Moteurs NEMA. Problèmes les plus fréquents

Les moteurs sont l'un des composants de base de toute imprimante 3D FFF. Ils sont chargés d'effectuer les mouvements nécessaires pour positionner la tête d'impression, ainsi que de tracter le filament dans l'extrudeur.

Les moteurs utilisés sont des moteurs pas à pas, les types les plus courants étant NEMA 17 et NEMA 23.

Image 1 : Types de moteurs NEMA. Source : motioncontrolproducts.com

Les moteurs pas à pas de bonne qualité ont une très grande fiabilité. La principale cause de défaillance d'un moteur est généralement externe, généralement liée au pilote d'alimentation ou à la connexion.

Moteurs pas à pas

Les moteurs pas à pas sont un type de moteur à rotation continue. La rotation se produit par sauts discrets d'un angle donné. C'est un moteur à mi-chemin entre un moteur à courant continu standard et un servomoteur. Comme les moteurs à courant continu, ils permettent de multiples rotations à 360 °, tout en permettant un positionnement angulaire précis, comme les servomoteurs.

Les plus couramment utilisés dans les imprimantes 3D sont des moteurs pas à pas hybrides bipolaires, généralement au format NEMA17 ou NEMA23. Les moteurs hybrides combinent la petite capacité de pas à pas des moteurs VR avec la capacité d'inertie élevée des moteurs à aimant permanent. D'autre part, les moteurs bipolaires fournissent un couple et un ancrage plus élevés que les moteurs unipolaires tout en étant plus légers et de taille réduite, mais ils nécessitent des contrôleurs de puissance spécifiques.

Pour choisir un moteur pas à pas, il faut connaître ses principales caractéristiques :

• Pas : Il s'agit de l'angle minimum que le moteur peut faire tourner directement (sans l'utilisation de contrôleurs à micropas). Nous pouvons généralement trouver des moteurs avec des pas de 1,8 º ou 0,9 º. En général, un pas plus petit implique une plus grande précision, mais aussi une vitesse de rotation maximale plus faible.
• Courant de travail : C'est la valeur maximale du courant auquel nous devons alimenter le moteur pour qu'il fonctionne correctement. Plus nous appliquons de courant au moteur, plus nous obtiendrons de couple et, par conséquent, il sera capable de supporter de plus grandes inerties sans perdre de pas, mais il produira également un plus grand échauffement et une plus grande usure. L'utilisation de courants supérieurs à ceux spécifiés par le fabricant entraînera la détérioration et la défaillance du moteur.
• Voltage par phase : Il s'agit du voltage requis par chacune des bobines pour fonctionner correctement.
• Résistance de phase : Il s'agit de la résistance électrique fournie par chacune des bobines.
• Inductance de phase : la valeur maximale de l'inductance générée par chacune des bobines lorsqu'elle est activée.
• Précision du positionnement : l'écart maximal qui peut se produire lors d'un mouvement de rotation. En général, une valeur inférieure représente une plus grande précision.
• Température maximale de fonctionnement : il s'agit de la température maximale de fonctionnement que le moteur peut supporter. Le dépassement de cette température pendant des périodes prolongées entraînera une panne du moteur.
• Inertie du rotor : Il s'agit de l'inertie fournie par le rotor à vide en raison de son propre poids. L'inertie supportée par le moteur sera la somme de cette inertie et de l'inertie des éléments couplés au moteur.
• Couple de rétention : Il s'agit du couple maximal que le moteur peut supporter lorsque les phases sont inactives (pas de courant), sans faire tourner l'arbre.
• Couple d'ancrage : C'est le couple maximal que le moteur peut supporter lorsqu'il est à l'arrêt et que les phases sont actives (avec du courant), sans provoquer de rotation de l'arbre. La valeur est considérée pour un moteur alimenté par le courant maximum.
• Couple de démarrage : il s'agit du couple nécessaire pour vaincre l'inertie du rotor afin qu'il commence à tourner.
• Couple de rotation : Il s'agit du couple maximal que le moteur peut supporter lorsqu'il tourne sans provoquer de perte de pas. La valeur est considérée pour un moteur alimenté par le courant maximum.

Si nous recherchons un moteur qui nous permette d'utiliser des vitesses élevées et de supporter des inerties importantes pendant le mouvement, par exemple dans le cas des axes XY, nous devons choisir un moteur avec des pas de 1,8 º et un couple élevé.

Le moteur de l'axe Z ne requiert pas des vitesses de travail élevées, de sorte qu'un moteur de 0,9 º permettra des mouvements plus fluides. Dans ce cas, il faut choisir un moteur ayant un couple de maintien et d'ancrage maximal pour supporter le poids de la plate-forme ou du portique (selon la conception de l'imprimante).

Connexion des moteurs pas à pas bipolaires

Pour connecter correctement les moteurs pas à pas, il est très utile de disposer de la fiche technique du fabricant, car la position des fils varie d'un modèle à l'autre.

Typiquement, un moteur pas à pas bipolaire aura 4 connexions consistant en deux circuits d'alimentation indépendants. Chaque circuit est composé d'un pôle positif et d'un pôle négatif qui alimentent chacune des bobines du moteur.

La première chose à savoir est la position de ces quatre connexions sur la carte de contrôle de notre imprimante. Nous pouvons trouver deux types de nomenclature sur les tableaux de commande. Le premier est 1A 1B 2A 2B, où chaque nombre représente un circuit et les lettres A et B représentent les pôles. La seconde est A A^- B B^- chaque lettre représente un circuit et l'accent est le pôle négatif.

Une fois que les connexions sur la carte ont été déterminées, il faut faire de même pour les moteurs.

Image 2. Exemple de connexions sur la fiche technique d'un moteur NEMA17. Source : Bondtech

Si une feuille de spécifications est disponible, l'ordre des fils dans le connecteur doit être consulté. Dans ce cas, la nomenclature A A^- B B^- est la plus courante.

Dans le cas où la carte et le moteur utilisent la même nomenclature, la connexion est aussi simple que l'appariement de chaque borne. S'ils utilisent une nomenclature différente, ils doivent être appariés comme suit :

• 1A - A
• 1B - A^- 
• 2A - B
• 2B - B^-

Si aucune fiche technique du moteur n'est disponible, la paire de connexions de chaque bobine doit être déterminée. Pour ce faire, on mesure la résistance à toutes les combinaisons possibles de paires de broches de connecteur. Lorsque la résistance n'est pas infinie, la première paire a été localisée. Les combinaisons les plus courantes utilisées par les fabricants de moteurs sont 1-3 4-6 ou 1-4 3-6, commencez donc par tester ces deux combinaisons.

Une fois localisée, chaque phase est connectée à chacune des bobines. Il est important que les deux phases soient connectées aux bobines avec la même polarité. Si nous les avons placées en phase inversée, lorsque nous envoyons du courant au moteur, celui-ci ne bougera pas et émettra un bruit. Dans ce cas, la polarité d'une des bobines doit être inversée.

Il est très important de maintenir les deux phases séparées, et l'état des connecteurs doit donc être vérifié fréquemment. Un mauvais contact ou un pont entre les phases provoquera l'arrêt du moteur.

Régler le courant des moteurs

Les moteurs pas à pas sont alimentés par des contrôleurs ou des pilotes spécifiques. Il existe de nombreux modèles différents sur le marché. Les modèles de qualité supérieure offrent généralement une plus longue durée de vie et un fonctionnement plus silencieux.

Parmi les modèles disponibles, il existe deux méthodes pour régler le courant envoyé aux moteurs :

• Au moyen d'une vis de réglage. En général, les drivers de qualité inférieure ou moins chers permettent de régler le courant de sortie au moyen d'un potentiomètre en forme de vis. Dans ce cas, il est nécessaire d'utiliser un multimètre et un tournevis céramique de précision pour effectuer le réglage.
  Dans ce cas, le réglage peut être effectué de deux manières :
  
• Par courant : Lorsque l'imprimante est allumée et les moteurs connectés, le courant dans l'une des phases est mesuré et ajusté à la valeur appropriée. Cette méthode n'est pas recommandée, surtout la première fois qu'un nouveau pilote est connecté, car les moteurs sont initialement alimentés sans savoir si le courant de sortie est supérieur au courant admis par le moteur.
• Par le voltage de référence : C'est une méthode un peu plus complexe, mais plus recommandable. Nous devons d'abord déterminer la tension de référence requise à l'aide de la formule :

$Vref\; =\; I$_max · 8 · Rs

Où I_max est le courant maximal auquel le moteur sera alimenté (généralement au maximum 90 % du maximum spécifié par le fabricant) et Rs est la résistance de détection du driver.

Pour le régler sur le driver, il suffit de mettre le driver sous tension, de mesurer la tension entre la broche Vref (généralement le potentiomètre lui-même) et une broche de masse (généralement la broche d'alimentation) et de régler la valeur appropriée à l'aide du potentiomètre.

• Par firmware : De nombreux drivers de courant ne possèdent pas de potentiomètre de réglage et permettent de régler le courant de sortie directement par firmware. Pour ce faire, il suffit de définir la valeur de courant appropriée dans la section moteur du microprogramme.

Lors de la sélection du courant de sortie des drivers, il n'est pas conseillé d'utiliser la valeur maximale déterminée par le fabricant. Afin de prolonger la durée de vie des moteurs, ne pas dépasser 90 % de la valeur maximale du fabricant, l'optimum étant le courant minimal nécessaire pour générer un couple suffisant pour résister aux inerties.
Un courant plus élevé, en plus d'un couple plus élevé, signifie également un échauffement plus important, un bruit plus élevé du moteur et une usure plus importante.

Vitesse maximale d'un moteur pas à pas

Les moteurs pas à pas sont commandés par impulsions, de sorte que la vitesse maximale du moteur dépend de la fréquence maximale du signal que la carte de commande est capable d'envoyer. En outre, il faut tenir compte du fait qu'en général, plusieurs moteurs fonctionnent simultanément, de sorte que la fréquence de chacun d'eux diminue.

Par exemple, si la carte de contrôle fonctionne à 100 000 Hz et que 4 moteurs (X, Y, Z et extrudeuse) fonctionnent simultanément, chaque moteur sera contrôlé à 25 000 Hz, soit 25 000 impulsions par seconde. Cela signifie qu'un moteur de 1,9 ° sans micropas sera capable de tourner à un maximum de 125 rps. Dans un système de transmission par courroie GT2 à 8 dents (le plus courant), cela se traduit par une vitesse linéaire maximale théorique de 3600 mm/s.

Dans le cas d'un microstepping, la vitesse maximale est réduite proportionnellement. Ainsi, si 16 micropas sont utilisés, la vitesse maximale est de 225 mm/s, mais si 256 micropas sont utilisés, la vitesse maximale est réduite à seulement 14 mm/s.

Il est très important de connaître la fréquence de fonctionnement de la carte de commande, car la combinaison d'une fréquence de sortie basse avec une configuration de micropas élevée peut faire que la vitesse maximale autorisée soit inférieure à la vitesse d'impression, ce qui entraîne une perte importante de pas.

Réglage approprié des pas par mm

Lorsque le signal de mouvement est transmis au moteur, il est envoyé sous forme de rotation, mais les mouvements inclus dans les fichiers d'impression sont linéaires. C'est pourquoi l'imprimante doit être capable de traduire le mouvement angulaire en un mouvement linéaire.

Le mouvement est généralement transmis au moyen de poulies et de courroies dentées, de sorte que la conversion pas/mm dépend du diamètre des poulies. Pour le calculer, il suffit d'appliquer la formule suivante :

pas/mm = (360/P) · MS
                    2 · π · R_poulie   

Où P est le pas du moteur, MS les micropas configurés (1 en cas de non utilisation du micropas) et R_poulie le rayon de la poulie utilisée.

Dans le cas des mouvements transmis par vis, c'est le pas de la vis qui définit la vitesse d'avance. À cette fin, la formule suivante est simplement appliquée :

pas/mm = (360/P) · MS
                    A

Où P est le pas du moteur, MS les micropas configurés (1 en cas de non utilisation du micropas) et A le pas du filet de la vis.

Il existe également de nombreuses calculatrices qui permettent d'obtenir facilement ces valeurs, comme celle proposée par Prusa Printers.

Une fois ces valeurs obtenues, et bien qu'en théorie elles soient correctes, il est conseillé d'effectuer un étalonnage précis pour compenser les éventuels défauts de fabrication ou d'assemblage.

Pour ce faire, il faut imprimer un cube de dimensions connues (par exemple 50 x 50 x 50 mm) et mesurer les dimensions réelles. Une fois que cela est fait, la formule suivante doit être appliquée :

pas/mm = D_théorie · P_actuel
                    D_real

où D_théorique est la taille théorique que devrait avoir la pièce, P_actuel est le réglage actuel de P/mm et D_real est la valeur de mesure obtenue à partir de la pièce imprimée. En introduisant la nouvelle valeur Pas/mm, vous devriez obtenir des pièces aux dimensions appropriées.

Considérations à prendre en compte

• Perte de pas : Une perte de pas est généralement causée par un couple excessif dans le moteur. De grandes accélérations ou des vitesses de changement de direction élevées provoqueront des inerties que le couple du moteur ne pourra pas compenser, ce qui entraînera une perte de pas. De même, la combinaison de fréquences de signal basses et de réglages de micropas élevés réduira considérablement la vitesse maximale du moteur. Si la vitesse d'impression dépasse cette valeur, une perte de pas se produira également. Dans tous les cas, la perte de pas dans une imprimante en boucle ouverte entraînera une perte de position.
• Température : un réglage de courant élevé entraîne un échauffement du moteur. Si le moteur se trouve à l'intérieur d'une structure fermée ou chauffée qui ne permet pas à la chaleur de se dissiper correctement, la température de fonctionnement peut être dépassée, entraînant la démagnétisation des aimants et un mauvais fonctionnement ou une panne du moteur. Dans les imprimantes fermées, il est conseillé de placer les moteurs à l'extérieur de la chambre ou, si cela n'est pas possible, de réduire le courant au minimum nécessaire.
• Hystérésis : C'est un phénomène intrinsèque aux moteurs. Il peut provoquer une petite erreur de position à la fin d'un mouvement. L'utilisation de moteurs de qualité réduira cette erreur.
• Résonance : tous les moteurs ont une fréquence naturelle. Si la fréquence des impulsions envoyées au moteur est similaire à la fréquence naturelle, un effet de résonance se produira. Cela entraînera une augmentation des vibrations, du bruit et de l'usure.
• Réglages du pas : Un mauvais réglage des pas/mm entraînera une erreur de positionnement, qui se traduira par des erreurs dimensionnelles dans les pièces.
• Connexion : le mélange ou le pontage des phases fait que le moteur tourne de façon irrégulière ou pas du tout. Si vous placez une phase avec la polarité inversée par rapport à l'autre, le moteur ne tournera pas. L'inversion de la polarité des deux phases, lorsqu'elles sont correctement connectées, fait tourner le moteur dans le sens inverse.

Ce guide aborde les concepts de manière générale et ne se concentre pas sur une marque ou un modèle particulier, bien qu'ils puissent être mentionnés à un moment donné. Il peut y avoir des différences importantes dans les procédures d'étalonnage ou de réglage entre les différentes marques et modèles, il est donc recommandé de consulter le manuel du fabricant avant de lire ce guide.