Ascione, Cossiga, Scanavini 5CE

1. Motori Passo-Passo Stepper Motor

2. Da qualche decina d’anni, alle classiche macchine elettriche rotanti, quali alternatore e motore asincrono, si sono aggiunti altri 2 tipi di macchine di tipo sincrono, il motore Brushless, letteralmente senza spazzole ed il motore passo-passo, detto anche Stepping motor. La loro diffusione è stata favorita soprattutto dalla notevole evoluzione ottenuta dall’elettronica sia di potenza sia di controllo, che li ha resi molto versatili, soprattutto nel campo dell’automazione di qualsiasi tipo.

3. Applicazioni Questi tipi di motore trovano notevoli applicazioni sia in campo industriale sia in campo civile, come ad esempio il controllo degli assi nelle macchine utensili, l’azionamento di tavole girevoli, lo spostamento delle testine di stampanti, l’apertura graduale di valvole a portata variabile per liquidi o gas, le varie movimentazioni di robot e posizionatori, ed altre situazioni dove si richiedono degli spostamenti molto precisi.

4. Tipi di motore passo-passo I motori passo-passo si dividono tradizionalmente in tre grandi gruppi: motori a magnete permanente, motori a riluttanza variabile e motori ibridi. I motori passo-passo di tipo ibrido (denominati anche Hybrid Stepper Motor ) di cui andremo a parlare, sono i migliori in quanto sono i motori più performanti, hanno buona precisione, alta velocità, alta coppia e micro passi, anche se ad un costo maggiore.

5. I Vantaggi - Costo ridotto rispetto ad altri motori con analoghe prestazione (anche se più costosi dei motori passo-passo a riluttanza variabile e a magnete permanente) - È possibile realizzare azionamenti di precisione controllati da computer senza utilizzare sensori di posizione o di velocità. Sono quindi utilizzabili con relativa semplicità e senza richiedere particolare potenza di calcolo. - Hanno un'elevata robustezza meccanica ed elettrica: infatti non esistono contatti elettrici striscianti. - È facile far compiere all'albero piccole rotazioni angolari arbitrarie in ambedue i versi e bloccarlo in una determinata posizione. - La velocità di rotazione può essere molto bassa anche senza l'uso di riduttori meccanici. - Sono molto stabili nella posizione a rotore bloccato e non presentano pendolamenti come nei sistemi brushless

6. I Difetti - Richiedono sempre circuiti elettronici per il pilotaggio, in genere di tipo digitale. - Hanno un funzionamento a scatti e producono vibrazioni, soprattutto ai bassi regimi e se si adottano le tecniche di pilotaggio più semplici. - Il loro rendimento energetico dipende dalla tecnologia costruttiva adottata, la potenza meccanica espressa come coppia e misurata in Nm (Newton per metro), a parità di assorbimento in corrente, dipende spesso dal tipo di pilotaggio elettrico/elettronico adottato. - Producono molto calore anche dopo pochi minuti.

7. Composizione Un motore ibrido è costituito da un rotore e da uno statore; nella fotografia seguente un esemplare in cui si vede chiaramente la struttura.

8. Il rotore appare come una coppia di ruote dentate identiche tra loro, affiancate e solidali all'albero, costituite da un nucleo magnetico; le due ruote sono permanentemente magnetizzate, una come NORD, l'altra come SUD; le coppette - i "denti" delle ruote - sono in materiale ferromagnetico. Il numero di denti è variabile. Tra le due ruote è presente uno sfasamento esattamente pari ad 1/2 del passo dei denti. Nel rotore non sono presenti fili elettrici e quindi manca completamente ogni connessione elettrica tra la parte in movimento e quella fissa. Lo statore appare come il classico insieme di avvolgimenti ed il circuito magnetico è costituito da 4 o, più frequentemente, 8 "espansioni polari" (otto in quello mostrato fotografia). All'interno dello statore sono presenti piccoli denti che si affacciano esattamente a quelli del rotore. O meglio, sono esattamente affacciati al rotore solo il gruppo di denti appartenenti ad una espansione polare e a quella opposta; le altre coppie sono sfalsate rispettivamente di 1/4, 1/2 e 3/4 del passo dei denti. Avvolti intorno ai poli magnetici dello statore ci sono i fili che, opportunamente percorsi da corrente, generano il campo magnetico.

9. Il Funzionamento L'elettromagnete in alto (1) viene eccitato, attraendo il dente più vicino di un attrezzo a forma di rotore metallico. Con il dente allineato all'elettromagnete 1, inizierà la rotazione verso l'elettromagnete 2. L'elettromagnete in alto (1) viene spento e viene eccitato l'elettromagnete a destra (2), tirando il dente successivo leggermente verso destra. Questo processo produce una rotazione di 3.6° in questo esempio.

10. L'elettromagnete in basso (3) viene eccitato; si verifica un'altra rotazione di 3.6°. L'elettromagnete a sinistra (4) viene eccitato, si ha un'altra rotazione di 3.6°. Quando l'elettromagnete in alto (1) sarà di nuovo eccitato, i denti del rocchetto dovranno ruotare nella posizione successiva; poiché vi sono 25 denti, occorrono 100 passi per realizzare una rotazione completa.

12. Pilotaggio

13. L'unità di comando può essere: - Un circuito integrato specializzato: In genere è il sistema più utilizzato. Per il controllo sono in teoria necessari due soli segnali: uno per la direzione ed un clock che, per ciascun impulso, fa ruotare il motore di un passo nella direzione voluta. - Un circuito digitale generico: una scelta raramente opportuna, a meno di avere necessità particolarmente semplici (ad esempio serve la rotazione in un solo verso) oppure di disporre di integrati digitali programmabili. - Il pilotaggio diretto da parte di un processore: utile per risparmiare sul numero dei componenti, anche a scapito dell'efficienza computazionale.

14. I Parametri I parametri che andremo a elencare sono quelli che potremmo trovare come dati di targa comprando uno stepper motor .

15. step angle (angolo di passo): è il valore dell’angolo che percorre il rotore tra un passo e l’altro; step per revolution (passi per giro): è il numero di passi richiesti per compiere un giro completo; holding torque (coppia di tenuta): è la massima coppia che si può applicare all’albero di un motore alimentato, ma fermo, senza causarne la rotazione; residual torque (coppia residua): è la massima coppia che si può applicare all’albero di un motore non alimentato senza causarne la rotazione; pull-out rate : è la massima frequenza a cui un motore può ruotare con un determinato carico (indicato di solito come condizione), senza perdere passi; pull-out torque : è la massima coppia che può essere applicata a una data frequenza, senza perdere passi; pull-in rate : è la massima frequenza a cui un motore può partire con un determinato carico, senza perdere passi; pull-in torque : è la massima coppia con cui un motore può partire ad una data frequenza, senza perdere passi; response range (campo di risposta): è la gamma di frequenze entro cui un motore può partire, fermarsi, invertire la rotazione senza perdere passi; overshoot : è la sovraoscillazione che il rotore compie dopo ogni passo intorno alla sua posizione finale. Un eccessivo overshoot alle basse frequenze di funzionamento crea disturbi e tende a logorare le ruote dentate dei gruppi di trasmissione collegati al motore .

16. E' possibile trovare anche un grafico come questo che indica le caratteristiche di coppia in funzione della frequenza Nel grafico vengono rappresentate due curve, una in fase di avviamento (B) e una a regime (A). Naturalmente la coppia di carico in fase di avviamento sarà minore di quella a regime, si crea così una zona compresa tra le due curve chiamata slew-range dove il motore non perde il passo anche se varia la frequenza.

17. Ascione Lorenzo Cossiga Simone Scanavini Edoardo Classe 5 CE ITIS G. Cardano