Motori passo-passo (parte II)

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Categoria: Elettronica
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Motori passo-passo

(parte II)

CARATTERISTICHE ELETTRICHE E MECCANICHE

In questa prima parte analizzeremo le caratteristiche elettriche nonchè le caratteristiche meccaniche, spiegherò tutte le terminologie e loro significati in italiano.
 

- pull-in curve: curva, valida in fase di avviamento, della massima frequenza di pilotaggio che può essere applicata in corrispondenza ad una determinata coppia resistente senza che il motore perda il passo, ovviamente in condizioni di funzionamento nominali.
- pull-out curve: come prima, ma a regime.
- angolo di passo(step angle): angolo di rotazione dell’albero ad ogni passo;
-numero di passi per giro (step per revolution): numero di passi necessari per una rotazione di 360° (risoluzione);
- coppia di tenuta (holding torque): massima coppia applicabile al motore alimentato ma fermo;
-coppia residua (residual torque): come prima ma con motore non alimentato;
- start range: regione compresa fra gli assi e la Pull-in curve, corrispondente al funzionamento passo-passo;
- slew range: regione compresa fra la Pull-in curve e la Pull-out curve, corrispondente al funzionamento continuo;
- pull-in rate: massima frequenza alla quale il motore con un certo carico può partire, fermarsi o invertire il senso di rotazione senza perdere passi;
- maximum pull-in rate: come prima ma con carico nullo.
- pull-in torque: massima coppia con la quale il motore, ad una data frequenza, può partire, fermarsi o invertire il senso di rotazione senza perdere passi;
- pull-out rate: massima frequenza alla quale il motore, con un dato carico può ruotare senza perdere passi;
- maximum pull-out rate: come prima ma con carico nullo;
- pull-out torque: massima coppia con la quale il motore, ad una data frequenza, può ruotare senza perdere passi;
- sovraelongazione (overshoot): sovraoscillazione del rotore ad ogni passo attorno alla posizione di equilibrio; alle basse frequenze provoca disturbi, logoramento degli organi di trasmissione, fenomeni di risonanza meccanica.

 

Fig. 7: Curve caratteristiche di un motore passo-passo

La differenza tra le due curve è dovuta all’inerzia del motore, che si fa sentire alle variazioni di velocità. Se il carico ha una notevole inerzia spesso si adoperano degli appositi giunti di frizione, in gomma, che permettono un avviamento morbido del carico assorbendo l’impulso rotatorio e restituendolo più dolcemente.

Nella zona fra le due curve (slew range) il motore non perde il passo a patto che l’accelerazione sia tanto più piccola quanto più ci si avvicina alla curva B; in tal caso nei sistemi di controllo di posizione è opportuno l’uso di frizioni e di un adeguata variazione della velocità, in modo da avere una accelerazione non eccessiva (si veda la parte dedicata al controllo della velocità con andamento “trapezoidale, ovvero a tre fasi: accelerazione, velocità costante, decelerazione);

La massima frequenza degli impulsi è generalmente dell’ordine delle centinaia di passi/s, raggiungendo qualche migliaio (fino a 10000 passi/s con una adeguata tensione di alimentazione e circuiti di pilotaggio sofisticati) per i motori VR o HY; queste frequenze così elevate corrispondono comunque a carichi quasi nulli sul motore.

Le curve caratteristiche possono cambiare molto utilizzando tecniche di pilotaggio e di alimentazione adeguate, con notevoli miglioramenti nelle prestazioni del motore. In genere il costruttore riporta le curve corrispondenti a condizioni di funzionamento ottimali, ovvero azionamento a passo intero, in modo bipolare a due fasi, con alimentazione commutata (switching o chopper).

Allo scopo di ottenere la massima coppia motrice dai motori, spesso si preferiscono quelli ibridi bipolari azionandoli ad onda intera a due fasi, anche se questo tipo di pilotaggio comporta una maggiore complessità del circuito di comando ed un più elevato riscaldamento del motore.

Quando si vuole ottenere una grande coppia motrice si costruisce il motore con un diametro maggiore della lunghezza, per aumentare il braccio delle forze magnetiche: la coppia aumenta col raggio; viceversa, quando si vuole avere una grande velocità il motore ha una forma allungata, per ridurre il momento d’inerzia, che aumenta col quadrato del raggio.

La coppia può raggiungere le migliaia di Ncm per i motori più grossi.

Risonanza

Se un motore è pilotato ad una frequenza molto bassa si ha la risposta indicata in fig. 8.a, dove è evidenziato il fenomeno della sovraelongazione. Il motore è infatti un sistema elastico: vi è la componente inerziale dovuta alla massa del rotore e del carico, la componente elastica dovuta al campo magnetico e quindi all’attrazione reciproca fra espansioni polari dello statore e quelle del rotore (ed eventualmente dovuta anche alla frizione), ed infine la componente dissipativa dovuta agli attriti propri del motore, dell’eventuale frizione e degli organi di comando, ed alle correnti indotte dal campo magnetico. La risposta dipende ovviamente in maniera notevole anche dal tipo di alimentazione.

Nei motori PM lo smorzamento proprio nasce dall’interazione fra campo dello statore e magnete del rotore; nei motori VR invece vi sono solamente le perdite per isteresi e per correnti parassite e si hanno quindi più ampie sovraelongazioni: in tal caso è opportuno l’accoppiamento col carico tramite frizione o giunto idraulico. Si può anche applicare un impulso inverso di durata appena sufficiente a bloccare il rotore.

Questo sistema elastico presenta perciò a certe frequenze anche il fenomeno della risonanza meccanica, che porta il rotore ad oscillare in maniera anomala e quindi a perdere il passo; in quest’ultimo caso il motore potrebbe non girare, oppure girare addirittura al contrario o a velocità più elevata a seconda dell’entità della sovraelongazione, sviluppando una scarsa coppia motrice. Per capirne il motivo basta osservare la fig. 8.b: aumentando la frequenza degli impulsi il motore può perdere passi o fermarsi a seconda dell’istante di applicazione del nuovo impulso: ad esempio, applicandolo all’istante B il motore potrebbe compiere due passi invece di uno, applicandolo all’istante D esso potrebbe arrestarsi.

Il costruttore spesso evidenzia le zone di instabilità sulle curve caratteristiche del motore.
La risonanza si fa sentire maggiormente nell’azionamento a mezzo passo a causa della variabilità del momento torcente.

Carichi inerziali, con scarso attrito, aumentano il periodo delle oscillazioni e quindi riducono la frequenza massima applicabile, creando condizioni di risonanza meccanica a basse velocità. In tal caso è opportuno l’uso di frizioni.

Aumentando la frequenza, la situazione diventa quella della fig. 8.c di funzionamento sincrono, con velocità di rotazione costante.

Fig. 8: Sovraelongazione
 
Avviamento sotto carico

Quando il motore è bloccato, il suo rotore è allineato col campo prodotto dallo statore, se non vi è carico (supponiamo che sia attiva la fase A). La coppia prodotta è nulla in quanto la forza di attrazione fra i poli di statore e quelli di rotore passa per l’asse di rotazione. Applicando però una coppia di carico di valore crescente, il rotore si sposta dalla posizione di equilibrio di un certo angolo (angolo di potenza) a cui corrisponde una coppia fornita dal motore uguale a quella di carico (attriti a parte). La coppia motrice ha infatti approssimativamente un andamento sinusoidale (fig. 9.a; si suppone un angolo di passo di 90°). Aumentando la coppia di carico applicata al rotore la sua rotazione tende a 90°, a cui corrisponde la massima coppia CMmax fornita dal motore (coppia statica). Raggiunto questo punto la coppia fornita tende a diminuire (e poi a cambiare di segno) e non può quindi impedire la rotazione: il rotore slitta e si mette a girare.

Se nel momento in cui la rotazione è di 90° e la coppia motrice è massima si attivasse la fase D e si disattivasse quella A, il rotore non sarebbe sottoposto ad alcuna coppia motrice: in fig. 9.b la curva a tratto continuo corrisponde alla fase D, quella tratteggiata alla fase A non più alimentata. Questo fatto ci porta a concludere che la coppia statica non si può utilizzare nelle normali operazioni dinamiche (occorre distinguere fra coppia statica e coppia di tenuta del motore: la prima non permette l’avviamento, la seconda sì).

Qual è allora la coppia che può essere utilizzata per un funzionamento dinamico? Dalla fig. 9.c si comprende essa corrisponde ad un angolo massimo di 45°: infatti quando l’angolo cresce da 0° a 45° la coppia motrice del campo prodotto dalla fase A, se alimentata, cresce sinusoidalmente fino a 0.707CMmax, mentre viceversa la coppia che la bobina D potrebbe esercitare se alimentata decresce da CMmax a 0.707CMmax.

Fig. 9: Avviamento sotto carico
 

Una rotazione in ritardo di 45°corrisponde dunque ad una coppia massima che si può sicuramente ottenere con le bobine A e B: se la coppia di carico CL è pari a 0.707CMmax ed è attiva la fase A l’angolo aè pari a 45°; se a questo punto si attiva la fase D, supponendo che non ci siano attriti e che il rotore si metta in rotazione (la coppia di avviamento è infatti nulla), esso ruota in senso antiorario, raggiunge e supera la posizione a=0° fino a stabilizzarsi nel punto di equilibrio a=-45°. L’accelerazione è proporzionale in ciascun istante alla differenza fra la coppia motrice e la coppia resistente. L’accelerazione impressa durante il funzionamento è dunque proporzionale all’altezza dell’area tratteggiata di fig. 9.c.

In pratica l’angolo di potenza non dovrà superare i 30° circa, a cui corrisponde una coppia pari alla metà di quella statica (fig. 9.d). Si noti che la coppia di avviamento non è più nulla come nel caso di un angolo di potenza di 45°, e ciò elimina l’instabilità.

Frizioni e barre filettate a ricircolo di sfere

Come si è già accennato, le frizioni sono degli elementi elastici che hanno il compito di assorbire la coppia impulsiva dovuta alle partenze brusche, quando il pilotaggio dei motori avviene a frequenza costante; contrariamente alle frizioni tradizionali non devono però consentire lo slittamento del rotore rispetto all’organo manovrato, devono smorzare le oscillazioni prodotte e disaccoppiare meccanicamente il motore dal resto del sistema, evitando che si disturbino reciprocamente. Esse perciò sono spesso in gomma speciale ed hanno forme particolari.

Il moto rotatorio dei motori p/p può essere trasformato in un moto ancora rotatorio ma a velocità più bassa con un riduttore, oppure può essere trasformato in un moto traslatorio, utilizzando un accoppiamento pignone-cremagliera o vite-madrevite. Nel secondo caso, dato lo scarso rendimento di tale riduttore, si impiegano spesso delle barre filettate a ricircolo di sfere: l’attrito è ridotto come nei cuscinetti a rotolamento dalla presenza di sfere nei filetti, fra vite e madrevite. Esse però rischierebbero di uscire fuori dalla madrevite se questa non fosse dotata di un condotto di ricircolo di tali sfere, che le riporta dentro la madrevite, al punto di partenza. Il rendimento ottenuto è circa il 90% e l’attrito di strisciamento è quasi del tutto eliminato, al punto che spesso si ha la reversibilità del moto relativo.

 
TECNICHE DI PILOTAGGIO DEI MOTORI PASSO-PASSO
 
Protezione dei circuiti dagli effetti induttivi

L’attivazione delle fasi di un motore p/p avviene tramite dei circuiti elettronici di pilotaggio che sono costituiti da interruttori elettronici, in genere transistori di potenza per commutazione (BJT o FET). Come già anticipato nel capitolo precedente, nel caso di motori unipolari il circuito è semplicemente costituito da quattro transistori che collegano uno o due avvolgimenti alla massa (fig. 4.1a), mentre per i motori bipolari occorrono otto transistori per pilotare i due avvolgimenti, i quali formano due ponti di quattro transistori ciascuno (fig. 4.1b).

In parallelo al carico induttivo occorre però mettere sempre un diodo: poiché gli interruttori elettronici sono transistori che lavorano in modo on-off e non linearmente, ogni volta che essi si impiegano per pilotare carichi induttivi richiedono la presenza del diodo di libero ricircolo per scaricare l’energia magnetica ed evitare le sovratensioni sul collettore (fig. 10.c); l’induttanza ha infatti un comportamento inerziale nei confronti delle variazioni della corrente. Nel caso di pilotaggio di motori unipolari basta un diodo per fase, mentre per i motori bipolari, a causa dell’inversione della corrente, occorrono quattro diodi per ciascuno dei due ponti.

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Fig. 10: Protezione del transistore dagli effetti induttivi
 

 Il diodo di libero ricircolo non è necessario nel caso di impiego al posto del transistore del diodo SCR in quanto questo non si interdice finché la corrente non scende al di sotto della soglia di spegnimento, ma per lo stesso motivo l’SCR è di difficile impiego.

Il diodo di protezione deve sopportare almeno il valore di corrente che attraversava la bobina prima dell’apertura del circuito (corrente impulsiva e non continua) e deve sopportare una tensione di breakdown superiore alla tensione di alimentazione del circuito (per sicurezza si prendono valori di tensione e di corrente più alti); ma soprattutto dev’essere di tipo fast-switching o fast-recovery, cioè deve avere un tempo di recupero inverso molto basso, dell’ordine dei nanosecondi, per permettere un pilotaggio ad alta frequenza. Spesso i diodi sono del tipo Schottky.

In alternativa alla soluzione precedente vi è l’impiego di un diodo Zener posto fra collettore ed emettitore del transistore, col catodo dalla parte del collettore (fig. 10.d); spesso questo diodo è integrato col transistore di potenza in un unico componente. L’aumento di tensione provocato dall’interruzione della corrente induttiva porta in breakdown il diodo, proteggendo il transistore. Con lo Zener si ha il vantaggio che l’energia magnetica si scarica più rapidamente in quanto la potenza da esso dissipata è pari a VZI.

Un’altra soluzione consiste nell’impiego di un condensatore (che fa da volano), in parallelo al carico o al transistore, che evita la distruzione di quest’ultimo filtrando le brusche variazioni di tensione (fig. 10.e); si possono però avere oscillazioni se non adeguatamente smorzate con una resistenza.

Lo Zener può anche essere posto in serie al diodo di libero ricircolo (fig. 10.f).
 
Tecniche di alimentazione

Possono esserci delle differenze nel modo di alimentare i motori tali da determinare in essi prestazioni alquanto diverse dal punto di vista della velocità di risposta, e quindi della massima frequenza degli impulsi applicabile. Si hanno le tecniche di pilotaggio seguenti:

Pilotaggio in tensione (fig. 11.a): è il pilotaggio standard, senza alcun accorgimento per migliorare la risposta: la corrente raggiunge il valore nominale dopo un tempo dall’istante di applicazione della tensione nominale determinato dalla costante di tempo elettrica dell’avvolgimento La/Ra (La=induttanza della fase; Ra=resistenza della fase), che è dell’ordine del millisecondo; questo tempo è direttamente legato alla frequenza massima di funzionamento che non arriva al KHz.

Pilotaggio RL (fig. 11.b): si riduce la costante di tempo mettendo in serie a ciascuna fase una resistenza di valore opportuno: ad esempio, se si aggiunge una resistenza Rs =Ra, e nel contempo si raddoppia la tensione di alimentazione, la costante di tempo diviene La/2Ra, cioè la metà del valore nominale, ma il rendimento energetico è del 50% per la presenza della resistenza aggiuntiva: occorrono quindi resistori di potenza discreta (le correnti sono dell’ordine degli ampère) che quindi sprecano energia.

Fig. 11: Tecniche di pilotaggio
 

Pilotaggio con doppia tensione (fig. 11.c): la fase è inizialmente sovreccitata con una tensione molto più alta di quella nominale; la costante di tempo non cambia ma si riduce ugualmente il tempo necessario per raggiungere il valore finale di corrente, in quanto la tensione è riportata al valore nominale nell’istante in cui si raggiunge tale valore.

 

Pilotaggio con corrente costante (fig. 11.d): la corrente è mantenuta costante qualunque sia la velocità di rotazione; anche in questo caso la fase è sovreccitata con una tensione molto più alta di quella nominale; un circuito opportuno interrompe il passaggio della corrente non appena questa ha raggiunto il valore prefissato; essa quindi diminuisce mano a mano che si scarica l’energia magnetica della fase (sul diodo di libero ricircolo); dopo un breve intervallo di tempo (oppure quando la corrente raggiunge un valore di soglia) il circuito ripristina il passaggio di corrente, per interromperlo di nuovo al raggiungimento del valore prefissato; il ciclo si ripete continuamente ad una frequenza infrasonica o ultrasonica (pilotaggio chopper o switching).

Oltre all’elevato rendimento di questo tipo di pilotaggio si ha il vantaggio notevole di poter programmare la corrente anche durante il funzionamento del motore. Perciò questa tecnica è preferita quando sono in gioco grandi potenze e si ha la necessità di controllare la coppia di tenuta. La corrente istantanea che attraversa l’avvolgimento di fase è misurata con l’impiego di un resistore (sense resistor) che è attraversato dalla medesima corrente. Ciò comporta un’inutile dissipazione di potenza che può essere evitata impiegando transistori SenseFET, equivalenti al parallelo di due MOS-FET: quello di potenza, attraversato da quasi tutta la corrente di fase, e quello di misura, nel quale passa una piccola quota di corrente proporzionale a quella totale, e che serve per la misura col sense resistor.

 Per ottenere una coppia di spunto notevole diminuendo così il tempo di risposta si può anche aggiungere un circuito snubber RC (fig. 11.e): il condensatore C, caricatosi attraverso R alla tensione di alimentazione, al momento dell’attivazione della fase scarica un impulso di corrente nell’avvolgimento: in pratica la presenza del condensatore equivale ad aver cortocircuitato il resistore in serie; l’effetto è simile all’applicazione della doppia tensione, con una rapida salita della corrente che può anche presentare una sovraelongazione.

Altri accorgimenti permettono ugualmente l’uso di resistori come sensori di corrente: ad esempio, la coppia di IC L297, L298 richiede sense resistor da 1 W, 1/2 W; essa verrà descritta più avanti.

 
Circuiti per la generazione della sequenza di attivazione.

Sono circuiti sequenziali simili ad un contatore up-down: devono infatti “contare” in avanti od all’indietro con modulo quattro (od otto per il mezzo passo) gli stati del ciclo di azionamento, dando in uscita un codice dello stato a quattro bit.

Un modo interessante e semplicissimo per generare l’azionamento a due fasi consiste nell’impiego di un contatore Johnson a due bit (fig. 12.a); prendendo le quattro uscite dei flip-flop JK in un certo ordine si hanno i segnali di attivazione delle quattro fasi del motore (fig. 12.b); non è però possibile l’inversione del verso di rotazione con questo circuito: occorre anteporre ai quattro ingressi JK dei due flip-flop quattro exor che, funzionando come not pilotate su uno dei due loro ingressi, possono realizzare l’inversione della sequenza.

Un’altra soluzione consiste nell’impiego di un contatore up-down seguito da un decodificatore (fig. 12.d); ad esempio, si possono prendere i due bit meno significativi di un contatore a 4 bit (ad esempio l’IC 14516 o il 4029) e mandarli ad un decoder 4-16 linee, oppure 4-10 (es. 74154, 402. In questo modo si ha l’attivazione in sequenza delle quattro fasi, a patto che il contatore riparta dall’ultima configurazione nel momento in cui si inverte il senso, cosa non sempre verificata nel caso di contatori up-down commerciali.

Per trasformare il pilotaggio da una fase a due fasi è sufficiente l’impiego di 4 OR (es. 7432 o 4071), collegandoli come in fig. 12.c.

Nel pilotaggio dei motori bipolari col doppio ponte di transistori occorre portare il segnale di fase alla coppia di transistori del ponte diametralmente opposti, in modo da ottenere il passaggio della corrente con un verso o con verso contrario; in fig 4.3e è riportato lo schema di principio del circuito: per ottenere l’alimentazione switching, basta anteporre una porta AND ad ogni transistore e mandare il segnale di chopper al secondo ingresso della porta. Il resistore serve per misurare la corrente; nel caso di pilotaggio RL il resistore in serie si può mettere in questa posizione oppure al di sopra del ponte, fra questo ed il terminale di alimentazione.

Fig. 12: Generazione della sequenza di attivazione
 
L’integrato L297

L’IC L297 della SGS-Thomson è un generatore di sequenza che richiede unicamente il segnale di clock, e le informazioni sul verso di rotazione (cw/ccw) e sul tipo di azionamento (h/f, half/full) a mezzo passo o a passo intero, per generare una delle tre possibili sequenze viste nel precedente capitolo: passo intero ad una fase, passo intero a due fasi, mezzo passo; si può scegliere fra passo intero ad una fase od a due fasi ponendo al livello basso l’ingresso half/full quando l’L297 è in uno degli stati del ciclo desiderato.

Si abbina perfettamente con l’L298 che è un doppio ponte di potenza, ma si possono adoperare anche ponti ad elementi discreti.

Inoltre l’L297 ha un circuito chopper che permette anche il pilotaggio a corrente costante (la frequenza del chopper è fissata da un circuito RC); produce, tranne che nel pilotaggio a due fasi, due segnali (inhibit) che permettono di scaricare più rapidamente l’energia magnetica ponendo in conduzione la metà inferiore del ponte di potenza. Inoltre, quando il piedino di Control è basso essi effettuano la commutazione per l’alimentazione switching.

Nel pilotaggio a due fasi questi segnali non sono prodotti (salvo che nel caso del modo switching) in quanto si ha direttamente l’inversione del senso di conduzione della corrente, quando si passa da uno stato a quello successivo del ciclo, e non è quindi necessario l’accorgimento precedente per scaricare velocemente l’induttanza della fase.

Per i motivi visti la corrente sul sense resistor passa solo per una parte del ciclo di attivazione; il resistore può quindi essere di piccola potenza (1/2 W).
 
Si riportano i link ai data sheets in formato pdf dei due circuiti integrati:

L297.pdf
L298.pdf

Esistono in commercio altri circuiti integrati per generare le sequenze di pilotaggio dei motori p/p, anche con alimentazione switching: SAA 1027, SAA 1042, TL 376, ULN 2002, ULN 2800, ULN 2804, TCA 1560, TCA 1561, ecc. Alcuni hanno al loro interno anche i driver per alimentare gli avvolgimenti di fase.