréquence fixe. Cette fréquence détermine le taux auquel l’impulsion est envoyée. La largeur de l’impulsion est son cycle de travail. Le cycle peut être varié pour définir le pourcentage de temps où l’impulsion est haute par rapport à la durée totale du cycle.
PWM différentielle. Dans ce type de PWM, le cycle de travail est contrôlé par deux formes d’onde. L’une est un signal modulé avec une amplitude et une phase variables, tandis que l’autre est une forme d’onde de contrôle du cycle de travail. La forme d’onde générée avec le cycle de travail est basée sur le signal de modulation et est combinée à l’aide d’un multiplicateur analogique. Ce type de PWM est utilisé dans les applications de contrôle des moteurs pour un contrôle précis.
Calculs du cycle de travail
Le cycle de travail est le rapport de la largeur de l’impulsion à la période, crucial pour contrôler le signal du moteur pas à pas.
Figure 2. La modulation de largeur d’impulsion, l’amplitude, la largeur de l’impulsion et la période sont essentielles pour calculer le cycle de travail de l’impulsion. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bob Odhiambo
Pour calculer le cycle de travail, utilisez la formule suivante:
\[Cycle\,de\,travail=\frac{Ton}{Ton+Toff}\times 100\%\]
Où Ton est lorsqu’il est allumé ou actif, et Toff est lorsqu’il est éteint ou inactif.
Ton et Toff peuvent également être considérés comme les hauts et les bas du signal PWM.
Par exemple :
Considérez un dispositif qui est allumé pendant 2 secondes et éteint pendant 8 secondes en 10 secondes. Le cycle de travail peut être déterminé par
\[Cycle\,de\,travail=\frac{2}{(2+8)}\times100\%=20\%\]
Le cycle de travail de l’appareil est de 20%, le rendant inactif 80% du temps total.
Fonctionnement du contrôle sinusoïdal
La méthode sinusoïdale est une autre manière de contrôler la tension délivrée au moteur pas à pas. Elle le fait naturellement, comme une forme d’onde sinusoïdale en courant alternatif. Cette méthode est plus douce et plus précise que la PWM.
Dans un système de contrôle sinusoïdal, un générateur de formes d’onde génère une sinusoïde avec une amplitude et une fréquence fixes. Pour contrôler le moteur pas à pas en utilisant cette onde, une mesure de la position du moteur est renvoyée dans un circuit de contrôle pour être comparée à la sinusoïde.
Après acquisition et comparaison des mesures du moteur avec la référence sinusoïdale, la puissance délivrée au moteur est ajustée en modifiant la largeur et le timing des impulsions dans le signal PWM. Ce signal est amplifié par un circuit d’amplification et envoyé au moteur pour l’alimenter.
Le contrôle sinusoïdal est plus efficace et précis dans le contrôle des moteurs pas à pas avec des vibrations et du bruit minimaux. Ce type de contrôle peut être utilisé dans les moteurs pas à pas, les convertisseurs de puissance et les onduleurs.
Comparaison entre la PWM et le contrôle sinusoïdal
Voici une comparaison du contrôle sinusoïdal et de la PWM.
- Efficacité : Le contrôle sinusoïdal délivre de l’énergie de manière plus efficace, surtout lors des opérations à haute vitesse, car il délivre de l’énergie en continu. Ce type de distribution d’énergie réduit la génération de chaleur et le bruit électrique dans le système.
- Méthode de contrôle : Le contrôle sinusoïdal adapte la forme d’une onde sinusoïdale pour ajuster la distribution de puissance, tandis que la PWM fonctionne en commutant rapidement la puissance en marche et arrêt.
- Complexité : Le contrôle PWM est généralement plus simple à mettre en œuvre que le contrôle sinusoïdal, qui nécessite un algorithme de contrôle complexe et des circuits supplémentaires. Le contrôle sinusoïdal est difficile à mettre en œuvre, à concevoir et à dépanner.
- Précision : Le contrôle sinusoïdal est plus précis que la PWM car il permet un ajustement en temps réel de la distribution de puissance stable et plus cohérente pour correspondre à la référence sinusoïdale.
- Application : La PWM est utilisée dans des applications telles que le contrôle des moteurs pas à pas, les convertisseurs de puissance et les onduleurs, tandis que le contrôle sinusoïdal est utilisé dans les applications à haute précision et à haute efficacité énergétique, telles que le contrôle des moteurs pas à pas pour des systèmes haute performance.
Sinusoïdal ou PWM ?
Le contrôle sinusoïdal et la PWM ont leurs avantages et inconvénients. Le choix de la méthode de contrôle dépend de l’application et des exigences. Le contrôle sinusoïdal offre une distribution de puissance plus douce, plus précise et plus efficace, tandis que la PWM est fiable et facile à mettre en œuvre.