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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.

image002 - Due motori passo-passo

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.
E' così possibile far ruotare l'albero nella posizione e alla velocità voluta semplicemente contando gli impulsi ed impostando la loro frequenza, dato che le posizioni di equilibrio dell'albero sono determinate meccanicamente con estrema precisione.

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.
Un motore ibrido, visibile in figura, è costituito da un rotore e da uno statore.

image004 - Uno stepper aperto

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.
Per ciascuno dei tipi di motore esiste uno specifico schema di funzionamento. I motori unipolari sono piuttosto facili da pilotare, perlomeno se sono richieste basse prestazioni, in quanto è sufficiente usare quattro interruttori opportunamente connessi in modo da far passare la corrente nelle fasi secondo l'ordine corretto.
È di seguito riportato lo schema del collegamento elettrico di un motore unipolare.

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  

 

Passo

Ph1

Ph3

Ph2

Ph4

1

I

0

0

0

2

0

I

0

0

3

0

0

I

0

4

0

0

0

I

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.


La coppia disponibile è circa 1,4 volte maggiore di quella ottenuta con una sola fase attiva alla volta, in quanto le due forze applicate contemporaneamente sono perpendicolari.

 

Passo

Ph1

Ph3

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Ph4

1

I

I

0

0

2

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I

I

0

3

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0

I

I

4

I

0

0

I

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.

 

Passo

Ph1

Ph3

Ph2

Ph4

1

I

0

0

0

2

I

I

0

0

3

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I

0

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4

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I

I

0

5

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0

I

0

6

0

0

I

I

7

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0

0

I

8

I

0

0

I

 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.
Occorre evitare nel modo più assoluto la contemporanea conduzione dei transistor sullo stesso lato, poiché si creerebbe un cortocircuito con possibile distruzione dei transistor o dell'alimentatore.

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.
Ciascun avvolgimento del motore è sostanzialmente un induttore, che tende a mantenere costante la corrente che in esso scorre. Quando un transistor si apre, la corrente istantaneamente dovrebbe andare a zero e quindi la sua derivata temporale assume valori elevati. La tensione sul collettore del transistor, detta tensione di fly-back, arriva facilmente a centinaia di volt, danneggiando il transistor stesso.
Per evitare questo fenomeno distruttivo è inserito in parallelo a ogni fase un diodo, che fornisce alla corrente una via alternativa a quella del transistor nel momento in cui questo si apre. Qui di seguito è riportata la connessione dei diodi per una generica fase di un motore unipolare e di un motore bipolare.