Microstepping

Microstepping.
Nel caso di passo intero e di semipasso nelle fasi dei motori passo-passo si ha corrente nulla o
nominale e la sequenza delle varie configurazioni elettriche si ripete ogni quattro passi interi;
pertanto ad ogni cambio di configurazione il vettore rappresentativo del flusso di traferro,
prodotto dalle correnti statoriche, ruota di 360°/4=90° elettrici (nel caso di passo intero) o di 45°
elettrici (nel caso di semipasso) e in modo analogo ruota il rotore, in quanto nei motori passopasso le posizioni stabili del rotore sono sincronizzate con il flusso statorico.
La tecnica microstepping, che è applicabile solo ai motori a magneti permanenti e ibridi, si basa
invece sul principio di trasferire gradualmente (anziché bruscamente come nei casi di passo
intero e di semipasso) la corrente da un avvolgimento all'altro, mediante modulazione della
larghezza degli impulsi della tensione di alimentazione.
Essa consente pertanto di suddividere elettronicamente ciascun passo intero in più micropassi
(in genere 4/8/16/32/64) ugualmente spaziati e quindi di aumentare la risoluzione del motore,
diminuendo gradualmente l'intensità della corrente in una delle due fasi e simultaneamente
aumentandola gradualmente nell'altra fase (fig. VIII-5).
Un numero maggiore di 64 micropassi praticamente non migliora le prestazioni, pertanto nella
pratica raramente vale la pena di suddividere ciascun passo in più di 64 micropassi, a cui
corrisponde un incremento di 0,12° usando un poco costoso motore a magneti permanenti con
passo di 7,5°.
Utilizzando un riduttore ad ingranaggi con rapporto 1:64 si ottiene la stessa risoluzione, con il
vantaggio di una maggiore coppia e di una maggiore rigidezza di mantenimento della posizione,
ma con lo svantaggio di introdurre dei giochi e di ridurre la velocità massima, di aumentare costo,
ingombro e peso e di ridurre il
rendimento.
Il microstepping viene utilizzato per aumentare la risoluzione angolare (si possono raggiungere
risoluzioni di 25.000 passi/giro), per ottenere una rotazione dell'albero con transizioni più dolci tra
i passi, minimizzando i fenomeni di jerk (JERK=SCOSSONE) e quindi di ondulazione della velocità
dopo ogni passo (fig. VIII-6) i conseguenti transitori oscillanti (fig. VIII-7) potrebbero anche essere
tali da non consentire al rotore di stabilizzarsi prima che il successivo impulso sia applicato (fig.
VIII-8), con conseguente possibile perdita di passi] e per ridurre rumore acustico, vibrazioni e
problemi di risonanza alle basse velocità (quando il ritmo di passo è uguale alla naturale frequenza
di risonanza) comuni nei sistemi a passo intero.
Una tecnica utilizzata per il controllo delle correnti è quella seno-coseno; essa regola le correnti delle due
fasi imponendo: ia =Isenθ e ib =Icosθ (con I corrente nominale e θ angolo di micropasso). In tale caso, in un
motore ideale, la coppia prodotta da ciascun avvolgimento è proporzionale alla relativa corrente e le coppie
si sommano linearmente producendo una coppia risultante costante.
Spesso nella pratica però, per massimizzare la coppia sviluppata, la corrente per metà passo viene
mantenuta costante in una fase e variata sinusoidalmente nell'altra, quindi nel successivo metà passo la
corrente che era stata variata viene mantenuta costante e quella che era stata mantenuta costante viene
variata sinusoidalmente e così via. Con tale tecnica la coppia sviluppata non si mantiene però costante.
Supponiamo che Inom valga 2 A e prendiamo un angolo θ pari a 10 gradi allora avremo che le correnti
istantanee sulle due fasi varranno :
Ia = Inom cos 10 = 1.96 A
Ib = Inom sen 10 = 0.34 A
Avremo quindi un grosso contributo da parte di Ia ed un modesto contributo da parte di Ib.
Invece con un angolo θ pari a 80 gradi avremo :
Ia = Inom cos 80 = 0.34 A
Ib = Inom sen 80 = 1.96 A
In questo caso c'e' un grosso contributo da parte di Ib ed un modesto contributo da parte di Ia. Guarda caso
i contributi risultano esattamente ribaltati.
E' logico pensare che i contributi diversi giocano un ruolo fondamentale per il posizionamento dell'albero
motore, se prevale Ia l'albero si posizionera' piu' vicino alla fase a, se prevale Ib viceversa si posizionera' piu'
vicino alle fase b.
In pratica le cose si differenziano leggermente, infatti, per massimizzare la coppia erogata si mantiene
costante la corrente erogata in una fase per piu' della meta' di un angolo elettrico di 90 gradi. Nell'altra fase
invece la corrente viene variata in funzione del sen di θ , come raffigurato nella figura sottostante.
Figura 3
Percio' la corrente risultante sara' pari a :
Ia = Inom
Ib = Inom sen θ
per cui la somma vettoriale delle due componenti istantanee sara' :
Iγ = √ (Inom² + (Inom sen θ)²)
Iγ = √ (Inom² + Inom² (sen θ)²)
Iγ = √ (Inom²(1 + (sen θ)²))
Iγ = Inom √ (1 + (sen θ)²)
Per ogni ustep angle il flusso magnetico risultante deriva sempre da una corrente statorica totale maggiore
di Inom.