Motore passo-passo

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1leftarrow.pngVoce principale: Motore in corrente continua.

Motori passo-passo

Il motore passo-passo spesso chiamato anche step o stepper è un motore elettrico sincrono in corrente continua[senza fonte] senza spazzole che può suddividere la propria rotazione in un grande numero di passi (step). La posizione del motore può essere controllata accuratamente senza dover ricorrere al controllo ad anello chiuso (feedback) se la taglia ed il tipo di motore sono scelti in modo adeguato all'applicazione.

È considerato la scelta ideale per tutte quelle applicazioni che richiedono precisione nello spostamento angolare e nella velocità di rotazione, quali la robotica, le montature dei telescopi ed i servomeccanismi in generale. Tuttavia ultimamente vengono spesso sostituiti da motori brushless o da attuatori voice-coil per le applicazioni di fascia alta.

Vantaggi dei motori passo passo[modifica | modifica wikitesto]

  • Se costruiti con tecnologia comune hanno un costo non elevato, relativamente ad altri tipi di motore con analoghe prestazioni.
  • È possibile realizzare azionamenti di precisione controllati da computer in catena aperta, cioè 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 e, se necessario, possono essere realizzati anche in ambiente completamente stagno.
  • 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.
  • Hanno molto spesso momento d'inerzia piuttosto basso
  • Sono molto stabili nella posizione a rotore bloccato e non presentano pendolamenti come nei sistemi brushless
  • Se dimensionati bene non necessitano di alcuna taratura.

Difetti dei motori passo passo[modifica | modifica wikitesto]

  • 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.
  • Permettono una velocità di rotazione massima intorno a 1000-1500 rpm. Esistono tuttavia motori che raggiungono i 4000-5000 rpm tramite sistemi di retroazione ad anello chiuso. La loro caratteristica di coppia tuttavia scende quasi esponenzialmente al crescere della velocità.
  • Producono molto calore anche dopo pochi minuti.

Il principio di funzionamento[modifica | modifica wikitesto]

I motori passo-passo sono motori che, a differenza di tutti gli altri, 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: occorre inviare al motore una serie di impulsi di corrente, secondo un'opportuna sequenza, in modo tale da far spostare, per scatti successivi, la posizione di equilibrio.

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

Esempio grafico con un motore a 100 passi
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.
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.

La costruzione elettromeccanica[modifica | modifica wikitesto]

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 i migliori. In realtà la quasi totalità di quelli oggi reperibili sono proprio del terzo tipo.

Struttura di un motore passo-passo

Un motore ibrido è costituito da un rotore e da uno statore; nella fotografia a lato è riportato un esemplare non particolarmente recente ma in cui si vede chiaramente la struttura.

Il rotore appare come una coppia di ruote dentate affiancate e solidali all'albero (i "denti" sono chiamati coppette) costituite da un nucleo magnetico (le due ruote sono permanentemente magnetizzate, una come NORD, l'altra come SUD) e le coppette in materiale ferromagnetico. Il numero di denti è variabile ma 50 è in assoluto il più frequente. I denti delle due ruote non sono allineati. Fra essi vi è uno sfasamento esattamente pari ad 1/2 del passo dei denti: il dente di una delle due sezioni corrisponde quindi alla valle dell'altra. Nel rotore non sono presenti fili elettrici e quindi manca completamente ogni connessione elettrica tra la parte in movimento e quella fissa. In genere il rotore è montato su cuscinetti a sfera, anche nei modelli economici.

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 nella 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.

All'esterno sono evidentemente presenti le alimentazioni dei vari avvolgimenti; in pratica le fasi possono essere avvolte secondo due schemi:

  • Sono presenti due soli avvolgimenti (avvolti su più espansioni polari) e quindi all'esterno arrivano due sole coppie di fili: in questo caso si parla di motori bipolari in quanto la corrente dovrà percorrere le fasi nei due versi al fine di creare gli opportuni campi magnetici.
  • Sono presenti quattro avvolgimenti avvolti a coppie, in antiparallelo, sulle espansioni polari; all'esterno arrivano almeno cinque fili (spesso sono infatti presenti delle connessioni interne al motore tra le varie fasi). Si parla in questo caso di motori unipolari in quanto la corrente nella singola fase ha sempre lo stesso verso. È possibile creare due campi magnetici opposti semplicemente scegliendo in quale dei fili debba passare la corrente.

Una tipologia particolare di motore passo-passo è utilizzabile sia in configurazione unipolare che bipolare: si tratta di quelli a 6 o 8 fili.

Il numero di differenti posizioni di equilibrio presenti in una rotazione completa dell'albero è in genere indicato come passi per giro e dipende del numero dei denti del rotore e dai poli dello statore, non dal numero di fili uscenti o dal numero delle fasi, questo numero è spesso stampato sul contenitore ed espresso in gradi.

L'azionamento dei motori passo passo[modifica | modifica wikitesto]

Da realizzare con un computer, un plc, un microcontrollore o un circuito elettronico. Sostanzialmente si collegano le bobine a dei transistor di potenza e i transistor a ciò che li comanda. Per i motori unipolari, che hanno quattro bobine A-An-B e Bn, la sequenza è: A-An-B-Bn (per un senso di rotazione) Bn-B-An-A (per l'altro), bisogna anche fare in modo che la corrente circoli sempre con lo stesso verso nelle bobine. Per i motori bipolari, che hanno due bobine A e B, la sequenza è A-B-A*-B* (o B*-A*-B-A per il verso contrario di rotazione), con * si indica che la corrente deve circolare in senso opposto. Questo metodo scalda molto perché la corrente continua a circolare anche dopo aver fatto il passo ma permette di bloccare il motore nella posizione voluta.

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Il contributo iniziale di questo articolo proviene dal sito http://www.vincenzov.net/tutorial/passopasso/stepper.htm, testo rilasciato con licenza GFDL