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Motori stepper

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Motori passo-passo. Tipologie. Controllo

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Motori stepper

  1. 1. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione Impianti - Ing. Pasquale Alba 2015 MOTORI STEPPER O PASSO-PASSO Tipi di avvolgimenti. Elettronica di pilotaggio. Micropasso. Applicazioni (CNC) 1 Pro manuscripto - Dispensa didattica - UDA Istituto Professionale per l'industria e l'Artigianato "Salvo D’Acquisto" Bagheria STAMPA SOLO SE NECESSARIO
  2. 2. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 Applicazioni 2 Stampanti Macchine CNC Automazione Stampanti 3D
  3. 3. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 Aspetto 3
  4. 4. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 Struttura 4
  5. 5. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 Due tipi: Bipolari e Unipolari 5 Le fasi possono essere avvolte secondo due schemi: Motori Unipolari: la corrente nella singola fase ha sempre lo stesso verso. Sono presenti quattro avvolgimenti avvolti a coppie, in antiparallelo, sulle espansioni polari; all'esterno arrivano almeno cinque fili.
 E' possibile creare due campi magnetici opposti semplicemente scegliendo in quale dei fili debba passare la corrente. Motori Bipolari: ogni avvolgimento viene percorso da corrente alternativamente nei due versi al fine di creare gli opportuni campi magnetici. Sono presenti due soli avvolgimenti, ciascuno avvolto su più espansioni polari, all'esterno arrivano due sole coppie di fili.
  6. 6. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 Unipolari 6 La corrente in ogni bobina scorre sempre nello stesso verso. Alimentando le bobine secondo una certa sequenza, il rotore ruota a scatti. Invertendo la sequenza si inverte il senso di marcia. Aumentando la frequenza degli impulsi aumenta la velocità.
  7. 7. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 7 Principio di funzionamento Unipolari
  8. 8. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 8 Principio di funzionamento Unipolari
  9. 9. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 9 Principio di funzionamento Unipolari
  10. 10. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 10 Sequenze di comando degli Unipolari 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 Wavemode: è il sistema base di funzionamento; con esso la corrente è applicata ad una sola delle fasi alla volta, secondo la tabella seguente (Ph indica ciascuna delle quattro fasi, I indica la corrente nominale in ciascuna fase, 0 indica l'assenza di corrente). Questo metodo è a volte chiamato anche "One-phase-on full step" o "passo intero" per evidenziare il fatto che una sola fase alla volta è energizzata; la distanza angolare tra passi successivi è pari a quanto indicato sui dati di targa del motore. Per ottenere la rotazione del motore è necessario scorrere le righe della tabella, cambiando la fase in cui la corrente scorre. E' necessario tener presente che la tabella deve essere vista come circolare: dopo l'ultima riga, ritroviamo infatti la prima.
  11. 11. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 11 Sequenze di comando degli Unipolari 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 1,41 volte maggiore di quella ottenuta con una sola fase attiva alla volta: le due forze applicate contemporaneamente possono essere infatti viste come tra loro perpendicolari (per chi ricorda qualcosa di trigonometria, o la diagonale di un quadrato, non è difficile comprendere che 1,41 è "radice di due”). Il consumo di corrente e quindi il riscaldamento raddoppiano. Questo fatto potrebbe creare problemi in alcuni motori non adatti a questo tipo di pilotaggio. Passo Ph1 Ph3 Ph2 Ph4 1 I I 0 0 2 0 I I 0 3 0 0 I I 4 I 0 0 I
  12. 12. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 12 Sequenze di comando degli Unipolari Half-step (mezzo passo): è in pratica l'alternarsi delle configurazioni dei due metodi appena visti e si basa sul fatto 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 0 I 0 0 4 0 I I 0 5 0 0 I 0 6 0 0 I I 7 0 0 0 I 8 I 0 0 I Il vantaggio è che raddoppia il numero di passi disponibile per un certo motore. Lo svantaggio è una discreta irregolarità nella coppia (che per ogni passo cambia da 1 a 1.4 o viceversa) e nel consumo di potenza (che, sempre per ogni passo, cambia da 1 a 2), ambedue mediamente intermedi rispetto agli altri due metodi. Questo metodo è a volte indicato come half-step senza controllo di coppia per sottolineare come la coppia meccanica sia variabile. In alternativa è possibile adottare tecniche capaci di rendere omogenea la coppia ma, per i motori unipolari, questa non è una scelta conveniente a causa della complessità del circuito da realizzare in rapporto agli effetti utili; è invece una via praticabile per i motori bipolari e quindi ne parlerò solo nel paragrafo successivo. Le sequenze indicate nelle precedenti tre tabelle sono relative alla rotazione del motore in un verso: applicando continuamente la sequenze 1-2-3-4-1-2-3… si ottiene la rotazione dell'albero in un verso; per invertire il senso di rotazione basta invertire l'ordine con il quale sono lette le righe delle tabelle: 4-3-2-1-4-3… (non va quindi cambiato il verso delle correnti, che rimane invariato). Da notare che non esiste nessuna corrispondenza tra il numero delle righe delle tabelle sopra riportate ed il numero di posizioni angolari che il motore assume: in genere è necessario "scorrere" molte volte la tabella per ottenere la rotazione dell'albero di 360°. Per esempio in un motore con quattro fasi e 200 passi/giro è necessario applicare per 200 volte (400 volte per l'half-step) gli impulsi di corrente per ottenere la rotazione di un giro dell'albero: in pratica occorre scorrere 50 volte la tabella.
  13. 13. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 MOTORI STEPPER BIPOLARI 13 La corrente in ogni bobina può scorrere in un verso o nel verso opposto Il circuito di pilotaggio è più complesso di quello unipolare in quanto è necessario fornire anche l'inversione del verso della corrente, attraverso il cosiddetto "ponte ad H": non solo serve il doppio dei transistor di potenza ma metà di questi hanno l'emettitore o il source non connesso a massa, con complicazioni nell'adattamento delle tensioni di pilotaggio.
  14. 14. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 14 Principio di funzionamento Bipolari
  15. 15. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 15 Sequenze di comando Bipolari WaveMode: una sola fase alla volta è attiva. Da notare che le condizioni di funzionamento per ciascuna fase sono tre: corrente in un verso, corrente nell'altro verso, assenza di corrente (situazioni indicate rispettivamente con I, -I e 0 nella tabella). Passo Ph1 Ph2 1 I 0 2 0 I 3 -I 0 4 0 -I Two phase-on: la corrente è sempre presente nelle due fasi ma cambia verso. Ho già descritto nel paragrafo dedicato ai motori unipolari gli effetti sulla coppia (che aumenta di 1.4 volte) e la corrente assorbita (che raddoppia). Passo Ph1 Ph2 1 I I 2 -I I 3 -I -I 4 I -I
  16. 16. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 16 Sequenze di comando Bipolari Half-step senza controllo di coppia: è l'insieme dei due metodi precedenti, con l'effetto principale di ottenere il raddoppio del numero dei passi. Ho già descritto gli effetti sulla coppia e la corrente assorbita. Passo Ph1 Ph2 1 I 0 2 I I 3 0 I 4 -I I 5 -I 0 6 -I -I 7 0 -I 8 I -I Half-step con controllo di coppia: con la tecnica di pilotaggio a mezzo passo quando la corrente scorre in due fasi contemporaneamente la coppia è maggiore di quando la fase energizzata è una sola. Il problema è risolvibile riducendo la corrente che passa nelle due fasi ad un valore tale che la coppia rimanga costante. Chi ha voglia di pensarci un po' su, scoprirà che tale corrente va ridotta a 0,707 volte quella nominale. La tabella che ne nasce è quella che riporto di seguito, dove I rappresenta la corrente nominale. Passo Ph1 Ph2 1 I 0 2 0,707*I 0,707*I 3 0 I 4 -0,707*I 0,707*I 5 -I 0 6 -0,707*I 0,707*I 7 0 -I 8 0,707*I 0,707*I
  17. 17. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 17 Sequenze di comando Bipolari Il microstepping: un'evoluzione del metodo di pilotaggio half- step con controllo di coppia è basato sulla considerazione che, così come posso ottenere un passo intermedio alimentando in contemporanea due fasi con corrente ridotta, posso ottenere una serie ampia a piacere di posizioni intermedie tra due step inviando due correnti di diverso modulo nelle due fasi adiacenti: il rotore si posizionerà tanto più vicino ad una posizione di equilibrio tanto maggiore sarà la corrente nella fase corrispondente rispetto a quella dell'altra. In pratica le correnti assumono un andamento che tende ad approssimare quello sinusoidale, con uno sfasamento di 90° tra le due fasi. Ciò fa assomigliare il funzionamento del motore passo-passo a quello di un motore sincrono a due fasi, che in effetti è suo stretto parente. Di seguito la tabella necessaria per quadruplicare il numero di passi, ampliabile a piacere semplicemente tenendo presente che la corrente assume il valore massimo in una fase quando nell'altra è zero e che la somma dei quadrati dei coefficienti delle due correnti deve sempre essere uno (in pratica una sinusoide ed una cosinusoide...). Passo Ph1 Ph2 1 I 0 2 0.924*I 0.383*I 3 0.707*I 0.707*I 4 0.383*I 0.924*I 5 0 I 6 -0.383*I 0.924*I 7 -0.707*I 0.707*I 8 -0.924*I 0.383*I 9 -I 0 10 -0.924*I -0.383*I 11 -0.707*I -0.707*I 12 -0.383*I -0.924*I 13 0 -I 14 0.383*I -0.924*I 15 0.707*I -0.707*I 16 0.924*I -0.383*I
  18. 18. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 18 Esercitazione Arduino-Stepper Bipolari
  19. 19. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 19 Esercitazione Arduino-Stepper Bipolari
  20. 20. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 20 Esercitazione Arduino-Stepper Unipolare
  21. 21. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 21 Esercitazione Arduino-Stepper Unipolare Schema che usa 2 pin di Arduino per il comando
  22. 22. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 22 Esercitazione Arduino-Stepper Unipolare
  23. 23. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 23 Esercitazione Arduino-Stepper Unipolare Schema che usa 4 pin Il collegamento ad Arduino è semplice: sono necessari 4 pin digitali (nel mio esempio ho scelto 2-3-4-5) e l’alimentazione a 5V. Sebbene sia possibile alimentare il motore usando l’uscita a 5V di Arduino, è consigliata una fonte di alimentazione esterna. Per comandare il motore, possiamo utilizzare la libreria Stepper, indicando il numero di steps (passi) necessari per un giro completo (per il nostro motore 2048) e i pin che abbiamo utilizzato.
  24. 24. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 24 Esercitazione Arduino-Stepper Unipolare #include <Stepper.h>   Stepper myStepper(2048,2,3,4,5);   void setup() {   myStepper.setSpeed(10); }   void loop() {   myStepper.step(2048); delay(1000); myStepper.step(-2048); delay(1000); } Con il metodo setSpeed() possiamo decidere la velocità (= giri al minuto), mentre con step() muoviamo il motore di n passi (con n negativo il motore ruoterà in senso opposto): Per comandare il motore, possiamo utilizzare la libreria Stepper, indicando il numero di steps (passi) necessari per un giro completo (per il nostro motore 2048) e i pin che abbiamo utilizzato: Esempio di semplice software
  25. 25. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 25 Esercitazione Arduino-Stepper Unipolare Sfida: modificare il software per realizzare un servocomando Joggle! A. Usare un potenziometro come dispositivo di input (joystick). B. Quando il pot è in posizione centrale il motore sta fermo. C. Quando il pot viene spostato in una direzione, il motore comincia a ruotare a velocità tanto maggiore quanto più grande è lo spostamento dalla posizione centrale. D. Quanto il pot viene spostato nella direzione opposta, il motore si comporta in modo analogo ma si inverte il senso di rotazione
  26. 26. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione e Manutenzione - Ing. Pasquale Alba Credits Riconoscimenti Si ringraziano per immagini e informazioni tecniche: • www.vincenzov.net • www.arduino.cc • www.lucadentella.it • 28BYJ-48 stepper motor datasheet • tutti coloro che hanno reso disponibili su Internet informazioni qui riportate 26 La presente dispensa a scopo didattico contiene sia contenuto originale dell’autore che contenuti reperiti su Internet. Tutti diritti sui contenuti reperiti, appartengono, ove coperti da copyright, ai rispettivi proprietari. Ove si ritenga esistano violazioni di copyright, imprecisioni o errori si prega di segnalarli a: ing.pasqualealba@gmail.com . Questo materiale può essere diffuso citando la fonte. In caso si voglia stampare si consiglia di usare un layout con 4 diapositive per ogni pagina. Le informazioni qui contenute sono ritenute accurate e hanno scopo di studio senza fini di lucro, tuttavia l’autore non esclude che siano presenti errori o imprecisioni e declina ogni responsabilità diretta o indiretta per danni a persone o cose derivanti da un eventuale loro uso a scopo professionale; chi ne fa uso se ne assume pienamente la responsabilità.

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