Motore passo-passo: passo intero, mezzo passo e micropasso, angolo di passo, coppia e passi persi

Angolo di passo e passi per giro

Un motore passo-passo è costruito in modo che il suo rotore abbia un certo numero di posizioni preferite, definite dai denti del rotore e dello statore. Alimentando gli avvolgimenti in sequenza il rotore passa da una posizione alla successiva. L'angolo di passo è il movimento per passo intero.

passi per giro = 360° / angolo di passo

• 1,8°: 200 passi per giro (il passo-passo ibrido più comune)
• 0,9°: 400 passi per giro
• 7,5°: 48 passi per giro (piccoli motori a magnete permanente con statore a lamierini impilati)

La velocità segue direttamente dalla frequenza degli impulsi. Con un pilotaggio a passo intero, la velocità in giri/min è frequenza di passo × angolo di passo / 6, con la frequenza di passo in impulsi al secondo. Un motore da 1,8° pilotato a 1000 impulsi al secondo gira a 1000 × 1,8 / 6 = 300 giri/min.

Passo intero, mezzo passo e micropasso

Un passo-passo ibrido comune ha due avvolgimenti, A e B. L'azionamento controlla la corrente in ciascuno e il rotore si allinea con il campo magnetico risultante.

Passo intero. Ogni passo sposta il campo di 90 gradi elettrici. Nella modalità a due fasi alimentate, entrambi gli avvolgimenti sono eccitati a ogni passo, il che dà la coppia massima. Il pilotaggio a una fase alla volta (wave) alimenta un solo avvolgimento per volta e dà circa il 30 % di coppia in meno.

Mezzo passo. La sequenza alterna una fase alimentata e due fasi alimentate. Raddoppia la risoluzione e dà un moto più fluido a bassa velocità, ma la coppia alterna leggermente tra i passi perché due fasi producono più coppia di una.

Micropasso. L'azionamento imposta le correnti nei due avvolgimenti per approssimare onde seno e coseno, per esempio IA = I × cos θ e IB = I × sin θ. Il rotore si allinea con un campo che punta in qualsiasi direzione tra le posizioni di passo intero. Con micropasso 1/16, un passo intero è diviso in 16 posizioni, quindi un motore da 1,8° ha 3200 posizioni per giro.

Il micropasso riduce molto vibrazioni e rumore, ma non dà un aumento proporzionale di precisione. La coppia di mantenimento cala circa come il seno dello spostamento rispetto al bersaglio, quindi vicino a una posizione di micropasso la coppia di richiamo è piccola, e attrito e carico possono lasciare il rotore un po' prima di essa. I motori tipici hanno una precisione di posizione di circa il 5 % di un passo intero, quindi usa il micropasso prima per la fluidità e poi per la risoluzione.

Coppia di mantenimento e coppia di strappo

La coppia di mantenimento è la coppia a cui un motore può resistere da fermo quando gli avvolgimenti sono percorsi dalla corrente nominale, il dato della scheda tecnica. Un passo-passo ha questa coppia anche da fermo, ed è per questo che mantiene la posizione senza alcuna retroazione, e per questo assorbe tutta la corrente e si scalda anche a riposo.

Quando il motore gira, la coppia disponibile cala con la velocità. Ogni avvolgimento è un induttore e la tensione dell'azionamento impiega tempo a far entrare e uscire la corrente. A frequenze di passo più alte, la corrente non raggiunge il valore obiettivo prima del passo successivo, quindi la coppia scende. La curva della coppia massima in funzione della frequenza di passo è la curva della coppia di strappo (pull-out). La curva di aggancio (pull-in), più bassa, è la frequenza massima a cui il motore può partire da fermo senza rampa.

Una tensione di alimentazione più alta, rispetto alla tensione nominale dell'avvolgimento (corrente nominale × resistenza), consente alla corrente di salire più in fretta e sposta la curva verso velocità più alte. Per questo gli azionamenti per passo-passo usano il controllo di corrente a chopper con un'alimentazione di diverse volte la tensione nominale dell'avvolgimento.

Passi persi e risonanza

Un passo-passo ad anello aperto non ha modo di sapere di aver perso un passo. Ci sono tre cause:

• Sovraccarico: la coppia di carico è maggiore della coppia disponibile a quella frequenza di passo, quindi il rotore non riesce a seguire il campo e slitta di un numero intero di passi. Un motore bloccato produce un rumore sordo.
• Accelerazione troppo rapida: la frequenza di passo cresce più in fretta di quanto il rotore possa accelerare. Il rimedio è una rampa, che aumenta gradualmente la frequenza degli impulsi.
• Risonanza: rotore e carico formano un sistema massa-molla con una frequenza propria, spesso nell'ordine di poche centinaia di passi interi al secondo o meno. Se la frequenza di passo coincide con essa, il rotore oscilla sempre di più e può perdere passi. Micropasso, smorzamento e attraversamento rapido della velocità di risonanza sono i rimedi usuali.

Poiché la posizione è la somma di tutti i passi contati, un singolo passo perso resta come errore finché l'asse non viene riportato a zero. Le macchine che usano passo-passo hanno quindi finecorsa e una procedura di azzeramento (homing), e aggiungono un encoder quando perdere passi sarebbe costoso.

Posizionamento ad anello aperto e un esempio svolto

Poiché il numero di passi corrisponde direttamente all'angolo, un passo-passo può posizionare un carico con precisione senza sensore, purché si mantenga un margine di coppia. Per un asse a vite senza fine:

passi per mm = (passi interi per giro × micropassi) / passo della vite

Si prenda un motore da 1,8° (200 passi per giro) che aziona una vite con passo di 8 mm per giro, con il driver impostato a micropasso 1/16.

1. Passi per giro al driver: 200 × 16 = 3200. 2. Passi per millimetro: 3200 / 8 = 400. 3. Risoluzione teorica: 1 / 400 = 0,0025 mm, cioè 2,5 µm per micropasso. 4. Un movimento di 120 mm richiede 120 × 400 = 48 000 impulsi. 5. A una velocità di avanzamento di 50 mm/s, la vite gira a 50 / 8 = 6,25 giri al secondo, cioè 375 giri/min, e la frequenza degli impulsi è 50 × 400 = 20 000 impulsi al secondo.

L'ultimo numero spiega perché micropasso spinto e alta velocità non vanno insieme: il controllore deve generare 20 kHz, e a quella velocità un motore reale ha poca coppia residua. In pratica si sceglie l'impostazione del micropasso per la fluidità e la frequenza di impulsi che ne deriva per la velocità richiesta.

Come il simulatore modella un motore passo-passo

Il simulatore del motore passo-passo di Curvo Studio è un modello didattico compatto di un motore con azionamento a chopper. Non ha un'impostazione di micropasso: si inserisce l'angolo di passo in targa e il modello lo usa come passo del motore, con i passi per giro mostrati come suggerimento sotto i campi della targa. La velocità del rotore è esattamente frequenza di passo × angolo di passo / 6, perché un passo-passo segue il suo treno di impulsi.

La coppia è modellata così. L'azionamento regola l'avvolgimento alla corrente nominale ogni volta che la tensione di alimentazione può raggiungerla, dando un tetto di coppia pari alla coppia di mantenimento. La coppia disponibile cala poi all'aumentare della frequenza di passo, attorno a una frequenza di spigolo che dipende dalla tensione di alimentazione rispetto alla tensione nominale dell'avvolgimento (corrente nominale × resistenza dell'avvolgimento, mostrata come suggerimento). Se la coppia di carico supera quella disponibile, il motore è segnalato come con passi persi. A frequenza di passo zero con l'alimentazione inserita, il motore mantiene la posizione con corrente piena. Il modello non include la risonanza né una curva di aggancio esplicita.

Provalo nel simulatore del motore passo-passo

Apri il simulatore del motore passo-passo e prova questi esperimenti.

• Imposta la Frequenza di passo a 0 con la Tensione di alimentazione inserita. Il motore resta fermo ma assorbe comunque corrente di fase.
• Aumenta la Frequenza di passo e leggi la Velocità del rotore. Verificala con frequenza di passo × angolo di passo / 6.
• Osserva la lettura Coppia disponibile calare al crescere della frequenza di passo, e confrontala con la lettura Coppia, che è la coppia di carico.
• Aumenta il cursore Carico meccanico, che è una percentuale della coppia di mantenimento, finché lo stato passa a Passi persi.
• Aumenta la Tensione di alimentazione e vedi la coppia disponibile alle alte frequenze di passo recuperare.
• Cambia l'Angolo di passo nella targa, per esempio da 1,8° a 0,9°, e nota come cambiano il suggerimento dei passi per giro e la velocità del rotore a una data frequenza di passo.
• Passa la Direzione tra In senso orario e Antiorario.

Provalo nel simulatore