I sistemi con motori 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 motori 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 per gli 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. Tali 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 su un 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 a circuito chiuso ad alte prestazioni 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, nel mondo reale, la coppia 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). Si tratta del doppio delle 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 (come l'indicizzazione, il posizionamento delle guide laterali e i sistemi 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 facciamo funzionare i motori a circuito chiuso e a circuito aperto fianco a fianco con gli stessi carichi inerziali, ma eseguiamo 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 vedere dai 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'analisi del riscaldamento del motore. I sistemi passo-passo ad anello 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 applicativa, ed è il motivo per cui i sistemi passo-passo ad anello aperto in genere si surriscaldano rispetto alle controparti ad anello 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 motori 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 ad anello aperto sono apprezzati per la loro capacità di posizionare con precisione i carichi senza un meccanismo di feedback o un sistema di controllo ad anello chiuso, ma solo se il sistema ad anello aperto ha un margine di coppia sufficiente a impedire errori di posizione durante il normale funzionamento. Per una maggiore precisione e una progettazione del sistema più robusta, la chiusura dell'anello di posizione del servo attorno al feedback dell'encoder ad alta risoluzione consente ai sistemi ad anello chiuso di compensare automaticamente gli aumenti della richiesta di coppia che altrimenti causerebbero errori di posizione nei sistemi ad anello aperto. Ciò migliora notevolmente la precisione complessiva del sistema, in particolare per applicazioni altamente dinamiche come sistemi pick-and-place e 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 integrato di motori passo-passo, i costi del motore, dell'amplificatore di potenza e della 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 hanno alcun impatto 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 feedback 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 migliorate sotto quasi tutti gli aspetti. In genere, il risparmio energetico e l'aumento della produttività di un sistema ad anello chiuso compensano rapidamente il leggero aumento del costo del dispositivo di feedback.

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 comporta che il diametro dell'albero del motore passo-passo a circuito chiuso possa essere maggiore, ma questo problema può essere risolto facilmente con una semplice sostituzione del giunto dell'albero.