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Choix pratique des équipements

Catégories: Moteurs Alimentation (:num:)(:indent:)(:toc:)

Généralités

Si pour la partie mécanique, les plans n’offrent guère de place à l’interprétation, de nombreuses questions se posent au sujet du choix de l’électronique de contrôle, des moteurs pas à pas et de l’alimentation de l’électronique. Vous trouverez un peu de théorie, des explications et de la métaphysique sur la page technique des moteurs PAP. Dans les chapitres qui suivent, vous trouverez quelques conseils plus pratiques. Cependant, comme d’habitude, utilisez votre bon sens.

Quel type de carte de contrôle moteur ?

Statique, avec des résistances pour la régulation du courant, ou avec un hacheur PWM ? Pour des moteurs tournant lentement sans nécessiter beaucoup de couple, une carte simple suffit. Ainsi, pour les machines de découpe à fil chaud, ou pour une petite fraiseuse pour perçer les circuits imprimés ou découper du balsa, des cartes sans régulation de courant, avec des résistances en série sont utilisées. Si vous avez besoin de vitesse, et de maintenir un certain couple à cette vitesse, vous devez alimenter vos moteurs avec une tension élevée (au minimum 4 fois la tension niominale du moteur). Avec une carte sans régulation, celà nécessite de grosses résistances de puissance, qui chauffent beaucoup, et la consommation électrique sera élevée. Aussi, il est recommandé d’utiliser une carte avec régulation PWM, dès que votre vitesse doit dépasser 2 tours/secondes, avec un couple minimal.

Quel type de moteur ?

Si vous utilisez une carte à base de PWM, vous pourrez tourner vite avec vos moteurs. Ainsi, vous pouvez obtenir de la puissance, non en ayant un gros couple moteur, mais en se contentant d’un couple moyen et d’une vitesse plus grande, ce qui vous impose d’augmenter le rapport de réduction. Ainsi, il est possible d’utiliser des moteurs taille NEMA23 (57 x 57 mm) pour de grandes machines, pour autant que vous preniez des moteurs de bonne qualité, avec une carte de contrôle à base de PWM. Sur la machine Otocoup (1.25 m x 2.5 m de course) sont installés des moteurs bipolaires NEMA23 développant un couple de 6.2 kg.cm. Quand on observe la taille de la machine, leur taille paraît ridicule, mais cela fonctionne ! Cependant, vous pouvez récupérer de vieux moteurs NEMA34 (dans des photocopieurs, par exemple) ou la plus grande taille permet de compenser une technologie éventuellement moins avancée. Le poids sera plus important, mais comme ce sont des moteurs plus puissants, cela ne pose pas problème.

Si vous achetez des moteurs neufs, vous pouvez acheter des moteurs bipolaires 2.6V, 2x 2A, couple 6.2 kg.cm, ce qui est déjà relativement performant. Ils coutent chez Selectronic 10 Euros la pièce. Ces moteurs étant bipolaires, ils doivent être pilotés par une carte bipolaire. Beaucoup de cartes de commande pour moteurs bipolaires utilisent le couple de circuit L297/L298, qui sont tout à fait appropriés pour ces moteurs.

Pour des moteurs de récupération unipolaires, qui peuvent nécessiter des courants plus importants, une carte basée sur un circuit L297 et quatre transistors MOSFET peut être plus appropriée, bien que les cartes basées sur le couple L297/L298 puissent aussi convenir. Nota : même si l’intensité du moteur est supérieure à l’intensité maxi de la carte, les moteurs peuvent développer un couple restant suffisant pour votre usage, la chute du couple n’étant pas proportionnelle à l’intensité. Dito, pour les 2/3 du courant, vous obtiendrez un couple qui sera supérieur à 80% du couple nominal.

Quel type d’alimentation ?

Si vous choisissez une carte à base de PWM, plus coûteuse qu’une carte sans régulation, vous aurez le grand avantage que, du fait de la régulation continue du courant, il n’est pas nécessaire d’utiliser une alimentation stabilisée. Ainsi, un simple transformateur, avec un pont de redressement et un gros condensateur (10 000 microFarads) est suffisant.

Quelle tension pour cette alimentation ? Alimenté par une carte à hacheur, votre moteur pas à pas aura besoin d’une tension d’alimentation au moins égale à quatre fois sa tension nominale. Le maximum de tension est en général égal à 20 fois la tension nominale du moteur.

Une plus grande tension améliore les possibilités de vitesse (pour autant que votre moteur pas à pas en soit capable) Une plus grande tension donne un meilleur couple à bonne vitesse (mais le couple à basse vitesse reste inchangé).

Cependant, il y a une pénalité. Quand vous augmentez la tension d’alimentation, celà tend à augmenter les pertes (pertes fer) dans le moteur, aussi il chauffe plus. Cet échauffement est progressif avec le ratio tension d’alimentation/ tension nominale, il augmente plus vite que le ratio. L’échauffement devient significatif au delà d’un rapport de tension de 10. Comme par ailleurs, beaucoup de nos moteurs sont montés sur des supports en bois, ils ne sont pas très bien refroidis. Aussi, un bon compromis est un ratio de tension situé entre 8 et 12. Attention, il est normal que les moteurs chauffent. Une température de 50 à 60°C n’a rien d’anormal.

Attention, la tension redressée et filtrée en aval de votre transformateur sera sensiblement supérieure à la tension moyenne sur les fils du transformateur, elle va se rapprocher de la tension sur le pic des ondulations.
Approximativement : Tension en sortie redresseur = 1.4 * Tension transfo −1.6V (le 1.6V est la chute de tension dans le pont redresseur)
A pleine puissance, on obtiendra une ondulation qu va baisser un peu la tension moyenne, mais à faible puissance cette tension sera présente.

Pour un transformateur de 24V, la tension redressée filtrée est donc de 24V x 1.4 −1.6V = 32.1 V .

Aussi, pour un moteur tel celui déjà cité (2.6V), la tension maximum recommandée pour le transformateur est de 24V, ce qui donne une tension redressée de 32V, soit un ratio de 12,4.

Attention, votre carte a une tension maximum d’utilisation. Vous devez laisser une marge entre votre tension d’alimentation et la tension maxi de votre carte. Pour une alimentation stabilisée, il est recommandé de ne pas dépasser 80% de la tension maximum de la carte. Aussi, si votre carte a une tension maximum de 46V, il est recommandé de ne pas dépasser 46* 80% = 37V Un transformateur de 24V donnant une tension de sortie de 32V est donc proche du maximum.

Pour définir la puissance nécessaire pour le transformateur alimentant votre carte PWM, une estimation grossière est d’installer une intensité égale à la moitié de l’intensité requise par les moteurs, si tous les moteurs sont susceptibles d’être utilisés en même temps à vitesse maxi. Ceci est plutôt rare, car s’il est possible d’avoir les axe X et Y à vitesse maximum au même moment, avoir les trois axes est peu probable. Par ailleurs si vous avez deux têtes et donc deux axes Z, ils ne fonctionneront jamais en même temps. La consommation des moteurs arrêtés n’est pas nulle, mais elle est beaucoup plus faible que moteurs en pleine vitesse.

Ici, nous avons des moteurs 2×2A, aussi pour 4 moteurs, une intensité totale de 4 x 2 x 2A = 16A. L’économie de consommation d’une carte à base de PWM vous conduira à une consommation maximum d’environ 8 A. (En quelque sorte, une carte à base de PWM se comporte comme un transformateur de tension) Ceci, avec un transformateur de 24V, nous conduit à une puissance de 24 x 8A = 192 VA, pratiquement un transformateur de 200 VA sera utilisé. Moteur à l’arrêt, la puissance électrique consommée est de 2×2A*2.6V = 10.4W. Le pont ayant une consommation non négligeable, on peut estimer la consommation moteur arrêté aux alentours de 15 à 20 W en amont de chaque carte de puissance. Pour 4 moteurs cela nous fait un total de 60 à 80 W

Si votre quatrième axe est celui d’une deuxième tête, ne fonctionnant jamais simultanément à pleine vitesse en même temps que la première, vous pourrez très certainement vous contenter d’une puissance transfo de (2×2A * 3 moteurs)/2 * 24V = 144 VA, donc un transformateur de 150VA est suffisant.

Sécurité

Prenez garde au fait qu’une tension dépassant 24V présente un danger de choc électrique. Evitez les contacts avec les fils sous tension, et soignez votre câblage et son isolement.!Quel type de moteur ?

Si vous utilisez une carte à base de PWM, vous pourrez tourner vite avec vos moteurs. Ainsi, vous pouvez obtenir de la puissance, non en ayant un gros couple moteur, mais en se contentant d’un couple moyen et d’une vitesse plus grande, ce qui vous impose d’augmenter le rapport de réduction. Ainsi, il est possible d’utiliser des moteurs taille NEMA23 (57 x 57 mm) pour de grandes machines, pour autant que vous preniez des moteurs de bonne qualité, avec une carte de contrôle à base de PWM. Sur la machine Otocoup (1.25 m x 2.5 m de course) sont installés des moteurs bipolaires NEMA23 développant un couple de 6.2 kg.cm. Quand on observe la taille de la machine, leur taille paraît ridicule, mais cela fonctionne ! Cependant, vous pouvez récupérer de vieux moteurs NEMA34 (dans des photocopieurs, par exemple) ou la plus grande taille permet de compenser une technologie éventuellement moins avancée. Le poids sera plus important, mais comme ce sont des moteurs plus puissants, cela ne pose pas problème.

Si vous achetez des moteurs neufs, vous pouvez acheter des moteurs bipolaires 2.6V, 2x 2A, couple 6.2 kg.cm, ce qui est déjà relativement performant. Ils coutent chez Selectronic 10 Euros la pièce. Ces moteurs étant bipolaires, ils doivent être pilotés par une carte bipolaire. Beaucoup de cartes de commande pour moteurs bipolaires utilisent le couple de circuit L297/L298, qui sont tout à fait appropriés pour ces moteurs.

Pour des moteurs de récupération unipolaires, qui peuvent nécessiter des courants plus importants, une carte basée sur un circuit L297 et quatre transistors MOSFET peut être plus appropriée, bien que les cartes basées sur le couple L297/L298 puissent aussi convenir. Nota : même si l’intensité du moteur est supérieure à l’intensité maxi de la carte, les moteurs peuvent développer un couple restant suffisant pour votre usage, la chute du couple n’étant pas proportionnelle à l’intensité. Dito, pour les 2/3 du courant, vous obtiendrez un couple qui sera supérieur à 80% du couple nominal.

Quel type d’alimentation ?

Si vous choisissez une carte à base de PWM, plus coûteuse qu’une carte sans régulation, vous aurez le grand avantage que, du fait de la régulation continue du courant, il n’est pas nécessaire d’utiliser une alimentation stabilisée. Ainsi, un simple transformateur, avec un pont de redressement et un gros condensateur (10 000 microFarads) est suffisant.

Quel tension pour cette alimentation ? Alimenté par une carte à hacheur, votre moteur pas à pas aura besoin d’une tension d’alimentation au moins égale à quatre fois sa tension nominale. Le maximum de tension est en général égal à 20 fois la tension nominale du moteur.

Une plus grande tension améliore les possibilités de vitesse (pour autant que votre moteur pas à pas en soit capable) Une plus grande tension donne un meilleur couple à bonne vitesse (mais le couple à basse vitesse reste inchangé).

Cependant, il y a une pénalité. Quand vous augmentez la tension d’alimentation, celà tend à augmenter les pertes (pertes fer) dans le moteur, aussi il chauffe plus. Cet échauffement est progressif avec le ratio tension d’alimentation/ tension nominale, il augmente plus vite que le ratio. L’échauffement devient significatif au delà d’un rapport de tension de 10. Comme par ailleurs, beaucoup de nos moteurs sont montés sur des supports en bois, ils ne sont pas très bien refroidis. Aussi, un bon compromis est un ratio de tension situé entre 8 et 12. Attention, il est normal que les moteurs chauffent. Une température de 50 à 60°C n’a rien d’anormal.

Attention, la tension redressée et filtrée en aval de votre transformateur sera sensiblement supérieure à la tension moyenne sur les fils du transformateur, elle va se rapprocher de la tension sur le pic des ondulations.
Approximativement : Tension en sortie redresseur = 1.4 * Tension transfo −1.6V (le 1.6V est la chute de tension dans le pont redresseur)
A pleine puissance, on obtiendra une ondulation qu va baisser un peu la tension moyenne, mais à faible puissance cette tension sera présente.

Pour un transformateur de 24V, la tension redressée filtrée est donc de 24V x 1.4 −1.6V = 32.1 V .

Aussi, pour un moteur tel celui déjà cité (2.6V), la tension maximum recommandée pour le transformateur est de 24V, ce qui donne une tension redressée de 32V, soit un ratio de 12,4.

Attention, votre carte a une tension maximum d’utilisation. Vous devez laisser une marge entre votre tension d’alimentation et la tension maxi de votre carte. Pour une alimentation stabilisée, il est recommandé de ne pas dépasser 80% de la tension maximum de la carte. Aussi, si votre carte a une tension maximum de 46V, il est recommandé de ne pas dépasser 46* 80% = 37V Un transformateur de 24V donnant une tension de sortie de 32V est donc proche du maximum.

Pour définir la puissance nécessaire pour le transformateur alimentant votre carte PWM, une estimation grossière est d’installer une intensité égale à la moitié de l’intensité requise par les moteurs, si tous les moteurs sont susceptibles d’être utilisés en même temps à vitesse maxi. Ceci est plutôt rare, car s’il est possible d’avoir les axe X et Y à vitesse maximum au même moment, avoir les trois axes est peu probable. Par ailleurs si vous avez deux têtes et donc deux axes Z, ils ne fonctionneront jamais en même temps. La consommation des moteurs arrêtés n’est pas nulle, mais elle est beaucoup plus faible que moteurs en pleine vitesse.

Ici, nous avons des moteurs 2×2A, aussi pour 4 moteurs, une intensité totale de 4 x 2 x 2A = 16A. L’économie de consommation d’une carte à base de PWM vous conduira à une consommation maximum d’environ 8 A. (En quelque sorte, une carte à base de PWM se comporte comme un transformateur de tension) Ceci, avec un transformateur de 24V, nous conduit à une puissance de 24 x 8A = 192 VA, pratiquement un transformateur de 200 VA sera utilisé. Moteur à l’arrêt, la puissance électrique consommée est de 2×2A*2.6V = 10.4W. Le pont ayant une consommation non négligeable, on peut estimer la consommation moteur arrêté aux alentours de 15 à 20 W en amont de chaque carte de puissance. Pour 4 moteurs cela nous fait un total de 60 à 80 W

Si votre quatrième axe est celui d’une deuxième tête, ne fonctionnant jamais simultanément à pleine vitesse en même temps que la première, vous pourrez très certainement vous contenter d’une puissance transfo de (2×2A * 3 moteurs)/2 * 24V = 144 VA, donc un transformateur de 150VA est suffisant.

Sécurité

Prenez garde au fait qu’une tension dépassant 24V présente un danger de choc électrique. Evitez les contacts avec les fils sous tension, et soignez votre câblage et son isolement.