Moteurs Pas-à-Pas NEMA17 et NEMA23 : Guide Complet

Pourquoi les moteurs pas-à-pas ?

Un moteur pas-à-pas (stepper motor) se déplace par incréments angulaires fixes et reproductibles sans capteur de position. Contrairement à un moteur DC qui tourne librement, chaque impulsion électrique produit un déplacement précis et constant — appelé pas. C'est cette propriété qui les rend incontournables dans les applications où la position doit être contrôlée avec exactitude : imprimantes 3D, CNC, bras robotiques, platines de mise au point motorisée, systèmes de surveillance pan-tilt.

Les formats NEMA17 et NEMA23 sont les plus répandus dans l'électronique maker et l'automation légère. Le chiffre désigne la taille de la face avant selon la norme américaine NEMA (National Electrical Manufacturers Association) : NEMA17 = 42,3 mm × 42,3 mm, NEMA23 = 57,2 mm × 57,2 mm.

Fonctionnement électromagnétique

Un moteur pas-à-pas bipolaire — le type le plus courant — comporte deux bobines (phases A et B) enroulées autour d'un stator à dents. Le rotor est un aimant permanent dont les pôles s'alignent avec les dents du stator selon la bobine excitée.

En alimentant les bobines dans une séquence précise, le champ magnétique tourne et entraîne le rotor d'un nombre fixe de degrés à chaque changement d'état :

Séquence pas complet (full step) — 4 états :
État 1 : A+ / B+   → rotor à 0°
État 2 : A- / B+   → rotor à 90°  (1 pas = 90° sur un moteur 4 pôles)
État 3 : A- / B-   → rotor à 180°
État 4 : A+ / B-   → rotor à 270°

Du pas complet au microstepping

Un moteur standard possède 200 pas par tour, soit 1,8° par pas. En modulant l'amplitude du courant dans chaque bobine plutôt qu'en les commutant brutalement, le driver peut positionner le rotor entre deux pas entiers — c'est le microstepping :

NEMA17 vs NEMA23 : comparatif

Précision angulaire

La précision angulaire d'un moteur pas-à-pas est définie par deux paramètres distincts :

Précision de pas (step accuracy)

La norme spécifie une tolérance de ±5 % d'un pas, non cumulée — l'erreur ne s'additionne pas de pas en pas. Sur un moteur à 1,8°/pas, cela représente ±0,09°. En pratique, les moteurs hybrides de qualité atteignent ±3 %.

Résolution angulaire selon le nombre de pas

1,8°  par pas → 200 pas/tour   (standard)
0,9°  par pas → 400 pas/tour   (moteur haute résolution)
0,72° par pas → 500 pas/tour   (rare, applications optiques)

Avec microstepping 1/16 sur moteur 1,8° :
→ 3 200 pas/tour → résolution électronique : 0,1125°/pas

Répétabilité vs précision absolue

Les moteurs pas-à-pas excellent en répétabilité (revenir toujours exactement au même endroit) plutôt qu'en précision absolue. Ils sont dits en boucle ouverte : le contrôleur envoie des impulsions mais ne vérifie pas si le rotor a bien suivi. Un couple excessif, une accélération trop brutale ou une résonnance peuvent provoquer une perte de pas — le moteur décroche sans que le système le sache.

Le couple : maintien, détente et dynamique

Le couple d'un moteur pas-à-pas se décline en plusieurs valeurs qui correspondent à des situations différentes :

Couple de maintien (holding torque)

Couple maximal que le moteur peut opposer à une force extérieure lorsqu'il est alimenté et à l'arrêt. C'est la valeur affichée dans les fiches techniques. Il dépend directement du courant de phase : doubler le courant double approximativement le couple, jusqu'à saturation magnétique.

Couple de détente (detent torque)

Couple résiduel présent même hors tension, dû à l'attraction des dents du rotor vers les dents du stator. Faible (2 à 5 % du couple de maintien) mais perceptible : c'est ce qui donne la sensation de "crantage" quand on tourne l'axe à la main.

Couple dynamique et courbe vitesse-couple

À mesure que la vitesse augmente, le couple chute car les bobines n'ont plus le temps de se magnétiser complètement entre deux pas (effet de l'inductance). La relation est représentée par la courbe vitesse-couple :

Couple
  │
  │████████████████
  │              ████
  │                 ████
  │                    ████
  │                        ██
  └─────────────────────────── Vitesse (tr/min)
    Zone utile       Zone limite

Pull-out torque

Couple maximal que le moteur peut fournir en mouvement sans perdre de pas, à une vitesse donnée. C'est la valeur déterminante pour dimensionner un axe de machine. Elle est toujours inférieure au couple de maintien.

Vitesse et résonance

Vitesse maximale

La vitesse maximale utile d'un moteur pas-à-pas dépend de :

• L'inductance des bobines — plus elle est faible, plus le courant monte vite, plus la vitesse peut être élevée
• La tension d'alimentation du driver — une tension plus haute force le courant plus rapidement
• Le couple résistant de la charge — réduire la charge permet d'aller plus vite

En pratique : un NEMA17 typique atteint 300 à 600 tr/min en utile, un NEMA23 plutôt 200 à 400 tr/min (bobines plus inductives).

Zones de résonance

Les moteurs pas-à-pas ont des fréquences de résonance mécanique (généralement entre 100 et 200 Hz en full step) où le rotor entre en oscillation. À ces fréquences, le moteur perd du couple, vibre fortement et peut perdre des pas. Solutions :

• Utiliser le microstepping — les pas plus petits passent rapidement sur les fréquences de résonance
• Utiliser des drivers avec interpolation SpreadCycle ou StealthChop (TMC) qui lissent le courant
• Éviter de travailler à vitesse constante dans la zone de résonance — accélération et décélération progressives

Profils d'accélération

Un moteur pas-à-pas ne peut pas démarrer à pleine vitesse — il doit être accéléré progressivement pour ne pas perdre de pas. Les profils courants :

Vitesse
  │         ┌──────────┐
  │        /            \
  │       /              \
  │      /                \
  └─────/──────────────────\──── Temps
    Accél.   Vitesse max   Décél.

Profil trapézoïdal : simple, efficace, standard
Profil en S (sigmoïde) : plus doux mécaniquement, réduit les vibrations

Les drivers : le cerveau du moteur

Le driver est le circuit qui traduit les impulsions logiques (STEP/DIR) d'un microcontrôleur en courant de phase modulé pour les bobines. C'est lui qui gère le microstepping, la protection thermique, et la qualité du mouvement.

A4988 — le classique universel

Puce Allegro A4988, popularisé par les imprimantes 3D RepRap et Prusa i3. Simple à câbler, très répandu, économique.

# Brochage type (module breakout)
VMOT  : alimentation moteur (8 à 35 V)
GND   : masse moteur
VDD   : alimentation logique (3,3 ou 5 V)
STEP  : impulsion de pas (1 impulsion = 1 pas selon mode)
DIR   : sens de rotation (HIGH ou LOW)
MS1/MS2/MS3 : sélection du mode microstepping
RESET / SLEEP : gestion de l'état du driver
1A/1B/2A/2B : sorties vers les bobines du moteur

DRV8825 — plus de courant et 1/32 step

Puce Texas Instruments DRV8825, compatible broche-à-broche avec l'A4988 (attention : le sens d'insertion est inversé sur certains modules). Avantages principaux :

• Courant maximum : 2,5 A par phase (vs 2 A pour l'A4988)
• Microstepping jusqu'à 1/32
• Tension d'alimentation jusqu'à 45 V
• Protection thermique et surintensité intégrées

# Sélection microstepping DRV8825
MODE0 / MODE1 / MODE2 → même logique que MS1/MS2/MS3 sur A4988
HIGH HIGH HIGH → 1/32 step (non disponible sur A4988)

TMC2208 — silence et précision

Puce Trinamic TMC2208, révolution dans l'imprimante 3D moderne (Creality Ender 3 v2, Prusa MK3…). Deux modes de fonctionnement sélectionnables :

• StealthChop2 — courant sinusoïdal ultrasilencieux, idéal à basse vitesse. Bruit quasi nul.
• SpreadCycle — régulation plus dynamique, meilleur couple à haute vitesse, légèrement plus bruyant

Interpolation interne à 1/256 microstepping même si le mode sélectionné est 1/16 — chaque pas logique est subdivisé en 16 micropas internes pour un mouvement parfaitement fluide.

# Configuration via UART (1 fil)
# Permet de lire/écrire tous les registres du driver depuis un microcontrôleur
# Exemples de registres accessibles :
# - IRUN  : courant en marche
# - IHOLD : courant de maintien à l'arrêt (réduction pour limiter la chaleur)
# - TPWMTHRS : seuil de basculement StealthChop → SpreadCycle
# - MICROSTEP_RESOLUTION : résolution microstepping

TMC2209 — le TMC2208 amélioré

Successeur direct du TMC2208, avec deux fonctionnalités supplémentaires majeures :

• StallGuard4 — détection de calage moteur sans encodeur, par analyse du courant de phase. Permet le homing automatique (retour en butée) sans fin de course physique.
• CoolStep — réduction automatique du courant selon la charge réelle, pour limiter la consommation et la chaleur
• Courant max : 2 A RMS / 2,8 A peak
• Communication UART sur une seule broche

# Exemple de configuration UART TMC2209 (Arduino/ESP32)
#include <TMCStepper.h>

TMC2209Stepper driver(&Serial2, R_SENSE, DRIVER_ADDRESS);

driver.begin();
driver.toff(5);                  // activation du driver
driver.rms_current(800);         // courant RMS en mA
driver.microsteps(16);           // résolution microstepping
driver.en_spreadCycle(false);    // false = StealthChop, true = SpreadCycle
driver.pwm_autoscale(true);      // autocalibration du courant sinusoïdal

TMC2130 — SPI et contrôle avancé

Version avec interface SPI (4 fils) à la place de l'UART. Permet une configuration identique au TMC2209 mais avec une lecture en temps réel de nombreux paramètres (charge, température, position stall…). Utilisé sur les machines haut de gamme nécessitant une supervision continue.

TB6600 — driver industriel entrée de gamme

Module à base de puce Toshiba TB6600, destiné aux NEMA23 et moteurs à fort courant. Caractéristiques :

• Courant de sortie jusqu'à 4,5 A
• Tension d'alimentation : 9 à 42 V
• Entrées optoisolées — séparation galvanique entre logique et puissance
• Microstepping via DIP switch : full, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32
• Format boîtier fermé avec radiateur intégré

L298N — solution de dépannage, non recommandée

Le L298N est un pont en H double classique, souvent utilisé par erreur pour les moteurs pas-à-pas en raison de son coût très faible. Ses limitations sont rédhibitoires pour un usage sérieux :

• Pas de régulation de courant — le courant dépend uniquement de la résistance des bobines
• Chute de tension interne importante (~2 V) → courant et couple réduits
• Pas de microstepping possible
• Rendement médiocre (~70 %) → forte dissipation thermique

À réserver aux tests ou au démarrage, jamais pour une application de production.

Comparatif des drivers

Contrôle avancé : TMC2160 et TMC4361A

Au-delà des drivers courants, la gamme Trinamic propose deux composants destinés aux applications industrielles exigeantes — ceux qui équipent la carte contrôleur NEMA23 Ecophot pour la motorisation de toit d'observatoire astronomique.

TMC2160 — driver haute puissance à MOSFETs externes

Le TMC2160 (TQFP-48) est l'équivalent haute puissance du TMC2130, mais avec une architecture à MOSFETs externes : le circuit intègre uniquement les drivers de grille, la régulation de courant et le cœur numérique. Les transistors de puissance (pont en H) sont placés sur le PCB, ce qui permet d'atteindre des courants très élevés.

• Courant moteur : jusqu'à 5,5 A RMS en continu (20 A crête avec MOSFETs appropriés)
• Tension d'alimentation : 8 à 60 V
• Microstepping : 1/256 natif (sans interpolation)
• Interface : SPI 4 MHz bidirectionnel — lecture en temps réel de tous les paramètres
• Modes : StealthChop2, SpreadCycle, StallGuard4, CoolStep — identiques au TMC2209
• Dissipation : heatsink obligatoire au-dessus de 3 A continus — la puce elle-même chauffe peu, les MOSFETs externes concentrent la chaleur

# Exemple d'utilisation sur notre carte NEMA23 :
# TMC2160 piloté via SPI par STM32F103C8T6
# MOSFETs externes : DMHT6016LFJ (quad N-MOSFET en V-DFN5045-12)
# 1 boîtier DMHT = 1 phase moteur (2 boîtiers pour NEMA23 bipolaire)
# Tension moteur : 24 V  |  Courant nominal : 2 A RMS

# Configuration SPI (datagrams 40 bits, MSB en premier, front montant SCK)
GCONF    = 0x00  # configuration générale
IHOLD    = 10    # courant de maintien (0-31)
IRUN     = 20    # courant en marche  (0-31)
IHOLDDELAY = 6   # délai de transition run→hold

TMC4361A — contrôleur de mouvement avec rampes S-curve matérielles

Le TMC4361A (QFN-40) n'est pas un driver de puissance — c'est un contrôleur de mouvement autonome qui se place entre le microcontrôleur et le driver. Il prend en charge entièrement le calcul des trajectoires, libérant le CPU de toute gestion temps-réel des pas.

• Générateur de rampes S-curve 7 segments (jerk-free) — accélération et décélération parfaitement lissées, sans à-coup
• SixPoint™ — profil de vitesse optimisé couple/vitesse pour chaque segment
• Fréquence de pas : jusqu'à 16 MHz (64× microstepping hardware)
• Boucle fermée encodeur — ABN incrémental, SSI ou SPI absolu. Le TMC4361A corrige en temps réel les écarts entre position commandée et position mesurée
• dcStep™ — détection de perte de pas par analyse du courant, adaptation automatique de la vitesse à la charge
• Interface : SPI vers le μC + SPI passthrough vers le driver (TMC2160, TMC2130, TMC5160…)
• Horloge externe obligatoire : 4,2 à 32 MHz (oscillateur interne absent — piège courant)

# Architecture de la chaîne de commande (carte Ecophot NEMA23)
#
#  STM32F103 ──SPI──► TMC4361A ──SPI passthrough──► TMC2160 ──► MOSFETs ──► NEMA23
#                         │
#                    Encodeur ABN
#                    (boucle fermée)
#
# Le STM32 envoie uniquement : position cible + vitesse max + accélération
# Le TMC4361A calcule et génère les pas en hardware (rampes S-curve 7 segments)
# Le TMC2160 module le courant de chaque bobine (StealthChop / SpreadCycle)

# Registres clés TMC4361A
RAMPMODE  : mode de rampe (0=position, 1=vitesse)
VMAX      : vitesse maximale (en pas/s)
AMAX      : accélération maximale
DMAX      : décélération maximale
XACTUAL   : position actuelle (lecture)
XTARGET   : position cible (écriture)

Identifier et câbler les bobines

Un NEMA17 bipolaire possède 4 fils formant 2 bobines. Si les couleurs ne correspondent pas à la fiche technique (elles varient selon les constructeurs), voici comment les identifier avec un multimètre :

# Identification des bobines au multimètre (mode résistance)
1. Mesurez la résistance entre chaque paire de fils
2. Deux fils d'une même bobine donnent une résistance mesurable (ex. : 3 Ω)
3. Deux fils de bobines différentes donnent une résistance infinie (circuit ouvert)

→ Paire A : fils avec résistance entre eux = bobine 1 (1A et 1B)
→ Paire B : fils restants = bobine 2 (2A et 2B)

Vérification du sens :
- Connectez provisoirement les deux fils d'une bobine à une pile 1,5 V
- Tournez l'axe à la main : vous sentez une résistance (l'axe "freine")
- Inversez les fils de la pile : la résistance est dans l'autre sens
- Ce sens correspond à la polarité de la bobine

Quel moteur et quel driver pour mon projet ?

stepper:
  - platform: a4988
    id: moteur_axe_x
    step_pin: GPIO18
    dir_pin: GPIO19
    max_speed: 250 steps/s
    acceleration: 100 steps/s²
    deceleration: 100 steps/s²