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Toutefois, du fait de leur conception et de la façon dont ils sont pilotés, ces moteurs présentent un risque inhérent de résonance dans certaines conditions de fonctionnement. Cette résonance peut se manifester sous la forme de vibrations, qui ont un impact sur la synchronisation entre la commande et la position réelle du rotor, au détriment de la précision finale.

Daniel Muller, ingénieur d’application chez Portescap, explique l’importance des mesures préventives pour éviter la résonance.

Les moteurs pas-à-pas sont souvent utilisés dans une multitude d’applications de positionnement, car ils offrent un pilotage aisé, pas-à-pas, sans qu’il soit nécessaire d’utiliser un codeur ou autre dispositif supplémentaire pour fournir des informations de retour de position. La commutation générée par une carte électronique externe déplace le rotor d’une position stable à une autre. Tant qu’une phase est alimentée en courant sans commutation vers la phase suivante, le rotor conserve une position stable.

Mais en examinant de plus près le mécanisme de fonctionnement, il est possible de constater un risque potentiel de futurs problèmes. Si le rotor se place légèrement au-delà de la position cible, le moteur développe un couple négatif pour ramener le rotor dans la position cible. À l’inverse, lorsque le rotor n’a pas encore atteint la position cible, un couple positif tire le rotor vers celle-ci. Dans ces conditions, une oscillation peut facilement se produire.

Dans la pratique, cela signifie que si la vitesse du rotor et/ou l’inertie de la charge entraîne un dépassement de la position cible, le rotor commence à osciller autour de la position cible, à une fréquence naturelle qui dépend du couple de maintien, du nombre de pôles et du moment d’inertie total. L’ amplitude de l’oscillation diminue avec le temps du fait de l’amortissement inhérent au système, mais si l’oscillation n’est pas terminée au moment du passage au pas suivant, il existe un risque de résonance, où le système mécanique répond avec des oscillations de plus grande amplitude.

Il ne faut pas sous-estimer les problèmes susceptibles d’être provoqués par la résonance, car ils peuvent entraîner la perte de pas, des changements du sens de rotation et un mouvement global irrégulier.

Mesures de prévention de la résonance

La résonance apparaît généralement lorsque la fréquence de commutation est proche de la fréquence naturelle de vibration du système mécanique. Il n’est pas toujours possible de maintenir la fréquence de commutation éloignée de la fréquence de résonance pour ainsi l’éviter. Une solution consiste à décaler la fréquence naturelle du système vers le haut ou le bas. Pour ce faire, il faut intervenir sur les deux paramètres qui l’affectent : le couple de maintien et l’inertie totale du système.

Le couple de maintien dépend du courant traversant le moteur. L’utilisation d’un courant plus élevé que le courant nominal pour augmenter le couple de maintien présente l’effet indésirable d’accroître les pertes joule et donc la température de la bobine. Cependant, il est possible d’utiliser un courant plus faible pour réduire la fréquence naturelle si la diminution du couple qui en résulte répond toujours aux besoins de l’application.

En ce qui concerne l’inertie, le moment d’inertie du système mécanique est la somme de l’inertie du rotor du moteur et de l’inertie de la charge. L’ingénieur de conception peut sélectionner un moteur offrant des spécifications différentes pour changer l’inertie du rotor. Il est aussi possible d’adapter l’inertie de la charge pour décaler la fréquence naturelle vers le haut ou le bas si cette mesure n’affecte pas le fonctionnement du moteur dans l’application.

Une autre mesure de prévention de la résonance consiste à faire fonctionner le moteur en mode micro-pas plutôt qu’avec des pas complets. Un angle de pas réduit demande moins d’énergie pour passer d’une position stable à une autre. Le dépassement et l’ampleur d’oscillation sont donc plus faibles. En outre, le mode micro-pas se traduit généralement par une réduction du bruit et des vibrations ainsi qu’un fonctionnement plus régulier.

Prévention de la résonance par l’amortissement

Comme nous l’avons vu précédemment, l’amortissement inhérent au système du moteur diminue constamment l’ampleur de l’oscillation dans de nombreuses applications et prévient l’apparition de la résonance. Par conséquent, lorsque la résonance est un problème, est-il possible d’augmenter l’amortissement pour y remédier ? La réponse est oui et plusieurs mécanismes permettent de le faire.

Le frottement mécanique fournit un couple de freinage constant et indépendant de la vitesse. Dans certaines applications, l’on peut choisir d’augmenter le frottement de la charge ou celui des paliers du moteur pour augmenter l’amortissement, mais comme il agit sur le moteur à toutes les vitesses, il est important de s’assurer que le fonctionnement du moteur n’en sera pas affecté.

Une meilleure solution consiste généralement à ajouter un frottement visqueux, qui produit lui aussi un couple de freinage, mais dont l’ampleur dépend de la vitesse du moteur (elle est plus élevée à haute vitesse). L’on obtient ainsi un freinage puissant lorsque l’amplitude d’oscillation est importante et un freinage très léger une fois que l’oscillation a diminué.

Plusieurs phénomènes peuvent générer un frottement visqueux dans un système. Les courants de Foucault générés dans le fer du stator agissent comme un couple de freinage, mais le niveau de pertes fer est différent selon les technologies de moteur. Les pertes fer des moteurs à aimant disque sont généralement limitées, ce qui leur permet d’atteindre des vitesses relativement élevées mais empêche de compter sur les courants de Foucault seuls pour prévenir la résonance.

La force contre-électromotrice (tension) induite dans la bobine fournit un courant qui crée également un couple de freinage amortissant l’oscillation et qui peut aussi être considéré comme un frottement visqueux. L’efficacité de cette solution dépend du pilotage du moteur : les commandes à hacheur de courant ne permettent habituellement pas ce type d’amortissement, puisque le courant reste constant malgré les variations de la force contre-électromotrice.

L’ingénieur de conception peut également envisager d’autres solutions d’amortissement électronique, qui pilotent le moteur d’une façon spécifique sans modifier les paramètres mécaniques du système. L’on peut aussi choisir d’ajouter un amortisseur mécanique externe pour absorber une partie de l’énergie de vibration afin de prévenir la résonance.

Dans toutes les applications à moteur pas-à-pas où la résonance est un problème, celle-ci peut souvent être attribuée à différentes conditions. Il suffit parfois d’agir sur une seule de ces conditions pour éliminer la résonance. Quelle que soit l’application, il est toujours bon de consulter un fournisseur réputé pour déterminer quelles plages de fréquence sont susceptibles de poser un problème de résonance et étudier les solutions pour y remédier.

Légende : Les moteurs pas-à-pas sont souvent utilisés dans une multitude d’applications de positionnement, car ils offrent un pilotage aisé, pas-à-pas, sans qu’il soit nécessaire d’utiliser un codeur ou autre dispositif supplémentaire pour fournir des informations de retour de position.

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