Il motore passo-passo, trasduttore elettromeccanico

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I MOTORI PASSO-PASSO
Introduzione
Il motore passo-passo è un trasduttore elettromeccanico che converte impulsi elettrici di comando in rotazioni angolari elementari programmabili: ad ogni impulso di comando l'albero ruota di un angolo la cui ampiezza dipende dalla struttura della macchina e dalla modalità d'alimentazione.
Affinché il motore passo-passo possa effettivamente funzionare, esso deve essere collegato ad un apposito circuito d'alimentazione, costituito da un amplificatore di potenza e da un sistema di controllo per il governo dell'amplificatore.
Il principale vantaggio di questo tipo di motore, è quello di poter funzionare ad anello aperto, con notevole semplificazione del sistema di controllo ed in assenza di trasduttori di posizione e di velocità.
Schema di principio di un motore passo-passo.
All'interno del motore vi sono due elettromagneti disposti in maniera ortogonale tra loro i quali rappresentano lo statore mentre il magnete permanente a due poli nel centro costituisce il rotore.
Imprimendo negli avvolgimenti statorici una corrente continua costante, all'interno della struttura si genera un campo magnetico che porta il rotore centrale a disporsi con il polo sud rivolto a 135 gradi; se si inverte il verso della corrente in un avvolgimento, il campo magnetico statorico risultante viene ruotato di 90 gradi e, per reazione il rotore compie la stessa rotazione orientandosi con il polo sud a 45 gradi.
È quindi facile intuire che invertendo il senso della corrente prima in uno statore poi nell'altro si ottiene uno spostamento angolare del rotore di 90 gradi ogni volta.
Ovviamente, per invertire il senso di rotazione del motore basta rovesciare la sequenza d'eccitazione degli elettromagneti.
Il funzionamento sopra descritto, che si ottiene alimentando due fasi alla volta, è del tipo a "passo intero" o "full step"; una sequenza completa d'alimentazione comprende quattro passi e l'ottenimento di una rotazione continua corrisponde alla seguente sequenza di alimentazione:
a+b+, a+b-, a-b-, a-b+, a+b+ ecc…
È possibile aumentare il numero di passi per giro con una diversa strategia di alimentazione. Si ottiene un funzionamento a "mezzo passo" (half step) con un raddoppio del numero di passi per giro con la seguente sequenza di alimentazione (che sfrutta l'eccitazione di un solo statore alla volta anziché di entrambi):
A+b+, a+, a+b-, b-, a-b-, a-, a-b+, b+, a+b+, ecc…
Il numero di posizioni può essere ulteriormente incrementato, in misura teoricamente illimitata, utilizzando la tecnica del "micropasso": tale tecnica consiste nell'alimentare due fasi con due diversi valori di corrente continua variando tali correnti con incrementi finiti. In tali condizioni si genera un flusso maggiore in una fase rispetto all'altra: il rotore assume perciò posizioni intermedie; in questo modo, con opportuna elettronica di comando, si può ottenere una rotazione praticamente continua.
Definizione di passo
Si definisce passo elementare la rotazione angolare corrispondente ad un impulso di comando; in particolare esso è uguale al passo intero in caso di alimentazione in full step; nella modalità half step il passo elementare corrisponde alla metà del passo intero, mentre, in generale, ad una alimentazione microstep corrispondono frazioni di passo (da 1/4 a 1/128 di passo intero).
Il passo intero fornisce una misura della risoluzione angolare ottenibile con un determinato motore; essa viene espressa in numero di passi interi per angolo giro oppure in gradi (ad esempio un motore con risoluzione angolare di 1,8 gradi compie 200 passi interi per giro); in generale quella dei motori industriali è compresa tra 0,9 gradi e 30 gradi.
La velocità di un motore passo-passo viene spesso espressa in numero di passi al secondo e corrisponde alla frequenza degli impulsi di comando; questo tipo di motore si può definire sincrono in quanto la massima velocità di esecuzione di un passo risulta costante in un ampio campo sia di carico meccanico che di alimentazione.
Parametri del motore passo-passo
• Angolo di passo: è questo l'angolo di cui si sposta il rotore quando, non soggetto ad alcun carico, viene eccitato con un impulso. E' possibile definirlo anche come numero passi per rotazione.
• Precisione del passo: è l'errore commesso nel posizionarsi rispetto al valore nominale, dovuto ad imperfezioni di costruzione: è dato in percentuale dell'angolo di passo. Non è un errore cumulativo ed è compreso fra il 5-30%.
• Coppia statica o di ritenuta: è la coppia che mantiene il rotore bloccato in una posizione quando il motore è eccitato con una tensione di frequenza zero.
Classificazione dei motori passo-passo
A seconda della struttura fisica interna con cui si realizzano rotore e statore potremo avere diversi tipi di motore passo-passo. In ogni caso, lo statore reca degli avvolgimenti mentre il rotore comprende soltanto una struttura magnetica. Gli avvolgimenti statorici sono realizzati con delle bobine di fili di rame, connessi in modo da formare un sistema polifase. I motori passo-passo di gran lunga più diffusi sono i motori bifase. In commercio sono facilmente reperibili motori anche trifase e pentafase.
Inoltre, i vari motori passo-passo sono ulteriormente classificabili in motori bipolari e motori unipolari a seconda che la corrente negli avvolgimenti statorici scorra nei due versi od in un verso soltanto.
I motori passo-passo polifase
I tipi attualmente impiegati sono i motori a magnete permanente, quelli a riluttanza variabile e quelli di tipo ibrido.
Motori passo-passo a magnete permanente (pm)
Questo è un motore nel quale la struttura rotorica, di tipo isotropo, è costituita da materiale del magnete permanente magnetizzato radialmente.
La struttura statorica è composta da un pacco di lamierini e presenta vari poli salienti; nei motori con molti poli magnetizzati sul rotore la struttura statorica viene semplificata per ridurre il costo e l'ingombro. Il numero di passi interi per giro realizzabile con questo tipo di motore è usualmente abbastanza basso: da 8 a 48.
Motori passo-passo a riluttanza variabile (vr)
Questo è un motore nel quale la struttura rotorica, di tipo anisotropo, è generalmente costituita da un cilindro di ferro scanalato; lo statore è invece costituito da un pacco di lamierini a poli dentati. Su di essi si possono distinguere Nr denti sul primo e Ns denti sul secondo fra i quali sono disposti gli avvolgimenti ( Nr deve essere diverso da Ns ).
Il principio di funzionamento di questo motore differisce da quello descritto in precedenza infatti, a seguito dell'alimentazione degli avvolgimenti delle fasi, la struttura rotorica si porta in una posizione a riluttanza minima.
E' importante osservare che per l'assenza di una magnetizzazione proprio della struttura rotorica, il motore a riluttanza variabile necessita di almeno 3 fasi per poter funzionare correttamente; il rotore può muoversi indifferentemente in senso orario, antiorario oppure non spostarsi affatto. Il comportamento di un tale motore risulta pertanto irregolare ed aleatorio.
Per questo tipo di motore il numero di passi interi per giro è compreso nel campo 12-72.
Motori passo-passo di tipo ibrido (hy)
Il motore ibrido unisce alcune caratteristiche del motore a riluttanza variabile e di quello a magnete permanente; sfruttando un rotore costituito da nuclei di ferro dentati circondato da un magnete permanente, e uno statore composto da lamierini a poli dentati riesce ad ottenere un elevato numero di passi per giro tipicamente da 100 a 400.
Motori passo-passo monofase
Questi tipi di motori sono utilizzati dove le esigenze di miniaturizzazione sono spinte e il posizionamento incrementale assume importanza preponderante rispetto alla coppia fornita. Un avvolgimento ed un'alimentazione non sono in grado di imporre al motore un senso di rotazione preferenziale ma solo una posizione di equilibrio; per realizzare un moto rotatorio è necessario introdurre una dissimetria di tipo statico o dinamico. Per fare ciò sono utilizzati:
• Poli o denti asimmetrici sullo statore: è una tecnica impiegata frequentemente per motori del tipo magnete permanente.
• Zone di circuito magnetico saturabile: metodo che prevede l'associazione di zone saturabili e di traferri asimmetrici per migliorare la regolarità della coppia motrice.
• Impiego di un magnete ausiliario: consente di ottenere uno sfasamento voluto fra le posizioni di equilibrio del motore.
• Impiego di una struttura dentata ausiliaria: altro modo di ottenere lo sfasamento tra le posizioni di equilibrio con una struttura statorica dotata di denti ausiliari posizionati in modo asimmetrico.
• Impiego di spire in corto circuito: impiego di fili in corto circuito avvolti intorno ai poli dello statore.

Motori unipolari e bipolari
L'orientamento del campo magnetico statorico all'interno del motore dipende dal verso delle correnti di fase che lo generano.
Pertanto, in un motore con una struttura rotorica magnetizzata, a seconda del verso della corrente negli avvolgimenti statorici, si configurano delle posizioni di equilibrio stabile distinte. Un'eccezione è rappresentata dal motore a riluttanza variabile dove l'inversione della corrente in una fase non produce nessun cambiamento sulle posizioni di equilibrio.
Per cambiare la polarità del campo magnetico possiamo agire in due modi:
- il primo per mezzo di due avvolgimenti e di un solo commutatore (motore unipolare)
- per mezzo di un unico avvolgimento e di due commutatori azionati in maniera opposta (motori bipolari)
I motori bipolari sono i più utilizzati perché più semplici dal punto di vista costruttivo e garantiscono, a parità di dimensioni e numero di fasi, prestazioni maggiori.
Parametri del motore passo-passo
- Angolo di passo: è questo l'angolo di cui si sposta il rotore quando, non soggetto ad alcun carico, viene eccitato con un impulso. E' possibile definirlo anche come numero di passi per rotazione. Il valore dell'angolo può essere compreso tra 0,72° e 90°.
- Precisione del passo: è l'errore commesso nel posizionarsi rispetto al valore nominale, dovuto ad imperfezioni di costruzione: è dato in percentuale dell'angolo di passo. Valori possibili sono compresi tra 5% e 30%. Non è un errore cumulativo.
- Coppia statica o di ritenuta: è la massima coppia all'albero di macchina quando lo statore è alimentato.
- Coppia residua: è la massima coppia presente all'albero quando nessuna fase di statore è alimentata (nel motore a riluttanza variabile la coppia residua è nulla.