Motori Passo-Passo
I motori passo-passo sono costituiti come gli altri motori da uno statore su cui sono disposti gli
avvolgimenti e un rotore (senza avvolgimenti). Il funzionamento differisce da quello degli altri
motori perché il moto è di tipo incrementale rotatorio e non di tipo continuo, ma potrebbe essere
anche traslatorio.
I motori step, largamente usati nelle applicazioni che richiedono posizionamenti veloci e precisi
(robotica, macchine a comando numerico, stampanti, macchine da scrivere, orologi elettronici,
regolazione climatizzazione e regolazione valvola a farfalla nelle autovetture ecc) non possono
essere alimentati direttamente da una rete, ma hanno bisogno non solo di un convertitore statico,
ma anche di un dispositivo (blocco logico sequenziale) che comandi il convertitore. L’azionamento
riceve in ingresso informazioni di tipo digitale che vengono convertite in particolari sequenze di
impulsi elettrici; ad ogni impulso il motore ruota di un ben determinato angolo; questi spostamenti
unitari o passi corrispondono al numero di impulsi fornito al motore. L’azionamento per funzionare
non ha bisogno di sensori di velocità o posizione, cioè funziona ad anello aperto. L'applicazione di
impulsi di comando a frequenza fissa provoca la rotazione del motore ad una velocità praticamente
costante, che dipende dalla frequenza degli impulsi e la posizione finale assunta dipende dal
numero di passi realizzati in totale. Anche il verso di rotazione è legato alle modalità di invio degli
impulsi agli avvolgimenti. I motori step vengono pilotati per mezzo di opportuni convertitori, che
alimentano gli avvolgimenti secondo la sequenza richiesta dal microprocessore che governa
l'automatismo. Questi motori già presenti negli anni 50 hanno avuto una diffusione notevole negli
anni 70 in concomitanza dell’ingresso sul mercato dei microprocessori che hanno permesso
l’abbassamento notevole dei prezzi. Le potenze raramente superano le centinaia di W, le velocità
qualche migliaio di giri al minuto e le coppie 15-20Nm.
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Categorie di motori step.
In relazione al principio di funzionamento si distinguono tre categorie di motori step:
A riluttanza variabile (vr)
- Lo statore é costituito da un pacco di lamierini con poli dentati, su cui sono disposte delle bobine
connesse in modo tale da formare un sistema bifase, trifase o pentafase, il rotore é un cilindro in
ferro dolce dentato, il cui numero di denti dipende dal passo angolare desiderato in relazione al
numero dei poli statorici e dei loro denti .Questo tipo è poco usato in quanto presenta alti costi, a
causa della maggiore complessità meccanica (statore laminato, rotore dentato, avvolgimenti con
una bobina su ciascun polo) e inconvenienti funzionali quali assenza di smorzamento e coppie
limitate; il suo pregio principale é quello di avere una piccolissima coppia residua, ridotta al solo
attrito dei cuscinetti, in quanto, in relazione al piccolo magnetismo residuo dei denti rotorici, non
c'é nessuna forza sul rotore quando lo statore non é energizzato. Questo tipo di motore richiede
almeno tre fasi per poter determinare il verso di rotazione in modo univoco.
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Andamento delle linee di forza magnetiche in un circuito magnetico semplificato
Il principio di funzionamento: alimentando una delle fasi il flusso generato provoca l'allineamento
dei denti di rotore e di statore in una posizione di equilibrio stabile, precisa e definita, che
corrisponde alla riluttanza minima del circuito magnetico della fase alimentata. Tale posizione
rimane invariata finchè non si diseccita la fase e se ne alimenta un'altra. In questo caso il rotore si
sposta in una nuova posizione di equilibrio e l'ampiezza del passo dipende dalle caratteristiche
geometriche dello statore e del rotore. Quando lo statore non é percorso da corrente il motore non é
in grado di sviluppare una coppia per trattenere il carico applicato al rotore in posizione stabile.
Due parametri fondamentali del motore step sono pertanto la coppia di mantenimento o holding
torque (massima coppia che può essere applicata all'albero di un motore energizzato con corrente
continua costante senza causarne la rotazione) e la coppia residua o detent torque (massima coppia
che può essere applicata all'albero di un motore non energizzato senza causarne la rotazione). Il
verso di rotazione è orario se la sequenza delle fasi alimentate è 1,3,2,1 ; è antiorario se la sequenza
è 1,2,3,1. Molto utilizzata è anche la variante costituita da motori multi-stack, caratterizzata da più
sezioni statoriche tra loro affiancate per aumentare la coppia.
Versione che permette di fare piccoli passi
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A magnete permanente (pm)
- Il rotore é di materiale magnetico permanente per lo più di tipo ceramico magnetizzato in modo
tale da presentare sulla superficie cilindrica un gran numero di poli nord e sud; lo statore è a poli
salienti. In fig è riportato un esempio di un semplice motore a magneti permanenti.
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realizzazione commerciale
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-Ibridi (hy)
-
riuniscono le caratteristiche dei motori pm e vr. Il rotore é costituito da due nuclei in ferro dolce
dentati con numero di denti dispari (coppette), assemblati in modo tale che i denti di una
coppetta siano allineati con i vuoti dell'altra (sfasamento di /2 ) e separati da un magnete
permanente magnetizzato in direzione assiale; in tal modo i denti di una coppetta risultano tutti
magnetizzati nord, quelli dell'altra tutti magnetizzati sud. Lo statore a 4 o 8poli é simile a quello
del vr, ma questa volta, a causa della presenza del flusso creato dal magnete permanente,
bastano due sole fasi. A causa della maggiore complessità meccanica questo tipo di motore a
passo é più costoso del pm, ma permette di ottenere: coppie elevate, alta precisione di
posizionamento, buoni smorzamenti, alta risoluzione tenuto conto che si può ottenere un
numero di passi per giro fino a 400.
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ESEMPIO
Prendiamo in considerazione un motore con 25 denti di rotore, 2 fasi (A e B), 4 configurazioni
(sequenza di eccitazioni) per ciclo e 4poli statorici (D=25 =passo tra i denti=360°/25=14,4°
Z=configurazioni=4 p=poli==4). Quando si eccita la fase A i denti della coppetta anteriore (S) si
allineano con i denti del polo N della fase A, mentre i denti dalla parte opposta della stessa coppetta
(S) corrispondono ai vuoti (/2 )del polo S della fase A. Nella coppetta posteriore (con i denti
spostati di /2) avviene il contrario: i denti di rotore N sono allineati con il polo S della fase A. Il
disallineamento tra i denti di rotore e quelli del polo adiacente di statore interessati dalla fase B vale
/4 e quindi quando si eccita la fase B il rotore deve spostarsi di /4 per allinearsi in modo corretto
ai denti dei poli (uno nella coppetta anteriore e uno in quella posteriore) della fase B. Nei passi
successivi i denti della coppetta anteriore (S) si allineano sempre con i denti del polo N della fase
eccitata, mentre i denti della coppetta posteriore si allineano con i denti del polo S della stessa fase.
Dopo Z configurazioni il rotore si è spostato di un passo rotorico (distanza tra due denti). Il numero
di passi che compie il motore per giro è quindi Z*D=4*25=100 e l’angolo corrispondente ad ogni
passo è 360°/100=3.6°. Per assicurare un buon funzionamento D deve essere uguale al prodotto di
due numeri interi D=a*b; a=p/Z e b primo rispetto a Z. nell’esempio: a=p/z=1 e b=D/a=25 che è
primo rispetto a Z=4
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Caratteristiche meccaniche del motore Passo Passo
Il comportamento statico del motore può essere illustrato prendendo in considerazione la coppia
statica C in funzione dell’angolo di rotazione del rotore.
Si consideri il motore a vuoto meccanico, ma con una fase eccitata. Il motore si porterà nella
condizione (posizione) di equilibrio caratterizzata da coppia nulla (punto O di figura). Se si tentasse
di spostare di un angolo piccolo il rotore, questo reagirebbe con una coppia tale da far tornare il
rotore nella condizione primitiva (equilibrio stabile). L’andamento di tale coppia con l’angolo si
può assumere per semplicità sinusoidale e la sua periodicità è pari alla distanza tra due denti di
360
rotore (m s dove s
è l’angolo di passo per un motore a passo) e che si può indicare
m Ndr
come “ un passo polare di rotore” o anche ms se m sono il numero di fasi (dopo l’utilizzazione
delle m fasi e cioè dopo gli m passi del motore, il rotore è ruotato di un passo polare rotorico; per
fasi qui si intende in pratica il numero di configurazioni Z ).
Si chiama Holdind Torque (coppia di mantenimento ) la massima coppia che il motore può
sviluppare in condizioni statiche alimentando in una determinata configurazione il motore (per
es. una fase) con corrente continua costante.
Inviando corrente continua in una fase il motore posiziona il suo rotore in condizioni di equilibrio
stabile; forzando quindi l'albero a ruotare di un piccolo angolo , i denti si disallineano e nasce
una coppia di richiamo determinata dalle attrazioni magnetiche tra statore e rotore, che contrasta
ulteriori movimenti. per pari a metà della distanza tra due denti, i denti di rotore si trovano in
posizione intermedia rispetto a quelli di statore e producono la massima coppia, che prende il nome
di coppia di tenuta o Holding Torque.
Per aumentare la coppia può convenire mantenere sempre due fasi eccitate contemporaneamente
con la sequenza AB, AB, AB, AB. Le posizioni del rotore risultano intermedie rispetto a quelle di
figura, ma l’angolo di passo rimane invariato.
Se il motore viene azionato con due fasi eccitate contemporaneamente la curva di coppia risultante
ha un andamento approssimativamente sinusoidale di ampiezza pari a 2 volte l'ampiezza delle
componenti ed avente il punto di stabilità in posizione intermedia (45° elettrici). in questo caso si
aumenta la holding torque di 2, ma si raddoppia il calore prodotto per effetto joule negli
avvolgimenti.
Si chiama Detent Torque o coppia residua è la coppia che si ha senza alcun tipo di
alimentazione.
Questa coppia residua è presente nei motori pm e hy ed è dovuta all'attrazione magnetica fra i poli
di rotore e di statore, che presenta una componente continua dovuta all’attrito sulle boccole, un
picco in corrispondenza di ciascun passo e un'ampiezza compresa tra il 5% e il 20% della ht in
relazione al profilo dei denti. Se dall’esterno si tenta di far ruotare l’albero si avverte infatti che il
suo movimento non é liscio ma presenta una granulosità. agendo sul profilo dei denti si influisce
sulla quarta armonica e quindi sull’entità della Detent Torque che deve essere elevata se il motore
deve mantenere la posizione anche in assenza di alimentazione se la coppia di carico esterna é
molto bassa, mentre deve essere quasi nulla quando la D.T risulta fastidiosa (ad esempio se il
meccanismo azionato dal motore step prevede anche un posizionamento manuale, come nel rullo
della macchina da scrivere). Grazie alla coppia residua il motore presenta un numero di posizioni
stabili pari al numero di passi/giro anche quando non é alimentato; ciò gli consente di tenere la
posizione senza bisogno di alcuna alimentazione se la coppia di carico esterna é molto bassa.
Il motore compie una successione regolare di passi imposta dalla frequenza degli impulsi di
comando per cui la coppia motrice si adegua alla coppia resistente come nei motori sincroni. Se tale
equilibrio non è possibile il motore perde il passo e quindi si arresta. Si chiama coppia sincrona o di
pull-out la massima coppia che può essere applicata ad un motore che si muove alimentato da
impulsi ad una data frequenza senza fargli perdere il passo. Caratterizza le prestazioni del motore a
regime. Tale coppia é sempre minore della coppia di tenuta. A bassa velocità la coppia massima
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consigliata è in pratica = 0,5 HT. All'aumentare della velocità la coppia di pull-out diminuisce
progressivamente fino ad annullarsi in corrispondenza di una velocità, generalmente compresa tra
alcune centinaia e qualche migliaio di step/s. Questa diminuzione é dovuta sia alla f.c.e.m. indotta
nelle bobine dalle variazioni di flusso conseguenti al movimento del rotore, sia al fatto che la
corrente nelle fasi non ha più il tempo di raggiungere il valore finale.
Si chiama coppia sincronizzante o di pull-in la massima coppia del carico con cui un motore,
alimentato ad una frequenza fissata, può partire, mantenersi in movimento e fermarsi senza perdere
passi. Questo valore (C=f(imp/s)) caratterizza le prestazioni del motore in fase dinamica.
Perchè un motore possa sviluppare la coppia di pull-out deve essere portato gradualmente alla
velocità richiesta con opportune rampe di accelerazione. Il motore deve essere azionato con passi di
durata inizialmente elevata e quindi via via più breve fino a raggiungere la velocità di lavoro. In
questa condizioni il motore può sviluppare la coppia di pull-out corrispondente alla velocità
raggiunta. Non sempre gli azionamenti sono così sofisticati: in molte applicazioni il motore,
inizialmente fermo, viene azionato immediatamente con passi aventi la velocità finale, senza rampe
di accelerazione graduale. Questo é il funzionamento in pull-in. Alle basse velocità la curva di pullin non differisce sensibilmente da quella di pull-out, ma al crescere della velocità se ne discosta
sempre più e scende rapidamente a zero (massima velocità di pull-in). Al di sopra di questa velocità
il motore non si avvia nemmeno a vuoto.
Per aumentare le coppie di pull-out e di pull-in alle alte velocità é necessario forzare la corrente a
raggiungere, nella breve durata di un passo, valori più elevati. si possono usare i seguenti metodi:
- riduzione della costante di tempo mediante inserzione di opportune resistenze in serie a ciascuna
fase del motore ed aumento corrispondentemente della tensione di alimentazione;
-uso di tensioni di alimentazione molto maggiori della nominale all'istante della commutazione e
loro riduzione al valore nominale non appena la corrente raggiunge il valore desiderato.
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Pilotaggio del motore passo-passo
Riferendosi a motori bifasi che sono i più diffusi, si possono individuare due schemi di pilotaggio:
bipolare e unipolare.
Definiamo Tp la durata di un passo cioè il tempo in cui il motore effettua un passo. La frequenza di
passo o step/sec è fp=1/Tp
Definiamo con Tc la durata di un ciclo di corrente di una fase, cioè il tempo in cui vengono
effettuati gli Z passi percorrendo l’angolo , allora fc=1/Tc è la frequenza della corrente di fase e
Tc=ZTp. La velocità del motore è regolata variando il tempo di passo Tp
fp
2
2
S Tp S
dove S è il numero di passi al giro del motore e fp/S il numero di giri al secondo
60
per cui n
giri/min
Tp S
Pilotaggio bipolare
Il motore step bifase ha due bobine, una per fase, disposte su 4 espansioni polari. Le bobine non
hanno punti in comune. Ogni fase è alimentata da un chopper a ponte. L’inversione della corrente
in una fase è condizionata dalla costante di tempo e=L/R della bobina che è dell’ordine del
millisecondo.
Nella configurazione bipolare i transistori devono essere dimensionati per condurre la corrente di
fase e sostenere la tensione del generatore.
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Pilotaggio unipolare
Nel motore step bifase, con pilotaggio di tipo unipolare, ciascuna fase è sdoppiata in due bobine
avvolte strettamente insieme per minimizzare i flussi dispersi e collegate in senso opposto. Il
motore presenta 6 morsetti; spesso i due centrali 1 e 4 sono collegati insieme, riducendo a 5 il
numero totale di morsetti esterni.
A parità di rame, poiché la corrente di fase deve essere la solita nel bipolare e nell’unipolare per
avere la stessa coppia, la sezione dell’avvolgimento unipolare deve essere la metà di quella del
bipolare e quindi la resistenza e la potenza dissipata doppie. Oppure a parità di riscaldamento la
coppia sviluppata dall’unipolare è circa il 70% di quella del bipolare.
Un altro inconveniente del pilotaggio unipolare è che il transistore deve sopportare una tensione
tripla rispetto al pilotaggio bipolare.
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Il vantaggio del pilotaggio unipolare consiste nel fatto che servono due interruttori per fase invece
che 4.
nella tabella vengono comparate le caratteristiche dei tre tipi di motori step.
vr
costo
velocità
coppia residua
coppie
smorzamento
inerzia rotore
rendimento
angoli possibili
precisione angolare
alto
alta
bassissima
medie
cattivo
bassa
basso
virtualmente tutti
media
pm
basso
bassa
alta
basse
buono
alta
medio
pochi obbligati
bassa
hy
alto
molto alta
media
molto alte
medio-buono
medio-bassa
medio-alto
virtualmente tutti
molto alta
il motore vr viene usato solo quando é necessaria una coppia residua minima; il motore hy viene usato nel
caso di: angoli piccoli, precisione angolare elevata, alta velocità, alta coppia; negli altri casi la scelta cade sul
motore pm per il suo basso costo. effettuata la scelta del tipo di motore si cerca il motore più adatto in
relazione alle caratteristiche del carico. a tale scopo occorre: 1) verificare se, con una opportuna scelta degli
organi di trasmissione, il motore é in grado di raggiungere con sufficiente precisione tutte le posizioni
volute; 2) scelto l'angolo, cercare con le curve caratteristiche date dalla casa costruttrice un motore che sia
in grado di fornire con un buon margine la coppia richiesta alla velocità voluta; a titolo orientativo la coppia
fornita dal motore dovrebbe aggirarsi intorno al doppio della coppia totale richiesta dal carico alla prevista
velocità di funzionamento; 3) trovato un motore che soddisfi le esigenze di angolo, coppia e velocità con un
ragionevole margine, verificare se il motore é in grado di accelerare e decelerare nel tempo voluto l'inerzia
del sistema che deve azionare.
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Correnti nelle due fasi del motore passo di tipo ibrido
Microstepping correnti nelle due fasi
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