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Schéma électronique du montage :

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Le schéma proposé précédemment est le résultat de la démarche suivante :

Le système doit pouvoir délivrer, pour chacune des quatre étapes du cycle, quatre signaux ; les quatre étapes ont une même durée T variable. Parmi les quatre signaux, deux sont les compléments des deux autres ; il suffira alors de produire deux signaux de référence, et de les complémenter. Les quatres étapes seront séquencée par un compteur binaire à deux étages, et donc à deux sorties, (quatre états : 00, 01, 10, 11, soit un par étape) ; ce compteur intègrera si possible un oscillateur variable pour rythmer le défilement des étapes ; les deux sorties du compteur fourniront, via un adaptateur constitué d'un minimum de portes logiques, les deux signaux de référence plus les compléments de ces signaux, soit les quatre informations qui piloteront les organes de puissances (transistors alimentant les bobines).

On retrouve, dans la structure présentée ci-dessus, les éléments définis, à savoir :

• Un compteur à deux étages avec oscillateur variable intégré.
  
• Une 'matrice' à portes logiques qui convertit les quatre combinaisons binaires fournies par les deux sorties du compteur de manière à délivrer les signaux attendus (reportez-vous à la rubrique 'Moteur PàP').
  
• L'adaptateur de puissance (transistors CMOS) sur chacune des quatre sorties.
  

La partie oscillateur-compteur :

L'ensemble est confié à un composant ultra-courant, le CD 4060. Ce compteur intègre :

- Un oscillateur constitué de deux portes logiques accessibles au niveau des broches 9 (Phi0), 10 (Phi0\) et 11 (Phi1). On lui associe ses classiques éléments R-C, avec C = C5, R étant constituée de R1 + P1 ; le potentiomètre P1 est l'élément variable, R1 sert de résistance 'talon' car il faut une valeur minimale pour que le système oscille correctement.
La fréquence de référence Fr est disponible sur la broche 9 (Phi0) ; elle vaut très approximativement : Fr = 1 / (3 x R x C) ; elle attaque en interne l'entrée du compteur.

- Le compteur binaire à quatorze étages, dont seules quelques-unes des sorties Q0 à Q13 sont disponibles sur le boitier : Q3 (broche 7), Q4 (br 5), Q5 (br 4), Q6 (br 6), Q7 (br 14), Q8 (br 13), Q9 (br 15), Q11 (br 1), Q12 (br 2) et Q13 (br 3).
La fréquence sur la sortie Qn vaut Fn = Fr / (2 puissance n+1).
Ainsi, si Fr (broche 9) vaut 10 kHz, F sur Q7 (broche 14) vaudra : F7 = Fr / 256 = 39 Hz.
Toutes les sorties n'étant pas disponibles sur le circuit, il suffit d'en choisir deux consécutives : par exemple Q7 et Q8 ; il faudra simplement adapter Fr, c'est-à-dire les valeurs de R1, P1 et C5, en fonction du rapport de division des fréquences. La valeur de Fr sera assez élevée (1-10 kHz environ), et donc facile à mesurer avec un simple multimètre en position 'fréquencemètre'.
Un interrupteur sur la RAZ (remise à zéro) permet de bloquer la rotation du moteur en appliquant, lorsqu'il est fermé, un niveau logique haut sur cette entrée.

La partie convertisseur :

Voici le chronogramme qui représente les différents signaux entrant et sortant du module convertisseur :

Table de vérité de la porte Ou-Exclusif :

XOR	E1	E2	S
	0	0	0
	0	1	1
	1	0	1
	1	1	0

Cette fonction 'ou-exclusif' est intéressante : un boitier standard (en CMOS : CD 4030 ou CD 4070) contient quatre portes de ce type ; deux d'entre-elles vont donc être utilisées pour obtenir les compléments P1\ et P2\ de P1 et P2 ; en effet : si l'on relie l'une des deux entrées d'une porte ou-exclusif (XOR) à '1', on obtient une porte inverseuse (voir table de vérité). La troisième porte est utilisée pour obtenir P2 à partir de Q7 et Q8. Il reste une porte disponible ; elle va servir à autoriser l'inversion du sens de rotation : pour ce faire il suffit d'inverser l'une des phases, P1 ou P2 (et donc P1\ ou P2\) ; choisissons P1 ; appliquons-la à l'entrée d'une porte 'ou-exclusif' : elle apparaîtra en sortie, complémentée ou non selon le niveau logique appliqué à la deuxième entrée de cette porte (voir table de vérité).

La partie puissance :

Nous utiliserons de simples transistors MOS (canal N) ; ils présentent les avantages suivants :
- ils sont bon marché et généralement disponibles.
- ils peuvent commuter un fort courant en ayant une tension Vds faible (d'où une puissance dissipée faible).
- ils peuvent être commandés par une tension, sous un courant infime, donc directement par une porte logique.
Sur le schéma, figurent également des leds pour visualiser l'état des phases, ainsi que des diodes dites 'de roue libre', habituelles dans le cas de charges inductives.
Le montage en 'source commune' du transistor introduit une opposition de phase entre le signal de commande et celui présent au niveau du drain, ce qui est sans importance compte-tenu de la nature des signaux (déphasages de + ou - 90°, rapports cycliques de 50 %) qui sont, de toute façon, complémentés deux à deux.

Fonctionnement de l'oscillateur/diviseur CD4060 :

L'horloge, cadencée par R (= 4,7ko + potar) et C (= 4,7 nF) produit la fréquence de référence Frc, qui va être envoyée aux 14 étages "diviseurs par 2". Les sorties S8 et S9 vont délivrer respectivement des signaux à Frc/256 et Frc/512, qui sont les signaux Q7 et Q8 du chronogramme fourni plus haut. Comme expliqué à la rubrique [Moteur PàP] du menu, une période du signal S9 (ou Q8) détermine une avancée de quatre pas du moteur.

Un pas a donc une durée D :
D = T/4 = 1/4 x 1 / [Frc/512] = 1/4 x (512/Frc)
D (durée d'un pas en secondes) = 128/Frc

Le moteur décrit à la rubrique [Moteur PàP] fait un tour complet en quatre pas : il est purement théorique ; les moteurs réels contiennent bien sûr plusieurs paires de pôles permettant une rotation plus lente, avec surtout un pas bien plus précis : le moteur que j'ai utilisé pendant mes essais faisait un tour en 48 pas, il portait la mention "7,5 DEG" qui fait implicitement référence au pas angulaire, d'où N, le nombre de pas par tour :

N = 360° / 7,5° = 48 pas / tour.

Des internautes ont plusieurs fois évoqué l'utilisation d'un moteur avec N=200 pas par tour (un pas fait un angle de 1,8°) ; il existe sûrement d'autres valeurs plus ou moins standard. Connaissant N, on peut alors déterminer la durée Dt d'un tour :

Dt = D x N
Dt (durée d'un tour en secondes) = (128 x N) / Frc

La vitesse de rotation V se déduit de manière instantanée :

V = 1 / Dt
V (vitesse en tours par seconde) = Frc / (128 x N)
V (vitesse en tours par minute) = (60 x Frc) / (128 x N) = (0,47 x Frc) / N

La fréquence Frc (Hz) vaut approximativement 1 / (3 x R x C), R étant la somme de la valeur du potentiomètre 50 ko et de la résistance talon de 4,7 ko, C étant le condensateur de 4,7 nF ; mais la formule est trop approximative à mon goût, et il vaut mieux se fier à la valeur de Frc mesurée sur la broche 9 du CD4060 (voir données numériques dans ce qui suit).

Voici quelques applications numériques avec les deux moteurs (N=48 et N=200) :

Les durées et vitesses sont déterminées à partir des valeurs mesurées de Frc, et non des valeurs théoriques.

Si vous ne connaissez pas N, vous pourrez le déterminer en mesurant Frc (en rotation rapide) et en chronométrant le temps mis pour faire un nombre donné de tours (ou en comptant le nombre de tours pendant un temps donné) ; pour la suite, inspirez-vous des formules.

Rien ne vous interdit de changer la gamme de vitesses du moteur en augmentant C ou R (Frc diminue, rotation plus lente), ou en les diminuant (Frc augmente, rotation plus rapide). Attention, cependant, les moteurs pas-à-pas ne sont pas conçus pour tourner vite, si vous leur imposez une séquence trop rapide, ils risquent de manquer des pas, ce qui se caractérise par un mouvement saccadé, voir une immobilité et de fortes vibrations. Le couple (disons la force, pour simplifier) diminue également lorsque la vitesse augmente.

La logique de contrôle et le moteur peuvent être alimentés par deux sources différentes, avec une masse commune ; la partie la plus critique concerne l'alimentation côté moteur ; la limitation du courant dans les bobines s'effectue habituellement de plusieurs manières :
- en jouant sur la tension de sortie de l'élément de commutation (transistor de sortie) : c'est lui qui compense la baisse de tension au niveau de la bobine, mais sa puissance dissipée augmente d'autant, car il n'est plus dans un régime de saturation, et cela impose un système de régulation du courant qui compliquerait le montage.
- par l'introduction d'une résistance en série sur le(s) commun(s) ou sur chaque phase (pour calculer sa valeur, considérez le fait que seules deux phases sont alimentées à un instant donné, ainsi que la chûte de tension désirée) ; méfiez-vous de la puissance dissipée !
- par l'adaptation de la tension d'alimentation du moteur, si vous disposez d'une source ajustable (éventuellement par hachage).

Avec les différents moteurs que j'ai eu à ma disposition, j'ai fait les constatations suivantes :
- Un moteur alimenté directement en +12V devient vite très chaud, cette tension est généralement trop élevée ou nécessite la mise en série de résistances (de puissance !).
- Un échauffement raisonnable est néanmoins normal et entre dans le cadre de conditions de fonctionnement nominales.
- Les circuits CMOS qui constituent le système tolèrent une certaine gamme de tensions d'alimentation (4-15V) et le régulateur +5V peut être remplacé par un modèle 8V de type 7808, voire tout simplement supprimé si la tension d'alimentation est suffisamment stable : dans ce cas, soudez un strap entre les bornes 1 et 3 (E et S) en place et lieu du régulateur. Si vous utilisez un régulateur, la tension d'alimentation doit être supérieure d'au moins 3V à la tension de sortie de celui-ci.
- Une tension de +5 à +7V pour l'alimentation directe des moteurs semble constituer un bon compromis.

Voici une configuration simple, qui devrait fonctionner avec des moteurs de taille raisonnable : remplacez le régulateur par un strap ; l'ensemble (commande et moteur) est alimenté par un petit bloc d'alimentation multi-tensions bon marché, capable de délivrer un courant suffisant ; essayez d'améliorer le filtrage en rajoutant en parallèle à l'alim un condensateur de 1000 ou 2200 µF (respectez le sens de branchement !) ; choisissez une position qui donne une tension de sortie de l'ordre de 6V en vérifiant cette valeur en charge, et au multimètre ; n'accordez aucune confiance à la valeur indiquée sur le commutateur du bloc.

Pour être complet, signalons qu'en statique, le courant qui assure le couple de maintien est moins important que celui nécessaire à l'entraînement du rotor ; on pourrait envisager une amélioration, en réduisant le courant au repos : l'interrupteur qui bloque la rotation (VALID) peut commander un relais qui viendrait mettre en série une résistance sur le commun des bobinages...
Les interrupteurs SENS et VALID peuvent être remplacés directement par des sorties de portes logiques (commande par un dispositif automatique)...

Voilà les quelques infos concernant le fonctionnement du montage ; le tout est un peu touffu et mérite d'être relu à tête reposée...

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