I sistemi con motore passo-passo sono un pilastro del settore del controllo del movimento. Esamineremo le differenze tra sistemi a circuito aperto e sistemi a circuito chiuso e spiegheremo anche gli ultimi sviluppi che rendono i sistemi con motore passo-passo ancora più veloci, silenziosi ed efficienti dal punto di vista energetico.

I sistemi con motori passo-passo hanno fatto molta strada dai primi tempi degli azionamenti in tensione e del full stepping. Prima sono arrivati ​​gli azionamenti PWM e il microstepping, poi i processori di segnale digitale (DSP) e gli algoritmi anti-risonanza. Ora, la nuova tecnologia dei motori passo-passo a circuito chiuso garantisce che i motori passo-passo continuino a essere un pilastro del settore del controllo del movimento negli anni a venire.

Che il movimento sia lineare o rotatorio, due fattori chiave che determinano la scelta del motore e del sistema di azionamento più adatti sono la coppia e l'efficienza. Questo vale sia che l'applicazione finale sia un sistema di assemblaggio automatizzato, una macchina per la movimentazione dei materiali, una stampante 3D, un posizionatore cartesiano, una pompa peristaltica o una delle innumerevoli altre applicazioni in cui i motori passo-passo sono la tecnologia preferita.

L'ultimo sviluppo nei sistemi passo-passo è l'applicazione di dispositivi di feedback a basso costo e ad alta risoluzione e di DSP avanzati per chiudere il loop sul movimento del motore passo-passo. Questi controlli migliorano le prestazioni del motore passo-passo a loop chiuso, superando quelle dei sistemi a loop aperto. Come vedremo, uno di questi sistemi a loop chiuso è implementato in un progetto di motore integrato che include un dispositivo di feedback, schede driver e controller, elettronica di alimentazione, comunicazione e I/O, e connettori di sistema sul lato e sul retro del motore.

Sistemi passo-passo a circuito aperto vs. a circuito chiuso
Per prima cosa, analizziamo come i sistemi passo-passo ad alte prestazioni a circuito chiuso si confrontano con i tradizionali sistemi passo-passo a circuito aperto in termini di coppia ed efficienza.

I sistemi passo-passo a circuito chiuso offrono prestazioni superiori rispetto alle configurazioni a circuito aperto, come dimostrato dai risultati dei test di laboratorio che confrontano l'accelerazione (coppia), l'efficienza (consumo energetico), l'errore di posizione (precisione), la generazione di calore e i livelli di rumore dei due sistemi. Basta considerare la relazione tra coppia e accelerazione. Le curve coppia-velocità mostrano gli intervalli di coppia di picco e continua di un sistema passo-passo a circuito chiuso, insieme all'intervallo di coppia utilizzabile di un sistema passo-passo a circuito aperto. Molto spesso, la coppia nel mondo reale si traduce in accelerazione, quindi i motori con coppia maggiore possono accelerare un dato carico più velocemente.

Per testare questa differenza nelle prestazioni di coppia in laboratorio, sistemi di motori passo-passo ad anello aperto e ad anello chiuso di pari dimensioni sono sottoposti a carichi inerziali identici. La programmazione comanda ai due sistemi di eseguire profili di movimento identici, con la differenza che l'accelerazione e la velocità massima vengono gradualmente aumentate in ciascun sistema fino a quando non commettono errori di posizionamento.

Supponiamo che il sistema a circuito aperto ottenga una velocità di accelerazione massima di 1.000 giri/sec²e una velocità massima di 10 giri/sec (600 giri/min). Questa velocità massima di 10 giri/sec corrisponde al punto in cui termina la parte piatta della curva coppia-velocità. Il sistema a circuito chiuso (grazie alla sua maggiore capacità di produrre coppia) raggiunge un'accelerazione massima di 2.000 giri/sec.²e una velocità massima di 20 giri/sec (1.200 giri/min). Questo raddoppia le prestazioni del sistema a circuito aperto e riduce quasi della metà il tempo di movimento, da 110 msec a 60 msec.

Per le applicazioni che richiedono un'elevata produttività (ad esempio sistemi di indicizzazione, posizionamento delle guide laterali e pick-and-place), il sistema a circuito chiuso offre un chiaro vantaggio in termini di prestazioni.

Efficienza a circuito aperto vs. a circuito chiuso

Per misurare l'efficienza relativa di un sistema a circuito aperto rispetto a uno a circuito chiuso, ipotizziamo di ripetere lo stesso test con gli stessi due motori di pari dimensioni. Questa volta i motori a circuito chiuso e a circuito aperto funzionano fianco a fianco con gli stessi carichi inerziali, ma eseguono una programmazione che mantiene i profili di movimento costanti e uguali, in modo che entrambi i sistemi eseguano la stessa quantità di lavoro.

Mentre i due motori indicizzano ripetutamente lo stesso profilo di movimento, viene misurata la corrente assorbita dall'alimentatore CC che alimenta i due sistemi e viene calcolato il consumo energetico. Come si può osservare nei grafici dei valori, il consumo energetico medio del sistema passo-passo a circuito aperto è di 43,8 watt, mentre quello del sistema a circuito chiuso è solo un terzo, ovvero 14,2 watt in media. Questa notevole differenza nel consumo energetico mostra chiaramente la maggiore efficienza del sistema a circuito chiuso. Chiunque desideri aumentare l'efficienza del proprio sistema passo-passo a circuito aperto può ora prendere in considerazione un semplice aggiornamento a un sistema a circuito chiuso e aspettarsi consumi significativamente inferiori.

Come affrontare il surriscaldamento del motore

Un'estensione naturale dei test sul consumo energetico è l'indagine sul riscaldamento del motore. I sistemi passo-passo a circuito aperto sono macchine semplici. È sufficiente impostare l'azionamento sulla corrente nominale del motore e l'azionamento farà del suo meglio per fornire tale corrente al motore in ogni momento, indipendentemente dal fatto che la coppia risultante sia necessaria o meno. Questo spesso causa la generazione di calore anziché di energia per la funzione dell'applicazione, ed è il motivo per cui i sistemi passo-passo a circuito aperto in genere si surriscaldano rispetto ai sistemi a circuito chiuso. Ciò significa anche che i progettisti di macchine devono adottare misure aggiuntive per gestire questo calore, spesso includendo protezioni speciali attorno ai motori passo-passo che funzioneranno in prossimità di operatori umani o installando sistemi di raffreddamento aggiuntivi come ventole.

Si considerino i risultati di un test di riscaldamento del motore condotto in laboratorio utilizzando gli stessi sistemi a circuito aperto e a circuito chiuso di cui sopra. In questo test, i due sistemi producono nuovamente la stessa quantità di lavoro azionando gli stessi carichi inerziali e vengono lasciati funzionare fino al raggiungimento dell'equilibrio termico. Il sistema a circuito aperto raggiunge una temperatura dell'involucro di 76,0 °C, mentre il sistema a circuito chiuso raggiunge l'equilibrio termico a una temperatura dell'involucro di soli 36,9 °C, meno della metà di quella del sistema a circuito aperto. Questa significativa riduzione del riscaldamento del motore può comportare minori costi dei componenti per i costruttori di macchine, poiché possono eliminare sottosistemi di protezione e raffreddamento aggiuntivi.

Niente più motori rumorosi

Un'altra lamentela comune sui sistemi passo-passo a circuito aperto è che sono noti per produrre un rumore piuttosto elevato. In alcuni ambienti, come laboratori, ospedali e uffici, questo rumore può rappresentare un vero problema per i progettisti di macchine.

Il rumore emesso dai motori passo-passo deriva dall'elevata frequenza elettrica e dalle rapide variazioni di flusso nei denti dello statore, e dal fatto che i sistemi a circuito aperto funzionano alla massima corrente nominale indipendentemente dal carico. I sistemi passo-passo a circuito chiuso, invece, forniscono al motore solo la corrente sufficiente a controllare il carico, il che si traduce in un rumore udibile molto meno intenso.

Per produrre i risultati dei test mostrati nel grafico del rumore acustico allegato a questo articolo, il rumore acustico di ciascun sistema viene misurato in una camera insonorizzata. Il sistema a circuito chiuso è notevolmente più silenzioso dell'opzione a circuito aperto a velocità comprese tra 0 e 20 giri/sec. Questo intervallo di velocità coincide con l'intervallo di velocità reale delle applicazioni in cui i sistemi con motore passo-passo vengono più spesso utilizzati, il che significa che la stragrande maggioranza delle applicazioni con motori passo-passo potrebbe beneficiare di una riduzione del rumore del motore se si passasse a sistemi a circuito chiuso.

Maggiore precisione del motore per eliminare gli errori di posizione

I sistemi con motore passo-passo a circuito aperto sono apprezzati per la loro capacità di posizionare con precisione i carichi senza un meccanismo di feedback o un sistema di controllo a circuito chiuso, ma solo se il sistema a circuito aperto ha un margine di coppia sufficiente a impedire errori di posizione durante il normale funzionamento. Per una maggiore precisione e per una progettazione del sistema più robusta, la chiusura del loop di posizione del servo attorno al feedback dell'encoder ad alta risoluzione consente ai sistemi a circuito chiuso di compensare automaticamente gli aumenti della richiesta di coppia che altrimenti causerebbero errori di posizione nei sistemi a circuito aperto. Ciò migliora notevolmente la precisione complessiva del sistema, in particolare per applicazioni altamente dinamiche come i sistemi pick-and-place e le stampanti 3D, dove sono necessari movimenti brevi e rapidi e frequenti cambi di direzione.

Aggiornamento dei sistemi stepper esistenti

Tra i componenti di un sistema di motori passo-passo integrati, i costi di motore, amplificatore di potenza e comunicazione generalmente non aumentano passando da un sistema ad anello aperto a uno ad anello chiuso. L'elettronica di controllo potrebbe richiedere una maggiore potenza di elaborazione centrale o una maggiore memoria per il servocontrollo del motore, ma questi in genere non incidono sui prezzi di listino. Gran parte della differenza di costo tra sistemi passo-passo ad anello aperto e ad anello chiuso risiede nell'aggiunta di un dispositivo di retroazione ad alta risoluzione, ma i miglioramenti nella produzione hanno reso questi dispositivi sempre più accessibili. Pertanto, ora i sistemi passo-passo ad anello chiuso mantengono i vantaggi economici dei sistemi passo-passo ad anello aperto rispetto ad altri tipi di sistemi di posizionamento, come i servocomandi tradizionali, ma con prestazioni notevolmente superiori sotto quasi ogni aspetto. In genere, il risparmio energetico e la maggiore produttività di un sistema ad anello chiuso compensano rapidamente il leggero aumento del costo del dispositivo di retroazione.

Oltre a un aumento minimo dei costi, l'aggiornamento da un sistema passo-passo a circuito aperto a un sistema a circuito chiuso è semplificato grazie alle dimensioni del telaio NEMA. Un motore passo-passo NEMA 23 a circuito chiuso ha le stesse dimensioni del telaio, diametro del pilota, interasse dei fori di fissaggio e diametro del foro di fissaggio di un motore passo-passo NEMA 23 a circuito aperto, quindi le staffe di montaggio rimangono le stesse. La maggiore coppia disponibile dal sistema a circuito chiuso implica che il diametro dell'albero del motore passo-passo a circuito chiuso potrebbe essere maggiore, ma questo problema può essere risolto facilmente con una semplice sostituzione del giunto dell'albero.