Club robotique de Sophia-Antipolis

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Nouveaux moteurs performants

samedi 7 février 2009, par Julien H.

Nous avons ouvert notre horizon en matière de motorisation par une étude de différents moteurs miniatures utilisés en robotique. Il s’agit bien sûr de moteurs électriques, car contrairement aux modélistes nous n’avons pas l’habitude d’équiper les robots mobiles de moteurs à combustion.

Nous vous présentons ici différents modèles performants. Ils représentent l’état de l’art en 2009.

 Récapitulatif des moteurs utilisés

Différents moteurs dans chaque catégorie nous ont été offerts par notre sponsor Portescap afin que nous puissions mener à bien nos différents projets d’étude des moteurs :

Référence Type Valeur
Portescap 35NT2R32-228E.50moteur DC210 € [1]
K40.2R.0 60:1réducteur100 € [2]
R40.0 85.3:1réducteur100 € [3]
22BL 8B-P 01moteur brushless$269 [4]
M22.10.0 458.3:1réducteur$91 [5]
M22.10.0 903.8:1réducteur
Portescap 34H218E30Bpas-à-pas
Portescap 34H118D50Bpas-à-pas

 Choix des moteurs

Nous avons effectué un sondage auprès des participants à nos ateliers hebdomadaires pour connaitre leurs souhaits en matière de moteurs. Pour chacun d’entre eux, nous présentons les caractéristiques principales, les raisons de ce choix et l’utilisation qui peut en être faite.

 Moteurs pas-à-pas hybrides

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Voici le choix de Georges : le Portescap 34H218E30B. C’est un moteur pas-à-pas hybride.

Le principe commun à tous les moteurs pas-à-pas est d’avoir les bobines statiques dans lesquels on fait passer alternativement un courant qui fait tourner le rotor. On distingue le moteur avec rotor à aimant qui a un couple élevé et le moteur dit "à reluctance variable" avec rotor sans aimant mais qui a une structure dentée qui lui permet d’avoir beaucoup de pas.

Le moteur hybride essaie donc d’avoir les 2 avantages. C’est celui qu’on utilise pour propulser un robot car il a beaucoup de couple et une bonne précision de rotation (ce qui permet aux débutants de ne pas avoir d’asservissement mais se révèle un piège dès qu’on commence à vouloir de la performance).

Décortiquons sa référence :

- 34 indique que c’est un boitier de taille standardisée "Nema34" (le plus grand que nous connaissons, derrière le 17 et le 23).
- H car hybride
- 2 indique le nombre de "stacks". Cela indique la longueur et ça peut prendre 4 valeurs, du 0 le plus court ("short stack") jusqu’à 3 stacks. Je n’en sais pas plus et je suis preneur de toute information complémentaire.
- 18 car 200 pas standards par tour d’où 1.8 degrés. Je dis "pas standard" car on peut piloter ces moteurs en micropas, permettant d’en avoir 400, 800, 1600 etc.. On parle quand même de 200 pas car il s’agit du pas "mécanique", i.e. une position de stabilité de l’aimant quand deux phases sont alimentées.
- E signifie qu’on utilise une technologie améliorée ("enhanced") pour le magnétisme. Le principe est le suivant : le rotor est un aimant (en neodymium) composé de crans qui sont attirés par les crans de signe opposé du stator dont les bobines génèrent un champ magnétique (le sens du courant dans la bobine permettant de changer le signe). Mais une force magnétique d’effet inverse existe aussi entre les crans. La technologie utilisée par Portescap consiste à intercaler entre les dents du stator de petits aimants de [terre rare] (mais dans ce cas, qu’est ce qui se passe quand le stator change de signe ? toute information supplémentaire est la bienvenue).
- 30 indique l’intensité maximum du courant dans une bobine (ici, 3.0 ampères mais ça peut monter jusqu’à 5 et ça commence à 0.5 A)
- B signifie qu’il s’agit de bobines bipolaires ("bipolar coil"), ce que je ne comprends pas trop.

A regarder de plus près la documentation, il s’agit d’un gros moteur pas-à-pas bipolaire biphase comme on en utilise souvent. Avec 2 stacks, on est bien dans la tension nominale habituelle (4.86 volts) sachant qu’avec un pas-à-pas, on peut monter facilement à 10 fois cette tension nominale.

Contrairement aux "petits" Nema23 qu’on a utilisé sur le robot de la Coupe 2008, le couple de ce moteur est impressionnant : 7.13 Nm (Newton mètre). Il s’agit du couple de maintien ("holding torque"). On utilise ce couple car il indique la force nécessaire pour faire passer un pas au rotor quand les bobines sont alimentées avec la tension nominale.

Tout ça pour dire que 7 Nm c’est un gros moteur. Même si le couple diminue avec la vitesse (avec une pente plus ou moins importante selon la tension fournie).

L’utilisation de ce moteur sera une machine à commande numérique (CNC ou "Computer Numerical Control") qui permet d’usiner des pièces automatiquement à partir d’un modèle informatique, les moteurs précis et rapides permettant d’apporter l’outil de perçage au point X,Y souhaité, voire de reproduire un mouvement précis en faisant suivre un chemin programmé à un outil de fraisage.

Autre moteur pour CNC

Un autre moteur similaire, cette fois choisi par Patrick, est le
Portescap 34H118D50B. Comme on commence à comprendre les références, on voit qu’il s’agit d’un moteur de la même famille (hybride), de même taille (Nema34) même s’il est plus court (une seule stack). Par contre il a un courant maximum plus important (5 ampères).

Sa tension nominale est plus faible (2,4 volts), tout comme la résistance des bobines (puisque U=R*I).

Comme il n’utilise pas la technologie "Enhanced", le couple est inférieur : 3.25 (en 1 stack) au lieu des 3.90, soit 20% de couple en moins (en tout cas dans ce qui est annoncé).

 Moteurs à courant continu

Treuil du radeau

Eric, le concepteur et constructeur du Radeau Environnemental en collaboration avec Planète-Sciences, était à la recherche de moteurs pour les treuils qui permettent de faire descendre et remonter les capteurs au bout d’un câble. Les besoins étaient un moteur 12V et une vitesse de rotation de 60 à 100 tours par minutes (tr/mn ou rpm), avec ou sans réducteur.

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Le moteur sélectionné est un Portescap 35NT2R32-228E.50, un moteur à courant continu. Ce type de moteur a un stator magnétique et un rotor électrique : c’est donc la bobine de cuivre qui tourne. Il faut donc alimenter une partie du moteur en mouvement, pas facile ! On utilise pour cela un système de commutation du courant électrique appelé "balais", ou "charbons", ou "brush" en anglais. Il y a donc un effort mécanique et une usure potentielle, mais cela reste un moteur économique et facile à piloter. Les dernières générations comportent des innovations limitant l’usure et supprimant l’entretien des balais.

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Moteur CC 35NT2R32

Faisons l’exercice de lecture de la référence.
- 35 indique le diamètre (35 mm)
- NT indique la génération et la longueur (normale), ici 57 mm
- 2R indique l’utilisation de 2 roulements à bille de chaque côté
- 32 indique le type de commutateur (balais) et d’aimant : ici graphite et cuivre, ce qui justifie le terme de "charbons"
- 228E indique le nombre de couches et la connexion
- .50 est plus obscur, "execution coding" mais je n’en sais pas plus.

Ce qui nous intéresse dans ce moteur est qu’il respecte la tension souhaitée (12 volts) et la vitesse lente (4320 rpm) et qu’il ne soit pas complètement hors norme côté dimensions (ci-dessus) et poids (310 grammes) ni consommation (1,87 ampères).

Bon, maintenant reste le couple : habitués à nos moteurs pas-à-pas, le couple annoncé peut surprendre : 0.058 Nm. Mais il ne faut pas oublier qu’on connecte le moteur CC (courant continu) à un réducteur pour obtenir la vitesse utile, donc le couple augmente. Pas d’autant, il faut bien enlever 20% à cause des frottements mécaniques à l’intérieur du réducteur (engrenages) : mettons qu’on utilisera le moteur à 3000 rpm, avec une réduction de 60:1, on peut compter sur un couple multiplié par 40 soit plus de 2 Nm, ce qui est largement suffisant.

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Il sera équipé d’un réducteur "K40.2R.0 60:1 ou "R40.0 85.3:1". Les technologies sont différentes : engrenages ("spur gears") contre "planétaire" (des engrenages concentriques) mais l’utilisation est la même : résistance de 3 Nm, vitesse en entrée de 4000 tours minutes et jeu inférieur à 10 microns. Ces modèles sont équipés de roulements à billes sphériques (par oppositions aux roulements cylindriques, "sleeve").

 Moteurs brushless BLDC

Ces moteurs à courant continu de technologie récente se différencient en inversant bobines et aimants par rapport aux moteurs CC originels : le rotor est un aimant permanent et le stator porte les bobines (comme dans un moteur pas-à-pas). Il n’y a donc pas besoin de balais pour transmettre le courant électrique dans les bobines, d’où leur nom de "brushless" (lit. sans brosses).

On les connaît bien en modélisme, où on les utilise pour les hélices des avions. C’est d’ailleurs un genre particulier de brushless, dits "à cage tournante" car les bobines sont à l’intérieur et la partie qui tourne n’est pas un axe mais directement le boîtier.

Voici d’ailleurs un lien vers une présentation de Louis Fourdan présentant les moteurs BLDC.

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Datasheet 22BL 8B

Une des raisons de notre étude des moteurs est de se mettre à cette technologie. Le modèle qui retient mon attention est le Portescap 22BL 8B. C’est un petit moteur (22 mm de diamètre pour 57 mm de long), qui accepte de 5 à 24 volts et qui peut s’asservir en utilisant des capteurs à effet Hall (un par phase, et il y a 3 phases dans un moteur brushless).

Ce sera un moteur très pratique pour un robot de petite dimension ou même pour des balises à tête mobile. Ce sera aussi l’occasion de tester les circuits intégrés permettant de piloter un brushless, comme le UDN2936W ou la paire L6234 (puissance) et GAL16V8 (capteurs et commande). Ou les nouveaux drivers de Microchip dont Henri nous a parlé en réunion.

Encore mieux : Soprolec nous a offert deux drivers pour moteurs BLDC que nous utilisons pour notre projet de banc moteur.

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Datasheet UDN2936W
driver de moteur brushless avec capteurs à effet hall

Piloter des moteurs BL

Un peu de lecture : Forum Futura Sciences

Portfolio

  • Bras d'1m attaché au moteur
  • Règle pour mesurer l'écartement
  • Dynamomètre pour mesurer la force
  • Courbe des tests réalisés par Pobot

[1sur Radiospares.

[2sur Radiospares.

[3sur Radiospares.

[4sur Avnet.

[5sur Avnet.

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