Controllo del motore passo-passo

I motori elettrici convertono l'energia elettrica in energia meccanica e, come per i motori passo-passo, convertono l'energia degli impulsi elettrici in movimenti rotatori del rotore. Il movimento generato dall'azione di ciascun impulso viene avviato e ripetuto con elevata precisione, rendendo i motori a sfera efficienti azionamenti per dispositivi che richiedono un posizionamento preciso.

I motori passo-passo a magneti permanenti includono: un rotore a magneti permanenti, avvolgimenti dello statore e un nucleo magnetico. Le bobine di energia creano i poli nord e sud magnetici come mostrato. Il campo magnetico in movimento dello statore costringe il rotore ad allinearsi con esso in ogni momento. Questo campo magnetico rotante può essere regolato controllando l'eccitazione in serie delle bobine dello statore per far girare il rotore.

La figura mostra uno schema di un tipico metodo di eccitazione per un motore a due fasi. Nella fase A le due bobine dello statore sono eccitate e questo fa sì che il rotore si attragga e si blocchi quando i poli magnetici opposti si attraggono.Quando gli avvolgimenti della fase A sono spenti, gli avvolgimenti della fase B sono accesi, il rotore ruota in senso orario (inglese CW - orario, CCW - antiorario) di 90 °.

Quindi la fase B si spegne e la fase A si accende, ma i poli sono ora opposti a quelli che erano all'inizio. Questo porta alla successiva svolta di 90 °. La fase A viene quindi disattivata, la fase B viene attivata con polarità inversa.La ripetizione di questi passaggi farà ruotare il rotore in senso orario con incrementi di 90°.

Il controllo a gradini mostrato in figura è chiamato controllo monofase. Un modo più accettabile di controllo passo-passo è il controllo attivo a due fasi, in cui entrambe le fasi del motore sono sempre accese, ma la polarità in una di esse cambia, come mostrato nella figura.

Questo controllo fa muovere il rotore del motore passo-passo in modo che si allinei con ogni gradino al centro dei poli nord e sud formati, tra le sporgenze del circuito magnetico. Poiché entrambe le fasi sono sempre attive, questo metodo di controllo fornisce il 41,4% di coppia in più rispetto al controllo con una fase attiva, ma richiede il doppio della potenza elettrica.

Mezzo passo

Un motore passo-passo può anche essere "semi-passo", quindi durante la transizione di fase viene aggiunto uno stadio di intervento. Questo dimezza l'angolo di beccheggio. Ad esempio, invece di 90°, un motore passo-passo può compiere rotazioni di 45° su ogni «mezzo passo», come mostrato in figura.

Ma la modalità mezzo passo introduce una perdita di coppia del 15-30%, rispetto al controllo a passo con due fasi attive, perché uno degli avvolgimenti è inattivo durante metà del passo e questo alla fine porta ad una perdita di forza elettromagnetica, agendo su il rotore, cioè la perdita di coppia netta.

Bobina bipolare

Il controllo a gradini bifase presuppone la presenza di un avvolgimento di statore bipolare. Ogni fase ha la sua bobina e quando la corrente viene invertita attraverso le bobine, cambiano anche le polarità elettromagnetiche. La fase iniziale è tipica driver bifase mostrato in figura. Lo schema di controllo è mostrato nella tabella. Si può notare come semplicemente cambiando la direzione della corrente attraverso le spire sia possibile cambiare la polarità magnetica nelle fasi.

Bobina unipolare

Un altro tipo tipico di bobina è una bobina unipolare, qui le bobine sono divise in due parti e quando una parte della bobina è eccitata, si crea un polo nord, quando l'altra parte è eccitata, viene creato un polo sud. Questa soluzione è chiamata bobina unipolare perché la polarità elettrica responsabile della corrente non cambia mai. Le fasi di controllo sono mostrate in figura.

Questo design consente di utilizzare un blocco elettronico più semplice. Tuttavia, qui si perde quasi il 30% della coppia rispetto a una bobina bipolare perché le bobine hanno metà del filo come una bobina bipolare.

Altri angoli di inclinazione

Per ottenere angoli di beccheggio minori è necessario avere un numero maggiore di poli sia sul rotore che sullo statore. Il rotore da 7,5° ha 12 coppie di poli e il nucleo magnetico dello statore ha 12 sporgenze. Due orecchie a bobina e due bobine.

Ciò fornisce 48 poli per ogni passo di 7,5°. Nella figura si vedono i capicorda a 4 poli in sezione. Naturalmente è possibile combinare i passi per ottenere grandi spostamenti, per esempio sei passi di 7,5° si tradurranno in una rotazione del rotore di 45°.

Precisione

La precisione dei motori passo-passo è del 6-7% per passo (senza accumulo). Un motore passo-passo con incrementi di 7,5° sarà sempre entro 0,5° dalla posizione teoricamente prevista, indipendentemente dal numero di incrementi già compiuti. L'errore non si accumula perché meccanicamente ogni 360° si ripete passo dopo passo. Senza carico, la posizione fisica dei poli dello statore e del rotore l'uno rispetto all'altro sarà sempre la stessa.

Risonanza

I motori passo-passo hanno la loro frequenza di risonanza perché sono sistemi simili a pesi a molla. Quando il ritmo è uguale alla frequenza di risonanza naturale del motore, il rumore generato dal motore può essere udito e la vibrazione viene amplificata.

Il punto di risonanza dipende dall'applicazione del motore, dal suo carico, ma generalmente la frequenza di risonanza varia da 70 a 120 passi al secondo. Nel peggiore dei casi, il motore perderà la precisione del controllo se entra in risonanza.

Un modo semplice per evitare problemi di risonanza del sistema è cambiare il ritmo lontano dal punto di risonanza. In modalità half- o micro-step, il problema della risonanza viene ridotto perché il punto di risonanza viene abbandonato all'aumentare della velocità.

Coppia

La coppia di un motore passo-passo è funzione di: velocità del passo, corrente di avvolgimento dello statore, tipo di motore. Anche la potenza di un particolare motore passo-passo è correlata a questi tre fattori.La coppia di un motore passo-passo è la somma della coppia di attrito e della coppia di inerzia.

La coppia di attrito in grammi per centimetro è la forza richiesta per spostare un carico del peso di un certo numero di grammi con un braccio di leva lungo 1 cm È importante notare che all'aumentare della velocità del passo del motore, la forza controelettromotrice nel motore , cioè la tensione generata dal motore aumenta. Ciò limita la corrente negli avvolgimenti dello statore e riduce la coppia.