Unmanned guided veicle
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Motori
I motori passo-passo, spesso chiamati anche step o stepper, sono caratterizzati nel panorama dei motori elettrici da una serie di particolarità che ne fanno una buona scelta per tutte quelle applicazioni che richiedono precisione nello spostamento angolare e nella velocità di rotazione, quali la robotica ed i servomeccanismi in genere. Il vantaggio principale nell'utilizzo dei motori a passo è la possibilità di realizzare azionamenti di precisione controllati da computer in catena aperta, ossia senza utilizzare sensori di posizione o di velocità. Hanno inoltre un'elevata robustezza meccanica ed elettrica, poiché non esistono contatti elettrici striscianti, ed è facile far compiere all'albero piccole rotazioni angolari arbitrarie in ambedue i versi e bloccarlo in una determinata posizione.
Hanno però il difetto di richiedere sempre circuiti elettronici per il pilotaggio, in genere di tipo digitale. Difficilmente raggiungono velocità di rotazione elevate e hanno un funzionamento a scatti e con forti vibrazioni, soprattutto ai bassi regimi.I motori stepper sono motori che hanno come scopo quello di mantenere fermo l'albero in una posizione di equilibrio: se alimentati si limitano infatti a bloccarsi in una ben precisa posizione angolare. Solo indirettamente è possibile ottenerne la rotazione inviando
al motore una serie d'impulsi di corrente, secondo un'opportuna sequenza,
in modo tale da far spostare, per scatti successivi, la posizione d'equilibrio. I motori passo-passo si dividono tradizionalmente in tre grandi gruppi:
motori a magnete permanente, motori a riluttanza variabile e motori ibridi.
Questi ultimi sono maggiormente diffusi e impiegati nell'ambito dell'automazione.
Il primo appare come una coppia di ruote dentate solidali all'albero e costituite da un nucleo magnetico. Queste sono permanentemente magnetizzate, una come NORD, l'altra come SUD mentre i denti o coppette sono realizzate in materiale ferromagnetico. Tra le due ruote è presente uno sfasamento esattamente pari a metà del passo dei denti, ossia il dente di una delle due sezioni corrisponde alla valle dell'altra. Da notare che nel rotore non sono presenti fili elettrici, e quindi manca completamente ogni connessione elettrica tra la parte in movimento e quella fissa. Lo statore invece è costituito da 2 o 4 avvolgimenti su un numero doppio di espansioni polari che, opportunamente percorse da corrente, generano il campo magnetico. All'interno dello statore sono presenti piccoli denti che si affacciano esattamente solo al gruppo di denti appartenenti ad una espansione polare e a quella opposta. Nei motori a due avvolgimenti, detti bipolari, la coppia rimanente è sfalsata di metà del passo dei denti, mentre in quelli a quattro avvolgimenti, o unipolari, le altre coppie sono sfasate di 1/4, ½ e 3/4. In questo modo, dopo che tutte le fasi sono state opportunamente energizzate in sequenza, l'albero del motore compie esattamente la rotazione angolare corrispondente a un passo. I motori bipolari prendono questo nome in quanto la corrente percorre le fasi nei due versi al fine di creare gli opportuni campi magnetici. All'esterno dunque sono presenti soltanto due coppie di fili. Diversamente, nei motori unipolari, la corrente nella singola fase ha sempre lo stesso verso, per cui sono presenti in uscita cinque fili.
Il funzionamento dei
motori a passo è possibile se sono applicati impulsi di corrente
sulle fasi, in opportuna sequenza e verso, attraverso l'uso di interruttori
elettronici.
In realtà nello schema è presente un motore a sei fili; nel caso comunque di un motore strettamente unipolare la situazione è analoga e la connessione dei terminali di alimentazione, che nello schema è realizzata esternamente, è invece interna al motore. Facendo passare corrente in una sola delle fasi il motore rimane bloccato in una posizione d'equilibrio: in questo modo il motore offre una notevole coppia che si oppone allo spostamento angolare. La rotazione è ottenuta cambiando in opportuna sequenza la fase o le fasi, a cui la corrente è applica. Il sistema base di funzionamento è detto wavemode e con esso la corrente è applicata ad una sola delle fasi alla volta, secondo la tabella seguente
Funzionamento wave-mode o a onda
Per ottenere la rotazione del motore è necessario scorrere ciclicamente le righe della tabella, cambiando la fase in cui la corrente scorre. In modalità two-phase-on, la corrente è applicata contemporaneamente a due fasi. In questo modo il rotore è trattenuto in posizioni di equilibrio intermedie a quelle tipiche del funzionamento wavemode.
Funzionamento two-phase-on
La modalità half-step è in pratica l'alternarsi delle configurazioni dei due metodi appena visti e si basa sulla constatazione che tra le posizioni di equilibrio delle due sequenze precedentemente viste, è presente uno sfasamento di esattamente mezzo passo.
Funzionamento half-step
Il vantaggio è che raddoppia il numero di passi disponibile per compiere un giro completo, mentre lo svantaggio è una discreta irregolarità nella coppia, la quale ogni passo cambia da 1 a 1.4 e viceversa. Questo metodo è spesso indicato come half-step senza controllo di coppia per sottolineare come la coppia meccanica sia variabile. Anche nel pilotaggio bipolare sono possibili diverse modalità di funzionamento, analoghe a quelle viste per i motori unipolari, con la differenza che adesso bisogna tenere in conto anche il verso della corrente.
Funzionamento wave-mode, two-phase-on e half-step
Il circuito di pilotaggio è più complesso di quello unipolare
in quanto è necessario fornire anche l'inversione del verso della
corrente, normalmente attraverso il cosiddetto ponte ad H, realizzato
con il doppio dei transistor di potenza.
Facendo riferimento allo schema sopra riportato, per far passare corrente
in una fase devono essere attivate contemporaneamente le coppie di transistor
in diagonale: per esempio M1 e M6 per il passaggio della corrente in un
verso, M2 e M5 per il passaggio nell'altro verso. I circuiti di pilotaggio descritti sono però solo di principio,
poiché, quando si pilotano carichi induttivi, è sempre necessario
inserire diodi di ricircolo, pena la repentina distruzione dei transistor
di potenza a causa delle tensioni elevate generate da motore.
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