Come funzionano i motori passo-passo

I motori passo-passo rientrano nella categoria dei motori a commutazione elettronica e tuttavia differiscono in modo sostanziale dai motori brushless sia dal punto di vista dei principi di funzionamento sia dal punto di vista delle modalità operative.

Scopo di questi motori passo-passo, infatti, è quello di realizzare movimenti di tipo incrementale, cioè movimenti programmati per ottenere spostamenti del carico di modesta entità. Fino all’avvento dei componenti elettronici allo stato solido, questo tipo di movimenti veniva generalmente realizzato mediante azionamenti meccanici, idraulici o pneumatici con l’ausilio di relé ed elettrovalvole.

Origini dei motori passo-passo

I primi tentativi di realizzare un motore elettrico che permettesse movimenti di tipo incrementale con controllo in catena aperta risalgono ai primi anni del secolo, ma è solo nel 1935 che apparve la prima realizzazione industriale (prodotta dalla Generai Electric) di un motore di questo tipo.

Tuttavia, questi motori presero piede soltanto alla fine degli anni 50, in seguito alla comparsa sul mercato dei componenti elettronici allo stato solido che resero facile ed economicamente conveniente la realizzazione dei sistemi di controllo per questi motori.

Verso la metà degli anni 70, con l’ingresso sul mercato dei microprocessori, questi motori ebbero una ulteriore spinta alla loro adozione per la nuova possibilità di realizzare azionamenti a basso costo anche assai complessi per il controllo di più motori con movimenti coordinati tra loro.

La produzione globale dei motori passo-passo è utilizzata per il 60% nell’azionamento di periferiche per calcolatori (stampanti, plotter, ecc.) ed il rimanente 40% in dispositivi di controllo a bassa potenza per altre applicazioni quali la movimentazione dei bracci dei robot, il controllo di processi particolari come la miscelazione e la dosatura di liquidi, le macchine a controllo numerico (C.N.), alcuni tipi di macchine per la stampa, ecc ..

Le potenze interessate nei motori passo-passo raramente superano le centinaia di Watt, mentre la velocità massima ottenibile è di qualche migliaia di giri al minuto con coppia massima dell’ordine di 15-20 N m.

I motori passo-passo in estrema sintesi sono dispositivi in grado di convertire impulsi di comando di tipo elettronico (e quindi di natura digitale) in spostamenti meccanici di elevata precisione, senza
l’utilizzo di alcuna forma di retroazione. Ulteriore differenza dagli altri motori elettrici è data dalla capacità che essi hanno di tenere posizionato il carico sviluppando una coppia di tenuta anche in assenza di alimentazione.

Le tipiche applicazioni dei motori passo-passo sono quelle che richiedono:

• controlli di posizione di basso costo nei quali siano richieste piccole potenze;
• moti incrementali;
• applicazioni che richiedano rotazioni di valore angolare prestabilito con alta velocità
  di esecuzione, arresti bruschi con posizionamenti precisi e coppie di mantenimento della posizione di arresto relattvamente alte.

Questo tipo di esigenze, in realtà, potrebbero essere ottenute anche utilizzando altri tipi di motori elettrici in c.c. (a collettore, brushless e altri); questi ultimi tuttavia richiedono un controllo a retroazione e quindi rappresentano una soluzione, a parità di precisione, più complessa e costosa.

Inoltre, particolare non secondario, il motore passo-passo è l’unico attuatore a ingresso numerico e quindi utilizzabile senza conversioni nei sistemi di controllo digitali.

Funzionamento

I motori passo-passo presentano molteplici modalità costruttive e principi di funzionamento non del tutto uguali. Facendo quindi riferimento a un particolare motore passo-passo, quello a magneti permanenti, possiamo dire (v. fig. 1) che esso è composto dalle seguenti parti:

• uno statore, posto nella parte esterna del motore, che presenta più coppie di espansioni polari attorno alle quali sono disposti gli avvogimenti del circuito di armatura (indotto);
• un rotore, posto internamente allo statore e a esso coassiale, che fornisce il flusso di eccitazione (induttore);
• un sistema dì alimentazione che provvede ad alimentare, in opportuna successione, gli avvolgimenti relativi alle diverse espansioni polari di statore; nella figura questo sistema di alimentazione è schematizzato con interruttori meccanici, ma, in realtà, esso è realizzato con transistor comandati da impulsi di tensione di durata e frequenza opportune.

Il funzionamento del motore passo-passo del tipo ora visto è analogo a quello del motore brushless; unica importante differenza è che non vi è alcun sensore atto a segnalare al dispositivo di generazione degli impulsi che fa commutare l’alimentazione sulle diverse fasi che il rotore ha raggiunto la posizione cui il campo magnetico di eccitazione, interagendo con il campo magnetico di statore, fornisce coppia nulla.

In questo tipo di motori, infatti, l’attrito sui cuscinetti e l’inerzia applicata all’albero
motore sono modesti (in relazione alla coppia motrice sviluppata) per cui il tempo che il rotore impiega a passare da una posizione di coppia nulla all’altra è sempre inferiore all’intervallo di tempo tra gli impulsi forniti per ottenere l’alimentazione successiva di due fasi (almeno fin quando la velocità richiesta rimane entro certi limiti).

Per quanto detto, e questo vale per tutti i tipi di motore passo-passo, le modalità di funzionamento sono le seguenti: inviando un impulso al sistema di alimentazione si ottiene la presenza o assenza e/o l’inversione di corrente su uno o più avvolgimenti (opportunamente collegati con la tensione continua di alimentazione). Ad ogni impulso si ottiene uno spostamento angolare del rotore; l’entità di tali spostamenti costituisce il passo angolare, uno dei parametri caratteristici del motore.

A ogni assegnata sequenza di imgulsi in ingresso al circuito elettronico, corrisponde un dato numero di passi compiuti dal rotore; il tempo impiegato per effettuare ungiro completo dell’albero dipende soltanto dalla velocità della sequenza di impulsi di ingresso.

I sistemi di alimentazione si possono raggruppare, fondamentalmente, in due categone:

• alimentatori unipolari;
• alimentatori bipolari.

Negli alimentatori unipolari ogni avvolgimento è munito di una presa centrale che viene collegata a un polo della sorgente di alimentazione. La direzione della corrente nell’avvolgimento dipende quindi da quale dei due terminali dell’avvolgimento stesso è collegato all’altro polo della sorgente di alimentazione. Di fatto, le due parti degli avvolgimenti unipolari sono quasi sempre avvolte in parallelo.

In un sistema di alimentazione bipolare, invece, gli avvolgimenti di statore non possiedono la presa centrale: in questo çaso l’inversione della direzione-della corrente negli avvolgimenti si ottiene scambiando entrambe le polarità della tensione di alimentazione applicate ai terminali degli avvolgimenti stessi.

Parametri caratteristici

Come per tutti i motori, anche per i motori passo-passo è importante conoscere la caratteristica meccanica che, in questo caso, viene data in funzione del numero di passi al secondo; per la verità, per i motori passo-passo si usa fornire due caratteristiche distinte, come mostrato in figura 2.

La caratteristica più interna (IN in figura) è relativa alla cosiddetta coppia sincronizzante (pull-in torque), grandezza che rappresenta la massima coppia di carico in presenza della quale il motore, alimentato a frequenza fissata, può partire, mantenersi in movimento e fermarsi senza perdere passi.

L’altra caratteristica, più esterna (OUT in figura), è relativa alla cosiddetta coppia sincrona (pull-out torque), grandezza che rappresenta la massima coppia che può essere applicata a un motore che già ruota a una data velocità senza fargli perdere il passo. Lo spazio compreso tra le due caratteristiche (slew-range) è il campo di funzionamento del motore già avviato.

In pratica, ciò significa che, in generale, occorre utilizzare il motore mantenendosi all’interno della caratteristica più interna (zona di start-range). Per poter utilizzare il campo di funzionamento tra le due caratteristiche occorre un alimentatore in grado di produrre un ciclo di impulsi di avviamento a frequenza progressivamente crescente (o, come si dice anche, a frequenze progressive): questi alimentatori si chiamano a rampa.

Altri parametri significativi sono:

• massima velocità sincronizzante vin (maximum pull-in rate): rappresenta la massima velocità relativamente alla caratteristica più interna (per motori con passo non superiore a 15° essa varia mediamente fra 140 e 1200 passi/s)
• massima velocità sincrona vout (maximum pull-out rate): rappresenta la massima velocità in relazione alla caratteristica più esterna (essa varia mediamente tra 320 e 20.000 passi/s)
• coppia residua (detent torque): è la massima coppia che si può applicare al motore non alimentato senza che questo si ponga in rotazione
• coppia statica o di mantenimento o di tenuta (holding torque): è la massima coppia che si può applicare al motore, alimentato, ma fermo, senza che questo si ponga in rotazione nel senso della coppia applicata
• massima elongazione attorno alla posizione di arresto (al cessare degli impulsi di alimentazione)
• numero di passi per giro (nella maggior parte dei casi si arriva a un massimo di 200 passi/giro)
• momento di inerzia del rotore
• tolleranza nella definizione del passo
• errore angolare: è il massimo scostamento (in percentuale del passo) rispetto al posizionamento teorico relativo a un qualunque passo.