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Interface de puissance Electronique pour moteur PaP

Discussion dans 'Electronique spécifique CNC' créé par CKL, 13 Novembre 2007.

  1. CKL

    CKL Apprenti

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    Interface de puissance Electronique pour moteur PaP
    Bonjour:

    Le but premier de cette démarche est de partager un objectif personnel que je me suis fixé, et qui, de toutes les façons allait me demander une certaine rigueur pour arriver à mes fins.
    D’autres part, il y a tellement de points techniques que je ne maîtrise pas, mais je suis prêt à ajouter la première pierre à cet édifice, et je me dis, que si chacun, avec ses spécialités, apporte sa petite contribution
    - électronique
    - électrotechnique
    - mécanique
    - de placement routage
    - de connaissance des composants
    - de Mach 3
    - ….
    nous ne devrions avoir aucun problème à arriver à cet objectif fixé.
    Cela prendra le temps nécessaires, et les étapes principales ne devront pas être négligées.

    Si vous souhaitez participer à cette aventure, vous êtes les biens venus, quelque soit votre niveau.
    Tout le monde doit pouvoir profiter de cette démarche….en premier moi-même

    D’autre part, par rapport à des démarches similaires disponibles sur le Net, ou l’on nous propose souvent de récupérer des cartes toutes faites, souvent à l’origine d’un seul auteur, je vous propose ici de se mettre à plusieurs pour réaliser cette même tache.

    Remarque : Une initiative similaire a été commencée sur ce forum, et j’ai essayé de contacter plusieurs fois l’auteur, mais j’ai l’impression que cette démarche semble avoir été abandonnée.

    Ceci est le point de référence pour la réalisation de cette interface.
    Toute modification importante sera réferencé dans ce sujet ou à travers le document word en attachement


    Mise à jour du document le 30/11/2007: Révision 2


    Pour des questions de facilité de rédaction du cahier des charges, le projet a été transféré sur : http://papsi.origo.ethz.ch/

    :tumbsupe:

    Christian Voir la pièce jointe Interface de Puissance Pour PaP.doc
     
  2. MaX-MoD

    MaX-MoD Compagnon

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    Interface de puissance Electronique pour moteur PaP
    bien, bien, c'est propre comme projet tout ça :-D

    Ce que j'en pense:

    Les chips Allegro ne sont pas assez puissants. 1A5 est trop faible pour des pap un peu coupleux.
    De plus ils sont chers et difficilement disponibles en général.

    4. Questions/Réponses

    Le cahier des charges avec les contraintes Couple/ Ampère est-il suffisant ?
    Réponse :
    à mon sens non. 3A est un minimum semble-t-il pour être à l'aise, et pouvoir mettre des pap assez puissants (>2Nm) et rapides
    je suis resté bloqué sur les 1E5 du chip allegro :roll:
    7A c'est assez pour pas mal de pap, même les costauds.
    on peut de toute façon augmenter/diminuer cette valeur en changeant les transistors MOS, au plaisir!
    PS: 24V c'est un peu peu par contre^^
    chez ON des MOS à 47A 60V sont à moins de 1$, et en 100V à 1.6$... y'a de la marge :-D

    Est-il judicieux de partir sur un composant cœur « Microstepping Driver » style Allegro, ou serait-il préférable de réaliser cette fonction avec un PIC ?
    Réponse :

    oui et non. si on part sur une bonne base en programmation des dsPIC, on peut même faire du "vrai" microstep avec entrée encodeur, ou du contrôle vectoriel (en gros contrôler le couple et non l'intensité qui parcours les bobines), même si les gains sont nuls ou presque en pap.


    Comment répondre au problème de la disparition du port parallèle sur PC ?
    Réponse :

    les cartes InterpretCNC et autres qui sont basées sur une etrée série ou USB on de plus en plus de succès mais restent à un prix non négligeable (~100€)
    à savoir qu'il y a des projets Open Source d'interpolateurs à base de FPGA qui émergent sur CNCZone, avec port USB notemment.


    La question qui tue : Bien que sujet principal est de vouloir partir sur une solution moteur Pas à Pas, pour une question de simplicité et de facilité de mise en œuvre, quelles seraient les raisons techniques qui pourraient nous détourner de cette initiative ?
    Réponse :

    les contrôle d'un servo DC nécessite 2 fois moins de MOS+drivers (et donc de sorties PWM): coût de la partie puissance diminué, mais ça ne ratrappera pas la démultiplication qui sera nécessaire...
    De plus, ils ne souffrent pas des pertes de pas, des vibrations etc inhérentes aux pap.


    Une autre question qui tue : Que penser d’une solution basée sur des moteurs brushless (Moteur synchrone à aimant) avec Capteur resolver.
    Réponse :

    On trouve des servos AC 1KW+ à moins
    de 50€ sur eBay, mais rien pour les contrôler par un amateur.
    les contrôleurs associés s'arrachent généralement à plus de 300€ suivant les modèles.
    c'est mon but, à terme, de pouvoir contrôler les moteurs AC avec un dsPIC30F2010, mais ce n'est pas facile. c'est même complexe.
    Notez que les servos AC souffrent aussi des problèmes de "faible" couple.
    mais dans le cas d'un servo 1KW on a souvent dans les 10Nm en pic.

    Les capteurs resolvers qui fournissent une tension sinusoidale en fonction de la position du moteur ne peuvent pas être utilisés en CN.
    pour les faibles vitesses il peut y avoir de grosses erreures de mesure.
     
  3. Sanson

    Sanson Apprenti

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    :smileJap:

    J'ai quelque peu décroché de ce domaine ..... (Mais j'y ai été très pointu)

    Il y a des choses que je ne maîtrise plus, mais d'autres où j'ai encore une certaine expertise.

    On peut survolter les moteurs PAP.
    La limite théorique étant leur isolation électrique (au moins 1 KV)
    La limite pratique étant nettement plus basse.

    Plus que l’intensité max que l’on peut driver, la tension max est plus intéressante.

    Pour des raisons que je ne développerais pas ( C’est relativement complexe et vient plus d’une très bonne connaissance du domaine que d’un savoir)

    Le fait d’élever la tension d’un moteur augmente le couple disponible
     
  4. MaX-MoD

    MaX-MoD Compagnon

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    Le couple est proportionnel à L'intensité. c'est dù aux propriétés du magnétisme, et du champ induit par un bobinage.

    La vitesse max augmente avec la tension d'alimentation.
    C'est dù au temps de montée de l'intensité dans la bobine (enroulements du stator) et à la force contre électromotrice crée par la rotation du rotor, plus la surtension est grande, plus l'intensité d'utilisation est atteinte rapidement, et donc le couple utile atteint; la force contre électromotrice (FCEM) est proportionelle avec la vitesse de rotation, et elle vient se soustraire à la tension d'alimentation.

    le phénomène de "vitesse max" traduit <FCEM = tension d'alimentation> (=> plus de courant créé dans la bobine)
    La perte de couple à haute vitesse est dù à une augmentation de la FCEM avec le couple (cela vient de la convertion énergie électrique FCEM*Intensité = Couple*vitesse de rotation)


    théoriquement, si on alimente un pap avec une source de courant constant "parfaite" (c'est à dire qui peut fournir une tension infinie) la vitesse de rotation max est illimitée (si on ne tient pas compte du fait que les roulement rendront âme rapidemement^^)

    Comme le dit Sanson la tension d'alim des pap est aussi très importante :wink:

    mais prendre des IGBT 400V pour alimenter un stepper à 50€ direct EDF c n'est pas vraiment une bonne idée...
    autant rester à 70V avec un stepper plus gros plus cher ce sera mieux... pour le même pris (les IGBT HV rapides ça douille :mrgreen:)
     
  5. romteb

    romteb Administrateur

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    Interface de puissance Electronique pour moteur PaP
    A propos des PAP, il y a une limite a l'intensité qu il peuvent admettre et la depasser peut les detruire d'après ce que j'ai compris.

    La seule variable sur laquelle on peut jouer est la tension, et la on peut aller jusqu'a 25 fois la tension nominale, ca permet de garder du couple a regime elevé.
     
  6. Fred8

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    Interface de puissance Electronique pour moteur PaP
    Là je peux répondre, le bobinage, c'est mon métier !
    Il y a trois limites à un circuit bobiné :
    - La saturation du circuit magnétique (les tôles), qui intervient lorsque le courant dans le bobinage (l'excitation magnétique) est plus important que prévu par la conception.
    - La densité de courant dans le cuivre, qui échauffe les conducteurs. La limite de densité est fixée par la résistance de l'émail à la chaleur. Une densité couramment admise est 3A/mm². La densité limite pour un bobinage en classe F/H est d'environ 6.5A. Si le bobinage n'est pas alimenté en continu (facteur de marche), on peut l'augmenter. L'important est de respecter la classe de température des isolants à tout moment du cycle de marche.
    - Une surintensité si forte et si brève que le fil s'échauffe localement au point de faire fusible. On se fiche alors de l'isolant.
     
  7. MaX-MoD

    MaX-MoD Compagnon

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    au fait, ça donnerait quoi un stator en ferrite plustôt qu'en feuillards?

    je me pose la question car je n'ai encore jamais vu ça, est-ce trop cher ou pas performant?
     
  8. CKL

    CKL Apprenti

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    Je vois que ça commence à bouger,

    Donc pour ajouter quelques remarques:

    C'est bien que tu ai corrigé par toi même Max-Mod, car effectivement je ne pensais pas alimenter les PaP directement avec le driver
    je visais sur des IRFP250 200V 33A, mais tout autre MOS devrait être OK.

    La petit question que je me pose, et vous me confirmerez. J'ai vu que pour garantir une stabilité plus grande (et un couple plus grand)
    lorsque les PaP fonctionnent en 1/2; 1/4,... on augmentait le courant du stator
    voir page 11: http://www.allegromicro.com/en/Products ... 7/3967.pdf


    Pour respecter cela, il faudrait donc jouer, (en régime d'amplification du MOS) sur la tension VGS afin de régler le courant Id.?

    Max-Mod: Pourrais-tu détailler :
    oui et non. si on part sur une bonne base en programmation des dsPIC, on peut même faire du "vrai" microstep avec entrée encodeur, ou du contrôle vectoriel (en gros contrôler le couple et non l'intensité qui parcours les bobines), même si les gains sont nuls ou presque en pap.

    Maintenant pour en revenir au driver, je serais bien tenter par une solution Pic.
    -Avantage:
    * Évolutif
    * La programmation ne devrait pas être trop compliqué, (j'ai une bonne expérience en langage C, bien que maintenant cela fait bien 3 ans que je n'ai plus codé)
    * le Pic pilote directement les transistors les transistor

    -Inconvénient
    * Pour l'instant je ne vois pas, si ce n'est le codage

    - Points à élucider
    * Contrôler le courant (donc couple des PaP) à travers une contre réaction ???


    La question par rapport au port parallèle était plus de savoir s'il existait des pilotes CNC style "Mach 3" qui utiliserait le port USB.
    Mach3 est basé sur le port parallèle.
    Pour Mach3 est-ce qu'une évolution est prévue vers de USB ?

    Sanson, je pense que pour simplifier la chose, il serait préférable de partir sur des PaP acceptant une intensité plus grande,on gagne en vitesse.
    Il n'y a pas si longtemps j'ai loupé 2 PaP à 5 A sur ebay 6Nm à 75 Euros


    Christian
    :)
     
  9. MaX-MoD

    MaX-MoD Compagnon

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    Interface de puissance Electronique pour moteur PaP
    augmenter le courant en microstep vise en fait à garder un couple constant.

    en effet, entre deux pas la construction du stator et les lois magnétiques étant ce qu'elles sont, on per du couple.
    EDIT: Les variation restent faibles de ce que j'ai lu, pas gravissime pour un amateur

    et en microstep le courant dans les phases suit deux courbes sinus décalées de 90°.
    le courant moyen n'est donc pas constant!
    on peux augmenter les courants dans chaque bobinages pour que le courant moyen soit constant.

    pour la régulation du courant, on utilise comme dans les alimentation à découpage la propriété des bobines de stocker de l'énergie magnétique.
    on alimente pas en continu, mais en tout ou rien fréquence constante.
    on se sert du temps (largeur d'impulsion) de l'exitation de la bobine (et de la capacité de cette dernière de "lisser" le courant qu'elle recoit) pour contrôler ce courant.

    les dsPIC possèdent de grandes ressources qui permetteraient de faire une carte de fou: boucle fermée, contrôle à couple constant... mais ça fait un gros boulot de programmation et nécessite de nombreuses conaissances en mécatronique (électromécanique, magnétisme, programmation, électronique de puissance ...).

    mais comme tu dis c'est évolutif: pour un contrôle à courant constant c'est pas trop compliqué.

    De plus, j'ai déjà une base (en restructuration car mon code commencait à être vilain :oops: ) pour démarrer avec un 30F2010+
    horloge, reset, entrrée encodeur, RS232, PWM sont initialisés, utilisables, je dois refaire le contrôle des entrées analogiques... il était bancal.

    Bon, il faut aujouter un peu de config pour les 33FxxMCyyyy (ça) et ils sont en 3.3V et un chouïa plus compliqués mais plus rapides (40MHz au lieu de 30) et parmis les seuls à avoir les 4PWM nécessaires.
    y'a aussi le 30F2020 mais ss entrée encodeur (ici)

    et oui le PIC gère la sortie PWM (Pulse Width Modulation ou modulation en largeur d'impulsion) très bien même avec les temps morts etc.
    un driver genre NCP5181 (ou autre) drive les MOS ou IGBT jusqu'à 600V



    pour contrôler le courant, le PIC lit la valeur du courant (récupérée via entrée analogique sur une résistance de faible valeur pour mesurer l'intensité) et en fonction de l'écart entre l'intensité moyenne et celle qu'il faudrait il effectue une boucle PID pour augmenter ou réduire la largeur d'impulsion (donc le courant et le couple) et grader le courant moyen constant.


    et pour ces interpolateurs USB je sais pas trop trop j'ai peu cherché d'infos là dessus.


    En tout cas on peut coupler nos efforts sur la prog du PIC, et pourquoi pas proposer une puce qui puisse contrpoler pap et servos? (mon idée à l'origine, mais vu le temps libre que j'ai en ce momment elle n'aurait pas vu le jour avant lontemps :???:)
     
  10. Sanson

    Sanson Apprenti

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    Interface de puissance Electronique pour moteur PaP
    Pour nos applications, ce n’ai pas rentable.
    Un bon empilement de tôle (au silicium, avec traitement de surface et grains orientés), on peut travaillé à une fréquence de 12 MHz et plus ….. (La limite étant fixé par le µP de commande => double dans mes applications sous une fréquence de ....)

    J’ai travaillé pendant 10 ans sur des micromoteurs (Commande de vol de Rafale, Airbus, missiles) technologie reprise pour des applications médicales.
    Pour mes moteurs le stator faisait 1 cm de diamètre et 2,5 cm de long.
    Vitesse max 100.000 trs/mn, le couple je ne sais plus, la puissance 100 Watts.
    Alimenté sous 24 Volts (en alimentation linéaire), ou sous 33 Volts (PWM) avec une intensité max de 2 – 3 ampères.
    (Température de fonctionnement (- xx° à 250 – 300°C)

    Comme tu le constates, la limite du simple empilement des tôles est haute.
    Ceci dit, on rencontre bien quelques rares circuits magnétiques ferrites : Ces moteurs sont utilisés sur des systèmes à hautes fréquences dont la caractéristique est la nécessité d’un positionnement précis (moteurs de pointage sur radôme de radar de pointage.)
    Ces moteurs sont largement supplanté par des ensembles de bobinages plats (cylindrique mince), constitué par des bobinages noyés dans une armature verre/époxy (Moteurs Artus)


    Voilà pour ce qui est du circuit magnétique (performant :wink: )

    Pour le stator, par contre, il est de plus en plus courant d’utiliser des ferrites magnétiques (aimants permanents au Néodium et consœurs).
    C’est, à la fois léger et (relativement) économique.
    Les progrès dans ce domaine des terres rares étant considérable et en constante évolution.

    On rencontre cette technologie de plus en plus couramment, à des degré de performances diverses : cela va du moteur linéaire de haut-parleur (aimants Alnico and Co) jusqu’à mes petits moteurs.

    La limite de ce type d’aimants étant celle de la température (point de Curie)
    Un aimant perd de ses qualités en fonction de la température.
    Max, c'est le genre de remarque que je prévoyais .....

    Cela fait presque une dizaine d'années que je ne suis plus un familier du domaine......
    Si j'étais capable de te l'expliquer, je ne le suis plus trop aujourd'hui.

    L'intensité max nominale d'un moteur est une caractéristique importante, mais la possibilité de survolter le moteur en est une également qu'il ne faut surtout pas sous-estimé : les gros gains de couple (ce qui nous intéresse) en sont la clé.
    Le genre de moteurs sur lesquels j'ai travaillé en est l'illustration.
     
  11. Doctor_itchy

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    Interface de puissance Electronique pour moteur PaP
    sur un moteur pas a pas peu importe la tension appliquee , tant que tu respecte deux chose

    l'intensiter maximal ne doit jammais etre depassee ( donc limitation de courant obligatoire )
    respecter la tension d'isolement du bobinage !

    pour exemple un moteur pas a pas de 5V 4ampere pourras recevoir jusque 90 a 100V tout en restant a 4ampere , bien sure la tension n'est pas constante vu que c'est du pwm ! pour le maintien du moteur la tension devras etre de 50% moins elevee sous peine de voir le moteur partire en fumee :wink:

    pour exemple mes powermax alimenter en 2.8A et 24V offrais un couple raisonable mais en appliquant 40V a la plaçe des 24V et toujours a 2.8A le couple a doubler , et les moteur sont donner pour 65V !
     
  12. Sanson

    Sanson Apprenti

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    :smileJap: Entièrement d'accord.

    Doubler le couple disponible est loin d'être négligeable ... et si on utilise le moteur au max de ses possibilités (tension), nous ne sommes pas loin de tripler celui-ci.

    A la limite, si nous pouvions réaliser l'étage de puissance, avec sa limitation d'intensité, nous pourrons, également, commander une alimentation en air forcé (air comprimé) ce qui limitera d'autant l'échauffement du moteur....
    C'est simple à faire et efficace !
    (un perçage dans une flaque du moteur, taraudage/collage d'un embout cannelé et branchement d'une durite d'amener d'air.
    (10 bars max, diamètre selon taille du moteur => 3,2 mm est déjà une bonne valeur, ... mais on peut monter à 6,3 mm !)
    Abus de langage ?
    La tension est constante, mais pas la tension nominale (moyenne)
    C'est là qu'un refroidissement, par air forcé pourra être intéressent !
    (Moteur bloqué, il y a beaucoup moins d'échanges thermiques extérieur/intérieur, les turbulences engendrées par un tel refroidissement, même sous faible débit, améliore grandement les choses :wink: .)
     
  13. MaX-MoD

    MaX-MoD Compagnon

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    un servo DC subit des pics d'intensté importants (5 à 10 fois le courant nominal) lors des phase accélération/décel rapides ou lors d'un gros travail.
    c'est donné dans la datasheet du constructeur la tension crête admissible et à quelle fréquence (quelques %)

    c'est bien sûr le seul moyen de leur faire sortir un couple supérieur à leur couple "rated" (sais plus comment on dit en FRA)

    C'est ça dont tu me parlais, ai-je bien compris?

    car en pap boucle ouverte, il n'y a aucun moyen de connaitre le couple requis...
    on peut interpoler avec l'accélération mais ça ne tient pas compte de l'effort de coupe que le contrôleur peut difficilement connaitre...
    mais en boucle fermée on peut tout à fait donner un coup de boost au pap si il est à la traine :-D

    pour l'exemple d'Ichy, c'est soit à partir d'une certaine vitesse ou le contrôleur fonctionne en "temps mort constant", qui sont plus simples à faire en silicone, mais moins performants à tension 'faibles' et hautes inductences du bobinage.

    et non au repos la tension ne doit pas être divisée par deux tant qu'on respecte l'Imax du constructeur, donnée pour 100% de travail.
     
  14. Doctor_itchy

    Doctor_itchy Modérateur

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    Interface de puissance Electronique pour moteur PaP
    la tension de repos depend de la qualiter du moteur aussi ^^

    des moteur a refroidisement a air comprimer j'en et quelque un mais se sont tous des DC ( electro-craft :wink: )

    et 2 general electrics

    les pas a pas sont refroidit via leur "carlingue" en general on leur colle des rad a aillette dessus pour ameliorer leur dissipation et donc gagner en couple ^^

    et pourquoi pas leur coller un peltier :D
     
  15. MaX-MoD

    MaX-MoD Compagnon

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    qu'appelle-tu tension de repos?
    par ex un pap 4A 5V a une tension au repos de 5V, c'est ça?

    les pap pas besoin de les refroidir su tu resta dans les limites de la datasheet:
    pas dans un boitier fermé, température extérieure+élévation de température max (donné à Imax) < T° max de fonctionnement.

    après si tu ajoute de la ventilation oui tu peux facile doubler l'intensité (dc le couple)

    et les servos DC electro craft sont pas mal!
    y'en a un sur mon bureau qui attends les MOS avec impatience :-D (thanks la_coterie :wink: )
     
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