I motori passo-passo sono caratterizzati dal funzionamento a bassa velocità e coppia elevata; sono comunemente utilizzati in varie applicazioni industriali e civili, come ad esempio la robotica, la stampa 3D e l’elettromedicale
I molteplici vantaggi dei motori passo-passo
Con il continuo sviluppo della tecnologia, anche i motori svolgono un ruolo fondamentale come attuatori e come elementi di automazione. In particolate i motori passo-passo sono un tipo di motore che converte i segnali di impulsi elettrici in movimento rotatorio, il loro principio di funzionamento si basa sull’induzione elettromagnetica. Sono strutturalmente semplici, precisi e facilmente controllabili, quindi sono ampiamente utilizzati in molteplici applicazioni di posizionamento e/o mantenimento. Ad esempio, in settori come laser e ottica, sono utilizzati nelle apparecchiature come attuatori lineari per un posizionamento di precisione.
In campo automotive i motori passo-passo svolgono un ruolo chiave nelle nuove funzionalità di sicurezza dei veicoli, come i sistemi di fari adattivi. La funzione di base di questo sistema è di apportare piccole modifiche, sia in verticale che in orizzontale, alla posizione dei fari per illuminare con precisione la carreggiata. Ad esempio, ruotando i fari in una curva, un conducente è in grado di vedere più oggetti lungo il percorso del veicolo, aumentando così la sua consapevolezza e migliorando i tempi di risposta.
Come attuatori i motori passo-passo svolgono un ruolo fondamentale anche nel settore degli elettrodomestici, fornendo un controllo del movimento preciso e affidabile. Questo tipo di motore può azionare con precisione e ripetibilità componenti quali la serranda e la ventola del condizionatore d’aria, controllandone il flusso con la conseguente regolazione della temperatura ambientale attraverso un movimento graduale.
Microstepping per movimenti fluidi e precisi
I motori passo-passo utilizzano un rotore permanentemente magnetizzato e delle bobine come statore. Inviando una corrente elettrica attraverso le bobine del motore si crea un campo elettromagnetico che forza il rotore magnetico nella posizione desiderata. Un tipico stepper motor ha 50 coppie di poli magnetici, che consentono al motore di avvicinarsi ai 200 passi, ovvero alle 200 posizioni per un giro completo di 360°. Tuttavia, è possibile generare passi più piccoli, come “mezzi passi” o micropassi, utilizzando statori aggiuntivi. Ciò aumenta la precisione, la coppia e l’efficienza del motore riducendo al contempo la perdita di passi, le vibrazioni e il rumore.
Infatti, gli azionamenti dei motori passo-passo possono essere controllati con una forma d’onda di corrente sinusoidale, dividendo di fatto i passi completi in micropassi più piccoli per ottenere la massima precisione e un movimento fluido.
Con un massimo di 256 micropassi per passo completo, la tecnologia Trinamic di Analog Devices trasforma le informazioni digitali in un perfetto movimento fisico. La tecnologia di controllo della corrente di pilotaggio non solo riduce il rumore e le vibrazioni, ma aumenta al tempo stesso la coppia e la precisione ottenibili.
I motori passo-passo sono motori durevoli, ad anello aperto, che offrono numerosi vantaggi rispetto ad altri motori elettrici: hanno una coppia elevata sia a basse velocità che in stato di arresto. Il loro errore di posizionamento marginale non è cumulativo; hanno un’ottima risposta alle condizioni di start/stop e sono anche convenienti e facili da utilizzare. Tutto questo rende i motori passo-passo una scelta vantaggiosa quando è necessario un posizionamento ad anello aperto, preciso e affidabile. Come anticipato i motori passo-passo funzionano inviando una corrente elettrica alle bobine del motore per creare un campo elettromagnetico che forza il rotore magnetico nella posizione desiderata: questo può essere fatto in passi completi, o con i più piccoli micropassi utilizzando statori aggiuntivi e la tecnologia Trinamic.
La differenza tra passi, mezzi passi e micropassi
Meccanicamente, un motore passo-passo è simile a un sistema massa-molla. Passando da una posizione all’altra, il rotore non trova immediatamente la posizione giusta, ma oscillerà attorno alla posizione target finché non la raggiunge. E proprio come con un sistema massa-molla, maggiore è la differenza tra la posizione di partenza e quella desiderata, maggiore è l’oscillazione attorno al punto target.
Il microstepping mira a pilotare i motori con una forma d’onda di corrente che si approssima alla sinusoide (figura 1). Ciò significa che le bobine dello statore non sono alimentate con una corrente che è al valore massimo o a zero, ma con livelli di corrente intermedi che nel complesso si approssimano a una forma d’onda sinusoidale che copre quattro passi completi. Ciò posiziona il rotore a magnete permanente in posizioni intermedie tra due fasi successive complete. Il microstepping consente inoltre forme d’onda di corrente personalizzate, adattate alla fisica o alla particolare applicazione dello stepper motor. La risoluzione massima dei microstep è definita dalle capacità analog-to digital (A/D) e digital-to-analog (D/A) dell’elettronica del driver.
Il controller di movimento integrato nei prodotti Trinamic cDriver di Analog Devices sfrutta la tecnologia microstepping, e i circuiti integrati driver offrono la risoluzione di 256 microstep.
Se adattata a un motore passo-passo ibrido, la tecnologia Microstep Trinamic 256× fornisce 51.200 micropassi per rotazioni complete di 360°; questo comporta di poter disporre di una precisione che arriva a 0,00703125° per una rotazione completa.
L’interpolatore Trinamic MicroPlyer aggiunge passi di corrente tra gli impulsi di passo preservando posizione e velocità. Ciò consente a qualsiasi sistema di controllo motore di funzionare con un’alta risoluzione, offrendo un controllo dello stepper motor di alto livello senza richiedere un aggiornamento completo del sistema.
Controllo preciso, reattivo, affidabile e durevole
Il controllo del movimento è dato dal controllo della posizione, della velocità e dell’accelerazione, che nell’insieme rendono possibile il mondo fisico altamente automatizzato di oggi. Ogni volta che un oggetto deve essere nel posto giusto al momento giusto, è richiesto il controllo del suo movimento. Poiché vengono spostati oggetti reali, la tecnologia di controllo del movimento richiede una precisione e un’affidabilità che sia almeno al pari di molte altre sofisticate discipline. La tecnologia di controllo del movimento Trinamic di Analog Devices fornisce queste soluzioni ad alta precisione con elevata affidabilità, per supportare una moltitudine di esigenze talvolta uniche.
I generatori di rampa Trinamic si occupano del controllo del movimento, sollevando da questo compito il microcontrollore. Regolando la posizione, la velocità e l’accelerazione degli attuatori (come lo sono i motori elettrici), la tecnologia Trinamic ottimizza di fatto il controllo del movimento con profili di rampa che offrono elevate prestazioni per ogni esigenza di controllo del movimento, anche nel caso di applicazioni impegnative che muovono più assi tra loro in sincronia.
Il modo più semplice per guidare un carico è utilizzare una velocità costante (profilo a rampa). Poiché tale modalità non ha una fase di accelerazione definita, il valore di accelerazione teorico è infinito. Tuttavia, sia il sistema che il carico hanno un comportamento nel tempo finito che deve essere accelerato alla velocità richiesta. Di conseguenza si verificano ritardi temporali incostanti per l’accelerazione a seconda del sistema e del carico.
A causa della relazione tra velocità e distanza, non è possibile un posizionamento preciso senza effettuare ulteriori regolazioni. Inoltre, se la differenza tra la velocità target e la velocità effettiva del sistema è troppo grande, il motore potrebbe andare in stallo o in overshoot.
I profili di rampa tengono conto della differenza tra le rampe di velocità teoriche e il mondo fisico reale. La tecnologia di controllo del movimento Trinamic offre vari profili di rampa, da quella trapezoidale a quella a forma di S. La generazione della rampa è integrata nelle periferiche di controllo del movimento per scaricare, come anticipato, il processore da compiti da eseguire in tempo reale, fornendo al contempo ottime prestazioni.
Rampa trapezoidale
Una rampa trapezoidale (figura 2) prevede i tassi di accelerazione utilizzando un gradiente costante. Ciò porta ad un aumento e a una diminuzione lineare della velocità del sistema, per cui viene utilizzato un gradiente costante per l’accelerazione (aMAX) e uno per la decelerazione (dMAX) fino alla velocità massima (vMAX). Con questo gradiente costante è possibile calcolare con precisione e tenere conto dei mutevoli ritardi temporali. Per la maggior parte delle applicazioni di semplice posizionamento sono sufficienti i profili di rampa lineare.
Rampa segmentata
Aggiungendo ai profili di movimento lineare una frequenza di avvio/arresto liberamente configurabile, la rampa segmentata consente un posizionamento molto rapido e mitiga le risonanze causate dalla rampa trapezoidale (figura 3). Inoltre, il profilo aggiunge un valore di accelerazione ridotto ad alta velocità, che riduce gli strappi alla fine delle rampe di accelerazione standard. Una volta raggiunta la posizione target, il motore attende il ciclo di clock TZEROWAIT per assicurarsi che tutte le oscillazioni siano scomparse dal sistema meccanico, consentendo un rapido posizionamento attraverso segmenti di accelerazione aggiuntivi (figura 4).
Le rampe segmentate apportano flessibilità alla modellazione del profilo di velocità,
adattandolo alla curva coppia/velocità, limitando gli strappi e riducendo il time-to-target per le applicazioni di posizionamento preciso.
Rampa a S
Soprattutto quando si lavora con dispositivi delicati, è importante avere un controllo fluido del movimento evitando le eventuali risonanze. Per raggiungere questo obiettivo è necessaria una modifica graduale del parametro di accelerazione (figura 5).
Tale variazione graduale, o parametro di curvatura, riduce al minimo le vibrazioni meccaniche eliminando i problemi di overshoot del motore. Inoltre, è possibile raggiungere coppie elevate con velocità elevate calibrando gli archi della rampa di velocità, consentendo quindi di ottimizzare il profilo in base alla propria applicazione. Il profilo risultante con accelerazione e decelerazione continua riduce qualsiasi movimento improvviso.
