Motori passo-passo (parte I)

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Categoria: Elettronica
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Motori passo-passo

(parte I)

GENERALITÀ
 

Il motore passo-passo (motore p/p o stepper motor) è una macchina elettrica molto versatile e precisa, utilizzata come attuatore nel controllo digitale diretto di posizione e di velocità: ha infatti la capacità di convertire una sequenza di impulsi elettrici in una rotazione di un angolo ben preciso, ruotando ad una velocità angolare direttamente proporzionale alla frequenza di tali impulsi. Rispetto al motore a corrente continua ha il grande vantaggio di poter esser impiegato in sistemi di controllo ad anello aperto (senza retroazione); inoltre, non avendo spazzole, non ha parti meccaniche soggette ad usura, fatta eccezione per i cuscinetti di supporto. Ha però lo svantaggio di un rapporto potenza/peso più basso e di richiedere per il suo azionamento di un circuito elettronico di una certa complessità. La sua diffusione è aumentata con lo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori che ha reso possibile la commutazione elettronica ad alta velocità.



I motori passo-passo sono usati nelle periferiche dei calcolatori (vecchi hard disk, stampanti, plotter, scanner) e in altri apparecchi elettronici, oltre che nel controllo numerico delle macchine utensili e nella robotica in genere (dove spesso è impiegato anche un altro tipo di motore senza spazzole e con rotore a magnete permanente, il brushless); possono anche essere utilizzati come contatori d'impulsi.

Durante il funzionamento il motore può trovarsi in tre condizioni operative: disattivato, attivato ma fermo (frenato), in rotazione. La rotazione può inoltre avvenire in due modi: passo-passo o continua; nel funzionamento continuo il motore si comporta come una macchina sincrona, capace di ruotare ad una velocità ben precisa e proporzionale alla frequenza degli impulsi.

Il motore è costituito da uno statore con un certo numero di avvolgimenti e da un rotore che invece ne è privo; la rotazione di quest’ultimo può essere controllata da un sistema digitale (ad esempio un computer): agli avvolgimenti rotorici si applica una certa sequenza d'impulsi di corrente. Ogni impulso fa ruotare il rotore di un angolo costante ben definito, detto passo.

Il rotore del motore p/p si orienta secondo la direzione del campo magnetico prodotto dagli avvolgimenti dello statore: cambiando secondo un determinato ordine l’eccitazione delle fasi statoriche, cambia l’orientamento del rotore che quindi compie una rotazione pari all’angolo di passo. Un’inversione dell’ordine di attivazione delle fasi fa ruotare il rotore nel verso opposto.

Applicando al motore un certo numero di impulsi ad una determinata frequenza si ottiene un semplice e preciso controllo di posizione e di velocità ad anello aperto, cioè senza retroazione.

In fig. 1.a si riporta schematicamente la sezione di un motore con rotore a magnete permanente, con quattro avvolgimenti di statore e con angolo di passo di 90°; ha una struttura analoga a ciò che si otterrebbe prendendo una bussola ed avvolgendoci attorno delle bobine per creare un campo magnetico che provochi la rotazione dell’ago; in fig. 1.b il motore è ancora a magnete permanente con quattro avvolgimenti, ma si è ottenuto il dimezzamento del passo raddoppiando il numero di espansioni polari di statore e di rotore (gli avvolgimenti sono su poli omologhi); questo accorgimento è analogo a quello adottato nei motori ad induzione per diminuirne la velocità di rotazione in rapporto alla frequenza di rete.

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Fig. 1: Motori passo-passo
      
TIPI DI MOTORI
 
Dal punto di vista costruttivo i motori passo-passo si distinguono in:
- motori a magnete permanente
- motori a riluttanza variabile
- motori ibridi
 
Motore a magnete permanente (PM: Permanent Magnet)

Il rotore è un magnete permanente con espansioni polari di rotore (denti) pari in numero a quelle dello statore (per ciascuna fase). Il numero di poli rotorici è uguale al numero di poli statorici in modo che i primi si trovino affacciati ai secondi quando il motore è fermo.

Se:
 
S= numero delle fasi statoriche (generalmente quattro)
R= numero di poli rotorici
 
allora il numero di passi per giro è:
N=SR

Ad esempio, in fig. 1.a vi è una sola espansione polare per fase, mentre in fig. 1.b ve ne sono due: quindi il primo motore ha un angolo di passo di 90° (4 passi/giro), il secondo di 45° (8 passi/giro).

Il motore PM può sviluppare una grande coppia motrice ma il campo magnetico del rotore non permette di raggiungere alte velocità di rotazione. Inoltre la risoluzione (numero di passi per giro) è bassa. In pratica il passo è molto più piccolo di 90°: esso può essere di 15°, 9°, 7.5°, 3.6°, 1.8°, 0.9°, 0.45°, a cui corrispondono rispettivamente 24, 40, 48, 100, 200, 400, 800 passi/giro; le risoluzioni più spinte possono però ottenersi solo con i motori a riluttanza variabile o ibridi, come vedremo.

Una caratteristica del motore PM è la presenza di una coppia meccanica resistente (coppia residua) anche quando il motore non è alimentato, dovuta all’attrazione reciproca tra i poli del magnete ed i poli dello statore.

Se si pone il rotore in rotazione quando il motore non è attivato, questo si comporta come una dinamo, fornendo energia verso l’esterno (ciò avviene anche nei motori ibridi, pure questi con magnete permanente): occorre tener presente questo fatto in quelle applicazioni in cui si può avere la reversibilità del moto, per evitare danni ai circuiti di pilotaggio.

 
Motore a riluttanza variabile (VR: Variable Reluctance)

Il rotore è di solito in ferro dolce ed ha un numero di espansioni diverso dal numero di poli dello statore (il meccanismo fa pensare al funzionamento del nonio); perciò non si ha mai la coincidenza tra poli statorici e poli rotorici, tranne che per due di essi. Eccitando gli avvolgimenti statorici il rotore si dispone in modo da offrire la minima riluttanza magnetica. Quando l’eccitazione degli avvolgimenti è commutata, cambia anche la posizione a cui corrisponde la minima riluttanza, costringendo il rotore ad una rotazione di un certo angolo (passo) che è ben più piccolo dell’angolo fra le espansioni dello statore.

Se:
 
S= numero delle fasi statoriche
R= numero dei poli rotorici
 
allora il numero di passi per giro è:
N=SR/(S-R)
 
Ad esempio, in fig. 1.c il rotore ha sei denti, quindi il numero di passi per giro è 12, come è facile verificare.

Il numero dei poli del rotore è molto grande e quindi è altrettanto grande il numero di passi per giro. Poiché il rotore è in ferro dolce la coppia motrice è inferiore rispetto a quella del motore PM e la coppia residua è ovviamente nulla (trascurando il magnetismo residuo dovuto all’isteresi magnetica): infatti se si toglie l’alimentazione mentre il motore sta funzionando, esso continua a girare. Il motore VR ha però per lo stesso motivo la capacità di raggiungere alte velocità di rotazione. Inoltre il rotore, essendo leggero (può anche essere in alluminio), ha un basso momento d’inerzia.

 
Motore ibrido (HY: Hybrid)

Il motore ibrido è il più interessante in quanto è una combinazione dei due tipi precedenti: ha un rotore a magnete permanente disposto in senso assiale e non radiale come nel motore PM (fig. 1.d-f), con denti in ferro dolce in numero inferiore a quelli dello statore. Combina i vantaggi dei due tipi precedenti: velocità, risoluzione, coppia, precisione elevate. Ha però anche un costo più alto.

 Con motori HY si unisce quindi il vantaggio di un grande momento torcente, tipico dei motori PM, a quello di una risoluzione spinta, che è invece una caratteristica dei motori VR. Per questo motivo essi sono preferiti ogni volta che necessitano motori con una discreta potenza. La risoluzione tipica per motori ibridi è di 200 passi/giro (che diventano 400 se l’azionamento è a mezzo passo).

In questo paragrafo d’ora in poi, salvo diversa specificazione, si supporrà per semplicità un angolo di passo di 90°.
      
ALIMENTAZIONE DEI MOTORI
 
Dal punto di vista dell’alimentazione si ha la distinzione tra motori unipolari e motori bipolari.
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Fig. 2: Motori p/p unipolari e bipolari
 
Motore unipolare (fig. 2.a, solo statore)

Gli avvolgimenti sono quattro e generalmente fuoriescono dal motore otto terminali (fig. 2.c); spesso però se ne vedono solo sei (fig. 2.d): in tal caso i collegamenti che occorrerebbe fare esternamente tra gli avvolgimenti (A’-C’, B’D’, fig. 2.e) sono stati fatti all’interno del motore: si hanno in pratica due avvolgimenti con presa centrale. A parità di dimensioni del motore gli avvolgimenti sono di filo più sottile rispetto al motore bipolare, essendo avvolti in coppia sulle espansioni polari dello statore. Le prese centrali dei due avvolgimenti vanno al positivo dell’alimentazione mentre i due estremi di ciascun avvolgimento possono essere collegati al negativo tramite un apposito circuito di controllo costituito da interruttori elettronici (transistori, FET o SCR). Tale circuito fa passare corrente negli avvolgimenti sempre nella stessa direzione (da cui il nome di motore unipolare), analogamente ad un trasformatore a presa centrale, ma gliavvolgimenti A-A’ e C-C’ (oppure B-B’ e D-D’) generano campi magnetici opposti; se l’azionamento è ad una fase (fig. 3.a), solo uno dei quattro avvolgimenti (ovvero la metà dei due a presa centrale) è attraversato da corrente; se l’azionamento è a due fasi si hanno due avvolgimenti alimentati (fig. 3.b).

Nel funzionamento unipolare si ha il vantaggio di poter usare un sistema di controllo molto semplice, e quindi di basso costo e grande affidabilità; per contro gli avvolgimenti sono sfruttati a metà. Il motore unipolare può funzionare anche in modo bipolare non collegando le prese centrali, oppure, nel caso di quattro avvolgimenti separati, collegandoli opportunamente in serie o in parallelo (figg. 3.2e-f e 3.3d-e); il collegamento in parallelo dimezza l’induttanza di ciascun avvolgimento diminuendo la costante di tempo elettrica L/R (a patto che R sia data prevalentemente da una resistenza esterna) ed aumentando quindi la massima velocità di commutazione accettabile dal motore.

 
Motore bipolare (fig. 2.b, solo statore)

Si hanno solo due avvolgimenti di filo più grosso rispetto al motore unipolare (che quindi possono essere attraversati da una corrente più intensa); dal motore fuoriescono quattro terminali (fig. 2.g): le due estremità di ciascun avvolgimento possono essere collegate all’alimentazione con una determinata polarità o con polarità opposta (da cui il nome di motore bipolare) tramite un circuito, più complesso e costoso del precedente, costituito da un ponte, per ciascun avvolgimento, di quattro interruttori elettronici (fig. 3.c); gli avvolgimenti in questo caso sono interamente sfruttati (analogamente ad un trasformatore senza presa centrale, collegato ad un ponte di Graetz) e la coppia motrice è perciò maggiore, almeno alle basse velocità.

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Fig. 3: Alimentazione di motori unipolari e bipolari
 
AZIONAMENTI DEI MOTORI
 
Dal punto di vista del pilotaggio si ha la distinzione tra:
 
- azionamento a passo intero (o ad onda intera) ad una fase
- azionamento a passo intero a due fasi
- azionamento a mezzo passo (o a mezz’onda)
 
Azionamento a passo intero ad una fase (one phase-on o wave drive) (fig. 4)

Supponendo che il numero di poli magnetici si pari al numero di poli elettrici, il rotore compie delle rotazioni di 90° ad ogni passo, orientandosi secondo la direzione del campo magnetico prodotto dalla sola fase attiva. Il ciclo è a 4 tempi.

In fig. 4.a è visualizzata in modo schematico la sequenza dei passi per un giro del rotore; in fig 3.4b è riportata la tabella delle attivazioni delle quattro fasi, mentre in fig. 4.c la sequenza è rappresentata sotto forma di grafo (per una rotazione oraria): le quattro cifre binarie corrispondono nell’ordine alle quattro fasi A, B, C, D, e sono uguali a 1 se la fase corrispondente è alimentata.

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Fig. 4: Azionamento a passo intero ad una fase
 
Azionamento a passo intero a due fasi per volta (two phase-on o normal drive) (fig. 5)

Il rotore compie ancora delle rotazioni di 90° ad ogni passo, orientandosi però secondo la direzione della risultante dei due campi magnetici prodotti dalle due fasi attive, e quindi secondo la bisettrice dell’angolo formato dalle direzioni dei due campi. Il ciclo è a 4 tempi. Questo tipo di azionamento è quello adoperato più spesso in quanto la coppia motrice è circa il triplo di quella dell’azionamento ad una fase, ma la velocità massima raggiungibile è inferiore.

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Fig. 5: Azionamento a passo intero a due fasi
 
Azionamento a mezzo passo (half step drive) (Fig. 6)

Il passo di rotazione è la metà rispetto ai due casi precedenti in quanto il ciclo è ad otto tempi, ottenuti alternando l’azionamento ad una fase a quello a due fasi. Al vantaggio di una risoluzione doppia si contrappone però lo svantaggio di una coppia motrice meno regolare ( si sente maggiormente la risonanza meccanica).

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Fig. 6: Azionamento a mezzo passo
 
In tutti e tre i casi invertendo la sequenza delle attivazioni si inverte il senso di rotazione del rotore.
L’azionamento a mezzo passo suggerisce la realizzazione di un azionamento a micropasso, dosando opportunamente le correnti inviate alle fasi.

Per un motore a quattro avvolgimenti distinti si hanno perciò quattro possibili modi di funzionamento,più due combinazioni per il mezzo passo:

 
- unipolare ad una fase: un solo avvolgimento su quattro è attivo
- unipolare a due fasi: due avvolgimenti attivi
- unipolare a mezzo passo: si alternano i due tipi di azionamento precedenti
 
disponendo in serie o in parallelo le coppie di avvolgimenti si hanno i modi:
 
- bipolare ad una fase: due avvolgimenti attivi
- bipolare a due fasi: tutti gli avvolgimenti attivi (il caso più interessante)
- bipolare a mezzo passo: si alternano i due tipi di azionamento precedenti
 

In pratica il numero di poli magnetici, e quindi il numero di passi per giro, è molto più alto di quattro (distinguendo l’angolo meccanico dall’angolo elettrico), ma il numero delle fasi e le sequenze di attivazione non cambiano.