I motori passo-passo rappresentano una scelta eccellente per numerose 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 migliorare le prestazioni dei motori passo-passo, portandole al livello dei servomotori, mediante l'aggiunta di dispositivi di feedback. I motori passo-passo dotati di feedback non sostituiscono completamente i servomotori, ma possono rappresentare un'alternativa affidabile per molte applicazioni pratiche. Queste soluzioni di progettazione del movimento migliorano le prestazioni delle macchine senza costi eccessivi.

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 guidati da spostamenti del campo magnetico da parte di insiemi di bobine elettromagnetiche nello statore. Il funzionamento del motore passo-passo dipende da uncontroller— un dispositivo elettronico che alimenta le bobine dello statore del motore con corrente secondo una sequenza che genera movimenti a passi. Le funzionalità del controller hanno un impatto significativo sulle prestazioni del motore.

Esistono diversi tipi di motori passo-passo, ma le varietà più comuni offrono una buona risoluzione (200 passi per giro o superiore), una coppia a bassa velocità rispettabile, una costruzione robusta, una lunga durata e un costo relativamente basso. Tuttavia, presentano delle limitazioni. La coppia erogata diminuisce alle velocità di rotazione più elevate e (con i 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 di base con motori passo-passo operano in anello aperto.

I motori passo-passo rispondono alle istruzioni del controller per compiere un certo numero di passi, ma non restituiscono alcun feedback al controller sull'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 ilVEROposizione dell'albero (e di eventuali carichi o meccanismi azionati collegati). Tali disallineamenti si verificano quando la coppia del motore è insufficiente a vincere la resistenza meccanica... e in effetti, questi disallineamenti possono diventare un problema significativo ad alti regimi, perché è in quel momento che le capacità di coppia del motore sono limitate. Ecco perché i progettisti spesso sovradimensionano i motori passo-passo, per evitare passi persi, anche se ciò comporta la scelta di motori passo-passo eccessivamente grandi e pesanti per tutti tranne che per i profili di movimento più impegnativi.

Un altro svantaggio è che, quando un motore passo-passo di tipo tradizionale si arresta, la corrente deve fluire attraverso gli avvolgimenti del motore per mantenere l'albero del motore passo-passo in posizione. Ciò consuma energia elettrica e riscalda gli avvolgimenti del motore e i componenti 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 essenzialmente l'anello 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 continuamente al controller che i movimenti comandati siano stati eseguiti. Se il motore non riesce a completare il numero di passi richiesto, il controller può richiederne altri finché il motore non raggiunge la posizione desiderata. I controller più sofisticati aumentano anche la corrente di fase nel motore per incrementare la coppia necessaria a eseguire questi passi aggiuntivi.

Gli encoder utilizzati in tali configurazioni di movimento e verifica hanno in genere una risoluzione che è un multiplo di 200 posizioni per giro.

Si noti che le configurazioni che utilizzano modalità di movimento e verifica possono comunque trarre vantaggio dall'inclusione di motori sovradimensionati, ma non al livello richiesto dai semplici sistemi ad anello aperto.

Si noti inoltre che questa modalità può aiutare i controller intelligenti a ottimizzare le correnti di mantenimento del motore per ottenere lievi miglioramenti dell'efficienza durante l'arresto... sebbene il consumo energetico complessivo tenda comunque a rimanere elevato.

Controllo a circuito chiuso del motore passo-passo con encoder assoluti

Un'altra opzione, leggermente più sofisticata, per applicazioni di controllo di posizione critiche è il controllo a circuito chiuso completo che impiega 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, nonché
2. Il numero di giri completi del motore passo-passo.

In questa configurazione, il motore passo-passo viene controllato come un motore brushless a corrente continua (BLDC) ad alto numero di poli... e l'encoder fornisce continuamente un feedback di posizione al controllore. La corrente di mantenimento fornita al motore viene quindi regolata con precisione in base alla quantità necessaria per mantenere la posizione entro una data 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 sistemi servo a circuito chiuso presentano una limitazione fisica assente nei veri servomotori BLDC. Più precisamente, i motori passo-passo utilizzati in questo modo funzionano essenzialmente come motori brushless a 50 poli, quindi non possono raggiungere gli stessi giri al minuto dei servomotori. Inoltre, i rotori dei motori passo-passo hanno un'inerzia maggiore rispetto a quelli dei veri servomotori BLDC di potenza equivalente, pertanto non possono erogare le stesse accelerazioni.

Quando un motore passo-passo viene utilizzato in modalità BLDC, l'encoder esegue un'operazione vitalecommutazioneruolo — segnalare l'esatta posizione di rotazione dell'albero motore... che a sua volta consente al controller di alimentare 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 oscillazioni (vibrazioni) che si verificano nei sistemi con motori passo-passo più semplici.