I motori passo-passo sono la scelta ideale per molte applicazioni di controllo del movimento e della posizione. Sono disponibili in un'ampia gamma di dimensioni e valori di coppia e sono significativamente meno costosi dei servomotori di fascia alta. Vediamo quindi come elevare le prestazioni dei motori passo-passo a quelle dei servomotori aggiungendo dispositivi di retroazione. I motori passo-passo dotati di retroazione non sono un sostituto completo dei servomotori, ma possono rappresentare un'alternativa affidabile per molte applicazioni reali. Queste soluzioni di motion design migliorano le prestazioni delle macchine senza spendere una fortuna.

Vantaggi e svantaggi dei motori passo-passo da affrontare

I motori passo-passo sono motori elettrici a corrente continua senza spazzole che si muovono a passi discreti anziché con un movimento rotatorio continuo. Questi movimenti a passi sono azionati da spostamenti di campo magnetico generati da gruppi di bobine elettromagnetiche nello statore. Il funzionamento del motore passo-passo dipende da uncontrollore— un dispositivo elettronico che alimenta le bobine dello statore del motore in una sequenza che aziona i movimenti passo-passo. Le capacità del controller hanno un impatto significativo sulle prestazioni del motore.

Esistono diversi tipi di motori passo-passo disponibili, ma quelli più comuni offrono una buona risoluzione (200 passi per giro o superiore), nonché una coppia a bassa velocità di tutto rispetto, una struttura robusta, una lunga durata e un costo relativamente basso. Tuttavia, presentano dei limiti. La coppia in uscita diminuisce a velocità di rotazione più elevate e (con controller semplici) i motori passo-passo possono essere soggetti a oscillazioni ad alta frequenza. Il principale svantaggio è che, anche nelle applicazioni di posizionamento, i sistemi base con motori passo-passo operano con controllo ad anello aperto.

I motori passo-passo rispondono alle istruzioni del controller per eseguire un certo numero di passi, ma non forniscono alcun feedback al controller circa l'avvenuto completamento del movimento. Pertanto, se il motore non riesce a completare i movimenti richiesti, può sorgere una discrepanza crescente tra ciò che il controllerpresupponecome la posizione di rotazione dell'albero motore e laVEROposizione dell'albero (e di eventuali carichi o meccanismi azionati). Tali discrepanze si verificano quando la coppia del motore non è sufficiente a superare la resistenza meccanica... e, in effetti, queste discrepanze possono diventare un problema significativo ad alti regimi, perché è in quel momento che la capacità di coppia del motore è limitata. Ecco perché i progettisti spesso sovradimensionano i motori passo-passo, per evitare passi mancati, anche se ciò comporta la scelta di motori passo-passo eccessivamente grandi e pesanti per tutti i profili di movimento, tranne quelli più impegnativi.

Un altro svantaggio è che quando un motore passo-passo tradizionalmente utilizzato si ferma, la corrente deve fluire attraverso gli avvolgimenti del motore per mantenere l'albero in posizione. Questo consuma energia elettrica e surriscalda gli avvolgimenti del motore e i sottocomponenti circostanti.

Feedback sui sistemi a motore passo-passo per un posizionamento affidabile

L'aggiunta di encoder a un sistema con motore passo-passo per ottenere un feedback sulla posizione dell'albero chiude sostanzialmente il ciclo di controllo. L'aggiunta di questi dispositivi di feedback aumenta il costo complessivo del sistema, ma non tanto quanto il passaggio a un servomotore.

Un approccio per aggiungere il feedback dell'encoder è quello di operare inspostare e verificareModalità. In questo caso, un semplice encoder incrementale viene aggiunto all'albero di coda del motore passo-passo. Quindi, quando il controller invia comandi di passo al motore, l'encoder verifica costantemente che i movimenti comandati siano stati eseguiti. Se il motore non riesce a completare il numero di passi richiesto, il controller può richiedere ulteriori passi fino a raggiungere la posizione desiderata. I controller più sofisticati aumentano anche la corrente di fase nel motore per aumentare la coppia necessaria per eseguire questi passi aggiuntivi.

Gli encoder utilizzati in tali configurazioni di spostamento e verifica hanno in genere risoluzioni che sono multiple di 200 posizioni per rivoluzione.

Si noti che le configurazioni che utilizzano modalità di spostamento e verifica possono comunque trarre vantaggio dall'inclusione di motori sovradimensionati, ma non al punto da essere sovradimensionati quanto richiesto dai semplici sistemi a circuito aperto.

Si noti inoltre che questa modalità può aiutare i controllori intelligenti a regolare con precisione le correnti di mantenimento nel motore per lievi miglioramenti dell'efficienza durante l'arresto, sebbene il consumo energetico complessivo tenda ancora a essere elevato.

Controllo passo-passo ad anello chiuso con encoder assoluti

Un'altra opzione leggermente più sofisticata per applicazioni critiche di controllo della posizione è il controllo a circuito chiuso completo che utilizza encoder assoluti multigiro. Gli encoder utilizzati in questo caso si collegano all'albero di coda di un motore passo-passo per monitorare:

1. La posizione angolare del motore passo-passo e
2. Numero di giri completi del motore passo-passo.

In questa configurazione, il motore passo-passo è controllato come un motore brushless DC (BLDC) ad alto numero di poli... e l'encoder fornisce continuamente un feedback di posizione al controller. La corrente di mantenimento fornita al motore viene quindi regolata esattamente in base alla quantità necessaria per mantenere la posizione entro una determinata tolleranza. Un motore passo-passo controllato come un servomotore brushless è efficiente dal punto di vista energetico e meno costoso di un vero servomotore BLDC. Quindi, perché non utilizzare motori passo-passo a basso costo per tutte le applicazioni servo BLDC?

Ebbene, i motori passo-passo utilizzati nei servosistemi a circuito chiuso presentano una limitazione fisica non riscontrabile nei veri servomotori BLDC. Più specificamente, i motori passo-passo così azionati funzionano essenzialmente come motori brushless a 50 poli, quindi non possono raggiungere i giri/min possibili con i servomotori. Inoltre, i rotori dei motori passo-passo hanno un'inerzia maggiore rispetto a quelli dei veri servomotori BLDC di potenza equivalente... quindi non possono fornire le stesse accelerazioni.

Quando un motore passo-passo viene utilizzato in modalità BLDC, l'encoder esegue un'operazione fondamentalecommutazioneRuolo: segnalare l'esatta posizione di rotazione dell'albero motore... che a sua volta consente al controller di eccitare il set appropriato di elettromagneti dello statore per una rotazione continua secondo necessità. Inoltre, gli encoder assoluti di precisione possono anche aiutare i controller microstepping avanzati a regolare con precisione la corrente di fase per ridurre le vibrazioni che si verificano nei sistemi con motore passo-passo più basilari.