Consigli per lo sviluppo di motori passo-passo

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Il motore passo-passo è stato originariamente sviluppato per ampliare ancora di più la capacità dei sistemi elettronici di influenzare il mondo fisico e fornire un maggiore livello di controllo dei sistemi meccanici. Le specifiche fondamentali per lo sviluppo sono state quelle di un motore compatto ed economico in grado di fornire il controllo preciso del movimento richiesto da prodotti quali scanner e stampanti, bancomat, unità disco, unità a nastro, macchine fotografiche e altri piccoli apparecchi elettrici. Nello sviluppo del motore passo-passo sono state affrontate e superate tre sfide: per il rotore sono stati necessari magneti permanenti piccoli e potenti; per accendere e spegnere le bobine elettromagnetiche sono stati necessari semiconduttori di potenza; per controllare gli interruttori che avrebbero garantito il sequencing e la temporizzazione precisa è stato necessario sviluppare sistemi elettronici più intelligenti.


Funzionamento del motore passo-passo

Per comprendere come funziona un motore passo-passo base, occorre considerare lo stretto rapporto con il suo predecessore, il motore brushless-Dc. I motori Bldc sono dotati di magneti permanenti sulla sezione del rotore. Questi magneti allineano il rotore agli elettromagneti montati alla periferia dello statore quando gli elettromagneti vengono alimentati. Il rotore può quindi essere manipolato invertendo il flusso di corrente attraverso gli elettromagneti o disattivando e riattivando la corrente in una sezione dei componenti elettromagnetici. Il rotore girerà se la corrente invertita o la sequenza è rotatoria. La velocità di rotazione può essere cambiata variando la frequenza di commutazione. Il rapporto tra gli elettromagneti stazionari dello statore e i magneti permanenti del rotore costituisce anche la base del motore passo-passo a magneti permanenti. Esistono altre varianti di motori passo-passo caratterizzati da questo design. Una di queste, il motore ibrido, combina un motore a riluttanza variabile con un motore passo-passo. La differenza principale tra il motore passo-passo e il motore Bldc è che nel motore passo-passo il numero di magneti permanenti del rotore (poli) viene aumentato tra 12 e 200 (rispettivamente 30o e 1,8o). Maggiore è il numero di poli di un motore passo-passo, maggiore è la risoluzione di rotazione del motore, ma l’aspetto negativo è che un numero superiore di poli rende il progetto più costoso e fornisce anche una coppia inferiore. Sebbene i motori Bldc e passo-passo abbiano lo stesso principio di funzionamento di base, i secondi tendono ad essere molto più complessi. I poli supplementari sul motore passo-passo indicano che il rotore può essere spostato in modo incrementale in fasi prevedibili. Il motore passo-passo inoltre può essere tenuto in posizione finché gli elettromagneti vengono alimentati. Mentre il motore Bldc è migliore di un motore passo-passo per via della rotazione continua, il motore passo-passo si dimostra nettamente superiore quando un’applicazione richiede la rotazione di un angolo preciso o il mantenimento di una posizione esatta. Il motore passo-passo è molto più flessibile in quanto può essere realizzato in modo da sviluppare rotazioni grandi o piccole. Può ruotare rapidamente di un angolo specificato, avviarsi, fermarsi e invertire la rotazione, se necessario. Questa capacità consente al motore passo-passo di funzionare in sinergia con i componenti elettromeccanici, come un treno di ingranaggi di base, per fornire un movimento da rotatorio a lineare. La combinazione di queste due parti costituisce la base necessaria affinché una macchina esegua un’applicazione, ad esempio, sposti una testina di stampa. Data la modalità di funzionamento, l’angolo del motore passo-passo dovrebbe essere sempre noto a seconda di quali bobine vengono alimentate. Ciò può consentire a questo tipo di motore di operare in una configurazione ad anello aperto, senza dover ricorrere a un controllo di feedback. Se questo può valere in linea di principio, in pratica possono verificarsi problemi che determinano il disallineamento dell’azionamento e del rotore, come ad esempio problemi alla catena cinematica o al carico. Pertanto, le applicazioni dei motori passo-passo di solito chiudono il loop di feedback con un sensore che rileva la posizione effettiva del rotore, oppure dispongono di una modalità “reset”, in base alla quale il carico viene spostato in una posizione di riposo nota e la posizione del motore passo-passo viene impostata a zero.

Il cablaggio della bobina

Il cablaggio della bobina dei motori passo-passo varia a seconda della topologia dell’azionamento associato. Il design a due fasi è l’approccio più comune, e generalmente vengono utilizzati due tipi di avvolgimento - unipolare e bipolare. Ciascun approccio offre vantaggi e svantaggi, a seconda delle esigenze di azionamento, dimensioni, peso. Il motore passo-passo unipolare è stato progettato con un avvolgimento a presa centrale per ogni singola fase. Per modificare la direzione del campo magnetico viene accesa una sezione dell’avvolgimento. Questo avvolgimento permette l’inversione del polo magnetico senza invertire la direzione della corrente elettrica. Un singolo transistore a basso costo può essere tutto quanto è necessario per il circuito di commutazione di questa topologia. Questo tipo di cablaggio richiede tre conduttori per ciascuna fase, ma è possibile collegare i due conduttori comuni per avere in totale cinque conduttori. In un motore bipolare la corrente deve essere invertita per commutare il polo magnetico, in quanto è presente un solo avvolgimento per fase. Questo determina un circuito di pilotaggio molto più complesso, solitamente nella forma di un ponte H. Questa configurazione non prevede cavi comuni, ma ogni fase richiede due conduttori per un totale di sei-otto conduttori a seconda della configurazione prescelta. In una disposizione unipolare solo la metà degli avvolgimenti è in funzione contemporaneamente. Ciò significa che la configurazione unipolare ha un costo del rame superiore e un rapporto potenza/peso minore, pur essendo fisicamente più grande rispetto a quella con avvolgimenti bipolari. Invece, come spiegato in precedenza, i circuiti di azionamento bipolari sono più complessi. Oggi vengono utilizzati in prevalenza i circuiti integrati di driver passo-passo, ignorando sostanzialmente l’aspetto della selezione dell’avvolgimento e del motore passo-passo.

Il microstepping

Questo metodo dal costo molto contenuto è stato utilizzato per migliorare il funzionamento del motore passo-passo. Il funzionamento a micropassi può essere abbastanza complesso, ma la funzione di controllo dovrebbe già essere presente per implementare questa tecnica. All’inizio di questo articolo si è discusso di come i singoli poli del motore passo-passo possano essere attivati e disattivati rapidamente, controllando la velocità e la posizione del rotore, e di come il rotore potrebbe essere tenuto in posizione quando un polo rimane alimentato. Questo principio può essere ampliato ulteriormente grazie a una tecnica denominata “half-stepping”. Il metodo half-stepping alimenta parzialmente poli consecutivi, costringendo il rotore a fermarsi a metà strada tra i poli e quindi raddoppiando il numero di posizioni disponibili. Il microstepping migliora questa tecnica applicando segnali sinusoidali o di rampa per la commutazione di potenza, il che significa che esiste una sovrapposizione nota controllabile tra i poli alimentati e non alimentati che mette a disposizione molti più passi. Il microstepping offre due vantaggi rispetto ai motori passo-passo tradizionali; il funzionamento è più lineare, senza problemi di impuntamento e risonanza, e la risoluzione di posizione può essere aumentata grazie alla possibilità di fermare il rotore tra i poli. Il microstepping presenta tuttavia un aspetto negativo: la coppia disponibile può risultare ridotta fino al 30%.

Specificazione di un motore passo-passo

In una situazione di progettazione normale, la definizione dei requisiti del motore rappresenta in genere la prima fase, a cui segue l’abbinamento del potenziale motore a un carico. Infine il progettista procede a ritroso per individuare un driver adatto alle esigenze sia dell’applicazione che del motore. I parametri meccanici ed elettrici sono correlati, ma possono essere gestiti separatamente. Dimensioni, peso, supporti e angolo di passo sono alcuni dei fattori meccanici che dovrebbero essere considerati quando si definiscono le specifiche dei motori. I numerosi formati standard del settore e i supporti disponibili permettono al progettista di utilizzare i motori di diversi fornitori come alternativa. Anche l’inerzia del rotore è un aspetto importante, in quanto determina l’accelerazione e la decelerazione massima a pieno funzionamento. Tolleranza e gioco assiale/radiale nel rotore sono esempi di altre specifiche meccaniche che dovrebbero essere prese in considerazione al momento di decidere quale motore è più adatto. La coppia necessaria per mantenere il rotore in posizione e il rapporto coppia-velocità sono altri parametri forniti dai costruttori. La resistenza e l’induttanza Dc dipendono dal design delle bobine elettromagnetiche, e il driver utilizza queste misurazioni per determinare la tensione e la corrente di pilotaggio richieste. I produttori di circuiti integrati a semiconduttore hanno eliminato gran parte dei problemi associati al comando di un motore passo-passo. Un circuito integrato moderno è in grado di fornire tutte le funzioni necessarie per pilotare motori più piccoli, mentre per i motori passo-passo più grandi sono necessari solo Fet esterni. Queste funzioni comprendono la struttura della forma d’onda, Fet di azionamento della bobina, protezione, temporizzazione e driver Fet.

Una nuova strategia

È possibile bypassare completamente la fase del driver passo-passo e utilizzare il microcontrollore per controllare il motore passo-passo pilotando i Mosfet di sistema direttamente tramite le uscite digitali del microprocessore. Questa strategia richiede un microcontrollore che sia già stato ottimizzato per applicazioni di controllo, oltre alla disponibilità di un margine di elaborazione sufficiente per il normale funzionamento del microprocessore. I progettisti che scelgono questo approccio devono comprendere da dove provengono gli algoritmi di controllo e come sono stati testati. Inoltre, i motori sono soggetti a errori software e hardware, e il software embedded deve essere progettato tenendo conto di questi aspetti. Sul mercato si trovano microcontrollori progettati da zero per fornire l’affidabilità richiesta in modo che il codice dell’azionamento motore funzioni in tutte le circostanze. I produttori che offrono l’approccio basato sul processore descritto in precedenza forniscono anche supporto per la progettazione che include kit di sviluppo e librerie software, così come codice di esempio. Alcuni produttori offrono sia driver che processori embedded, consentendo al progettista di valutare il metodo ottimale per ciascuna applicazione specifica.

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