24.08.2007
Il motore passo-passo è un componente essenziale negli azionamenti automatici; esso è un dispositivo elettromeccanico che trasforma segnali impulsivi ricevuti in ingresso allo statore in rotazioni della parte mobile; in pratica, alimentando in successione gli avvolgimenti statorici, si provoca un campo rotante che trascina il rotore. Il valore minimo dello spostamento angolare si definisce passo e il numero dei passi eseguiti nell'unità di tempo costituisce la sua velocità. Sia il passo che la velocità dipendono dalla costituzione del rotore e, a questo riguardo, si possono distinguere tre tipi di motore passo-passo:
• motori con rotore a magnete permanente
• motori a riluttanza variabile
• motori ibridi, cioè con rotore a magnete permanente e a riluttanza variabile.
Questi motori trovano impiego come guida di nastri magnetici, nelle stampanti, nelle macchine utensili, nei plotters, guidano l'apertura dell'obiettivo delle cineprese, nelle automazioni industriali, nel controllo dei processi, ecc.
Esaminiamo adesso i tre tipi di motori.
Il motore con rotore a magnete permanente
Lo schema mostrato in figura 1 è costituito da due semistatori uguali spostati angolarmente tra loro di 90° con quattro avvolgimenti statorici e con una sola coppia polare rotorica; tale motore si definisce unipolare perché la corrente circola negli avvolgimenti in un unico verso; se si alimentano gli avvolgimenti del motore uno per volta, ossia in wave drive, secondo la successione di tabella 1.
La polarità degli elettromagneti di statore si sposta e il rotore la seguirà ruotando, figura 2; il rotore ruota in senso orario se si segue la sequenza dall'alto in basso con passo di 90° e occorreranno perciò quattro passi per un giro completo e i poli di rotore e dello statore si trovano allineati. L'angolo α corrispondente ad un passo è dato da 360/np con "n" numero delle fasi di statore e "p" numero di coppie polari del rotore, per cui esso si può variare facendo variare "n" o "p".
Nell'alimentazione in wave drive si ottiene una coppia molto debole, per cui si preferisce alimentare in normal drive, ossia due avvolgimenti contemporaneamente secondo la tabella 2.
In tale condizione il rotore, anche spostandosi per passi di 90°, risente dell'attrazione contemporanea di due polarità con un momento torcente circa triplo del precedente e assume una posizione intermedia tra due poli dello statore (figura 3).
Alternando il sistema di pilotaggio wave e normal drive di tabella 3 si ottiene il funzionamento a mezzo passo (half step mode): le posizioni del rotore sono rappresentate in figura 4. In tale modo di funzionamento la coppia non è uniforme, dato che quando è alimentato un solo avvolgimento essa è minore rispetto a quando sono alimentati due avvolgimenti, il vantaggio è rappresentato dalla circostanza che si riducono i fenomeni di risonanza.
Scarica in PDF le seguenti tabelle:
Tabella 1 - Sequenza wave drive
Tabella 2 - Sequenza normal drive
Tabella 3 - Sequenza half step mode
Tabella 4 - Grandezze caratteristiche del motore passo-passo
Infatti il rotore e il carico ad esso collegato presentano, com'è noto, una certa inerzia, per cui, ad ogni passo il rotore tende ad oscillare intorno al punto di equilibrio; quando si supera una certa frequenza di funzionamento, che dipende dalle caratteristiche del motore e dal carico, l'ampiezza dell'oscillazione può essere tale che il rotore non riesce a raggiungere la posizione di equilibrio prima dell'arrivo del passo successivo; il motore allora perde il passo e diventa ingovernabile. Nel funzionamento a mezzo passo le frequenze di risonanza sono al di fuori della zona di funzionamento del motore e quindi c'è un miglioramento della caratteristica. Un altro problema si verifica quando si fa fare al motore un solo passo e il rotore oltrepassa la posizione, oscillando intorno ad essa: il problema si attenua all'aumentare della coppia rispetto al momento d'inerzia.
Il pilotaggio può essere anche bipolare, inviando cioè alternativamente corrente nei due sensi degli avvolgimenti e alimentando in weave, normal drive o half step mode.
La caratteristica coppia-velocità di un motore passo-passo è rappresentata in figura 5 in pilotaggio unipolare; in figura 6 sono rappresentate le caratteristiche di uno stesso motore con pilotaggio unipolare e bipolare ed è evidente il valore maggiore della coppia nel pilotaggio bipolare. Entrando nei dettagli della figura 5, si individuano due caratteristiche, quella di pull-in e quella di pull-out. La prima è costituita dalle coppie di valori che all'avviamento o allo stop un motore con carico a frizione può raggiungere senza perdere il passo e si evidenzia anche la massima velocità a cui ciò avviene; la seconda evidenzia invece la massima velocità di passo che un motore con carico a frizione può mantenere senza perdere passi. Nella zona di start/stop il motore può essere avviato, fermato o costretto a cambiare verso di rotazione mediante comando del circuito di pilotaggio; nello spazio compreso tra le due curve il motore può essere solo accelerato o rallentato, ma non può cambiare senso di marcia. I circuiti elettronici di pilotaggio consentono al motore di partire ad una frequenza stabilita per poi salire ad un valore finale cui corrisponde una certa velocità di rotazione del motore; ciò consente di far partire il motore con la caratteristica di pull-in e di farlo accelerare sino alla velocità finale, in modo che possa operare nel campo di pull-out; allo spegnimento il motore decelera automaticamente. In ogni applicazione occorre che la velocità iniziale del motore sia al di sotto della velocità di pull-in, inoltre la velocità finale non deve andare oltre la curva di pull-out; infine va stabilito l'andamento dell'accelerazione e della decelerazione in quanto, per carichi ad alta inerzia, il motore deve essere sottoposto ad una rampa di accelerazione iniziale e ad una rampa di decelerazione all'arresto, agendo sulla frequenza degli impulsi di comando.
Scarica in PDF le figure:
Fig.1: Schema di principio di un motore passo-passo
Fig.2: Posizione reciproca di statore e rotore nell'alimentazione weave drive
Figura 3 - Posizione reciproca di statore e rotore nell'alimentazione normal drive
Figura 4 - Posizione reciproca di statore e rotore in alimentazione mista
Figura 5 - Caratteristica coppia-velocità
Figura 6 - Confronto caratteristiche tra pilotaggio unipolare e bipolare
Figura 7 - Confronto caratteristiche tra motore ibrido e ibrido con tecnologia Sigmax
Variando la frequenza degli impulsi si può ottenere una velocità molto bassa che può però essere aumentata; il tempo di risposta di questi motori, benché dipenda dall'inerzia e dal tipo di carico, è comunque molto basso e si può considerare compreso tra 0,5 e 1,5 msec. Il motore passo-passo può essere collegato a cambi sincroni per ottenere angoli di passo più precisi e coppie maggiori a velocità più basse, inoltre si accresce la capacità del motore di pilotare carichi a più alta inerzia: si ottiene il massimo di potenza trasferita quando l'inerzia del carico, vista dal motore, è pari a quella del rotore del motore.
Motori passo-passo a riluttanza variabile
Questi motori hanno allo statore un certo numero di coppie polari; il rotore è costituito di materiale ad alta permeabilità con un numero di espansioni polari minori di quelle statoriche in quanto occorre evitare che queste possano trovarsi in corrispondenza esatta tra loro. Le fasi sono almeno tre per evitare incertezze sul verso di rotazione e sono avvolte su poli diametralmente opposti. Alimentando in sequenza le fasi , la polarità ruota e il rotore segue lo spostamento, allineandosi con due suoi denti ai poli statorici sede del flusso; in questa situazione si rende infatti minima la riluttanza del tra ferro, per realizzare la qual situazione nasce la coppia motrice che fa spostare il rotore. Alimentando con correnti uguali due fasi adiacenti si ottiene uno spostamento di mezzo passo; se si vogliono ottenere spostamenti inferiori, si alimentano fasi adiacenti con correnti diverse e il rotore si posizionerà tra due fasi, più vicino però a quella attraversata da corrente maggiore. Per aumentare il numero di passi per giro, si calettano più rotori sullo stesso asse, ciascuno col proprio statore, sfasato di una frazione di passo polare. Il motore a riluttanza variabile permette di realizzare angoli di passo molto piccoli e di raggiungere elevate velocità, ma le coppie sono molto più basse che nel motore a magneti permanenti.
Motori a passo ibridi
Il motore ha molte fasi statoriche e un rotore viene realizzato con due corone, con espansioni polari poste agli estremi di un cilindro che contiene magneti permanenti. I denti delle due corone hanno una distanza angolare di mezzo passo polare; sullo statore le espansioni polari hanno denti dello stesso passo di quelli rotorici. Quando i denti di rotore sono allineati con quelli di una espansione polare saranno sfasati di ¼ di passo da quelli dell'altra espansione polare. Con questi motori si accoppiano i pregi dei due tipi precedenti, poiché realizzano angoli ridotti, ossia un gran numero di passi per giro con alte velocità e coppie notevoli. Ci sono poi realizzazioni particolari di questo tipo di motore, dove sullo statore sono montati dei magneti costituiti da lantanidi (samario cobalto) che concentrano il flusso magnetico nei punti desiderati tra il rotore e lo statore. Quest'azione di focalizzazione del flusso, sistema brevettato dalla Sigmax Technology, ne ottimizza la traiettoria, incrementando la coppia prodotta, come si nota in figura 7, dove sono confrontate le curve di coppia di un motore ibrido tradizionale e uno che usa i lantanidi come focalizzatori del flusso.
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