LE MOTEUR A COURANT CONTINU
Un moteur est un composant de conversion d’énergie électrique en énergie mécanique. Les moteurs à courant continu transforment l’énergie électrique en énergie mécanique de rotation, mais ils peuvent également servir de générateur d’électricité en convertissant une énergie mécanique de rotation en énergie électrique. C’est le cas par exemple de la dynamo sur un vélo.
Ce dernier point n’est pas à négliger, car même si dans la plupart des applications le moteur servira à générer un mouvement, il sera possible qu’il soit actionné “à l’envers” et génère alors du courant. Il faudra donc protéger le circuit de commande pour ne pas l’abîmer à cause de cette “injection” d’énergie non désirée.
Un moteur à courant continu est constitué :
-
d’un inducteur appelé aussi stator, composé soit d’aimants permanents soit d’enroulements bobinés autour d’un élément immobile du stator. Il crée le champ magnétique dit statorique.
-
d’un induit appelé aussi rotor, composé de tôles isolées entre elles et munies d’encoches dans lesquelles sont réparties les conducteurs qui créent le champ magnétique dit rotorique lorsqu’ils sont parcourus par un courant électrique.
-
d’un collecteur fixé à l’induit et en contact avec les charbons pour assurer le passage du courant électrique.
-
de charbons ou balais qui alimentent l’induit.
L’induit est plongé dans le champ magnétique créé par l’inducteur. Par l’intermédiaire des charbons et du collecteur, le courant électrique circule dans les enroulements de l’induit. Il se crée alors un champ magnétique dans chaque des spires de chaque enroulement et une force électro-magnétique (force de Laplace) provoque la rotation de l’induit autour de son axe.
Pour faire varier la vitesse de rotation d'un moteur, il faut faire varier la tension à ses bornes. Pour cela, nous utilisons une commande en MLI (Modulation de Largeur d'Impulsions) ou PWM (de l'anglais Pulse Width Modulation). Voir ici.
Pour inverser le sens de rotation, il faut inverser la polarité à ses bornes.
Le courant traversant le rotor varie avec le couple, on peut aussi limiter le courant pour limiter le couple.
Dans l'univers Arduino, le moteur à courant continu est essentiellement utilisé dans les applications robotiques. Les moteurs à courant continu tournent avec des vitesses relativement importantes (quelques milliers de tr/min). Il est donc obligatoire de mettre sur l'axe de rotation du moteur un réducteur de vitesse. Nous obtenons ainsi un moto-réducteur ayant des vitesses de rotation de quelques centaines de tr/min. Les moto-réducteurs consomment des courants important surtout au démarrage et sont souvent alimentés avec des tensions supérieures à 5 V, il est donc impératif d'insérer une interface de puissance entre la carte Arduino et le moto-réducteur.
Pour commander un moteur à courant continu ou un moto-réducteur, il existe 4 solutions :
-
Commande par relais 1RT
Le schéma suivant permet de faire tourner le moteur dans un seul sens et à vitesse constante. L’avantage de ce schéma est que le moteur est isolé galvaniquement de la partie commande. Il n’y pas de contact électrique entre la partie commande (microcontrôleur) et la partie puissance (moteur). Un moteur génère des parasites sur sa tension d’alimentation qui ne se répercutent pas sur la tension d’alimentation du microcontrôleur.
-
Commande par relais 2RT
Le schéma suivant permet de faire tourner le moteur dans les deux sens et à vitesse constante. Il y a également une isolation galvanique mais le moteur ne peut jamais être à l’arrêt.
-
Commande par transistor
Le schéma suivant permet de faire varier la vitesse de rotation du moteur grâce à un signal de commande en MLI mais le moteur ne peut tourner que dans un seul sens et il n’y a plus d’isolation galvanique.
-
Commande par pont en H
Le schéma suivant permet de faire varier la vitesse de rotation du moteur grâce à un signal de commande en MLI. Le moteur peut également tourner dans les deux sens de rotation et il n’y a plus d’isolation galvanique. Cette structure est appelée pont en H et se trouve sous forme de circuit intégré. Il existe même des modules compatibles Arduino pouvant piloter des moteurs.
Remarque :
Les robots présentés sur Arduino Passion possèdent tous deux moteurs (un pour chaque roue ou chenille). Cette technique de propulsion entraîne souvent une dérive dans la trajectoire voulue car les deux moteurs ne tournent pas exactement à la même vitesse même si ce sont les mêmes références. Pour remédier à ce problème, il faut faire un asservissement de vitesse des moteurs et installer sur les moteurs, des encodeurs qui fourniront à la carte Arduino une information sur la vitesse instantanée de chaque moteur. A partir de ces deux informations, il faut corriger la consigne pour obtenir exactement la même vitesse sur chaque moteur et ainsi avoir une trajectoire rectiligne.