Motori Stepper (o a passo)

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Florindo Spada
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1 Motori Stepper (o a passo) Strutture Variable Reluctance Permanent Magnet Ibrido Caratteristiche Ruotano di un angolo fisso ad ogni impulso di corrente Controllo della posizione ad anello aperto Coppia nominale allo spunto Robustezza Facile interfacciamento con circuiti digitali Vasto range di velocità ( rpm) Svantaggi Basso rendimento (limita la taglia) Possibili risonanze Difficoltà ad operare ad alte velocità

allo spunto Robustezza Facile interfacciamento con circuiti digitali Vasto range di velocità (0-4000 rpm)

2 Avvolgimento Unipolare Motori Stepper (o a passo)

3 Avvolgimento Bipolare Motori Stepper (o a passo)

4 Modalità Full step (avvolgimento bipolare) Motori Stepper (o a passo)

5 Modalità Full step (avvolgimento bipolare) Motori Stepper (o a passo)

6 Modalità Halfstepping (avvolgimento bipolare) Motori Stepper (o a passo)

7 Modalità - Microstepping i Motori Stepper (o a passo)

8 Motori Stepper (o a passo) Modo di funzionamento START-STOP Il motore può essere avviato e fermato istantaneamente

9 Motori Stepper (o a passo) Coppia di Pull-over = coppia massima sviluppata dal motore nel passaggio da una posizione alla successiva

10 Motori Stepper (o a passo) Modo di funzionamento SLEWING La velocità non riparte da zero all inizio di ogni ciclo A regime la velocità è quasi costante, la coppia d inerzia è quindi trascurabile ed è possibile sopportare un carico maggiore, rispetto alla modalità Start-Stop, Stop senza perdere il passo. Il motore deve essere avviato e fermato gradualmente per evitare la perdita del passo

trascurabile ed è possibile sopportare un carico maggiore, rispetto alla modalità Start-Stop,

11 Caratteristica ti elettromeccanica Motori Stepper (o a passo) Start-Stop Region regione di funzionamento in modalità Start-Stop Slew Region regione di funzionamento in modalità Slewing Coppia di Pull-in massima coppia di carico consentita in funzionamento Start-Stop e massimo valore di carico che consente l avvio o la fermata istantanea del motore senza perdita di passo. Maximum Start Rate Massima frequenza degli impulsi che consente l avviamento lavviamento del motore senza carico Coppia di Pull-out massima coppia di carico consentita per non perdere il passo Maximum Slew Rate - Massima frequenza degli impulsi che consente il funzionamento del motore senza carico

istantanea del motore senza perdita di passo.

12 Attuatori 'Voice coil' Gli attuatori lineari 'Voice coil' sono adatti ad applicazioni che richiedono corse comprese tra qualche micron e diversi centimetri di piccola e media potenza come il posizionamento di ottiche e specchi o il controllo di valvole pneumatiche o oleodinamiche. Un attuatore 'Voice coil' è composto essenzialmente da due parti: una parte mobile costituita da un avvolgimento posto su un supporto tubolare e una parte fissa, costituita da un magnete che circonda l'avvolgimento mobile e dal nucleo ferromagnetico. Quando l'avvolgimento è percorso da corrente nascono forze, proporzionali alla corrente, che tendono a spostare la parte mobile, producendo un moto lineare limitato.

Un attuatore 'Voice coil' è composto essenzialmente da due parti: una parte mobile costituita da un avvolgimento posto su un supporto tubolare e una parte fissa, costituita

13 Attuatori 'Voice coil' Gli attuatori 'Voice coil' possono generare moto lineare o rotazionale di tipo limitato, ovvero moto rotazionale continuo. I pregi maggiori di tali attuatori risiedono certamente nel comportamento pressocché lineare, nella velocità di risposta e nell'elevato rapporto potenza/peso. Un attuatore 'Voice coil' può essere usato per posizionamenti di precisione, in tal caso deve essere accoppiato ad un opportuno sensore di posizione come potenziometri o LVDT Attuatori 'Voice coil' con moto rotazionale limitato sono comunemente utilizzati per pilotare il braccio delle testine negli Hard Disk.

14 Attuatori Piezoelettrici La proprietà di alcuni cristalli, come i quarzi, di generare una differenza di potenziale se sottoposti a deformazioni meccaniche fu osservata per la prima volta nel 1881 da Pierre e Jacques Curie. Questo fenomeno è detto effetto piezolelettrico diretto ed è quello sfruttato dai sensori piezoelettrici. Si può anche osservare il fenomeno opposto, se cioè lo stesso materiale viene sottoposto ad un campo elettrico si deforma. Quest'ultimoultimo fenomeno è detto effetto piezoelettrico inverso e viene sfruttato per realizzare attuatori piezoelettrici. Il materiale piezoelettrico più comune è oggi un materiale ceramico denominato PZT (piombo zirconato titanato). Tale materiale deve essere preventivamente t polarizzato per assumere proprietà piezoelettriche. i Il processo di polarizzazione viene attuato riscaldando il materiale e sottoponendolo a forti campi elettrici (2500 V/ mm). In tal modo vengono allineati i domini elementari lungo una specifica direzione in modo che, dopo la polarizzazione, le reazioni dei dipoli elementari a variazioni di campo elettrico danno luogo ad una risultante non nulla.

Si può anche osservare il fenomeno opposto, se cioè lo stesso materiale viene sottoposto ad un campo elettrico si deforma.

15 Attuatori Piezoelettrici Gli attuatori piezoelettrici trovano applicazione in quei casi ove sia richiesta un'alta precisione, estrema compattezza, elevata velocità di risposta, basso consumo e basse emissioni elettromagnetiche. La forza generata da un attuatore piezoelettrico può infatti arrivare anche diverse centinaia di newton, con tempi di risposta dell'ordine dei microsecondi e produrre moti oscillatori con frequenze di diverse decine di khz. Tuttavia, la corsa massima prodotta da un singolo elemento piezoelettrico è dell'ordine delle frazioni di micron. E' quindi necessario comporre insieme centinaia o migliaia di elementi piezoelettrici o amplificare meccanicamente le deformazioni per per generare deformazioni di pratica utilità. Le principali strutture utilizzate per realizzare attuatori piezoelettrici sono la unimorfa, la bimorfa e lo stack. Gli attuatori piezoelettrici possono essere accoppiati a sensori di deformazione come strain gauge, sensori induttivi o capacitivi per realizzare sistemi di posizionamento ad alte prestazioni. Alcune applicazioni degli attuatori piezoelettrici riguardano la manipolazione genetica, la cancellazione di vibrazioni, l'allineamento di fibre ottiche, l'allineamento di parti di meccanismi di precisione, il controllo di valvole idrauliche, la stabilizzazione delle immagini e l'allineamento delle maschere nella produzione dei wafer nell'industria elettronica.

La forza generata da un attuatore piezoelettrico può infatti arrivare anche diverse centinaia di newton, con tempi di risposta dell'ordine dei microsecondi e produrre moti oscillatori con frequenze

16 Attuatori Piezoelettrici Una struttura unimorfa è composta da un elemento piezoceramico incollato su un supporto passivo di maggiori dimensioni. La deformazione dell'elemento piezoelettrico causa una deformazione dell'intera struttura, amplificando il moto prodotto. Una struttura bimorfa viene ottenuta saldando due elementi piezoelettrici in modo che diano luogo ad opposte deformazioni quando sottoposti alla stessa tensione, in modo da causare un incurvamento dell'intera struttura. Lo spostamento prodotto da una struttura bimorfa è molto più elevato rispetto a quello di una struttura unimorfa, tale struttura trova dunque applicazione in quei casi ove l'ampiezza del moto prodotto è un fattore predominante rispetto alla forza prodotta.

Una struttura bimorfa viene ottenuta saldando due elementi piezoelettrici in modo che diano luogo ad opposte deformazioni quando sottoposti alla stessa tensione, in modo da causare un

17 Attuatori t Piezoelettrici i i Uno stack è composto da centinaia di elementi piezoelettrici connessi meccanicamente in serie ed elettricamente in parallelo, in modo da generare spostamenti fino a qualche centinaio di micron, con tensioni relativamente contenute. La struttura interna di uno stack è composta da diversi strati di materiale piezoceramico sulle superfici di ognuno dei quali sono depositati gli elettrodi metallici per la connessione al generatore di tensione.,

18 Motori a passo piezoelettrici L'effetto piezoeletrico i inverso può essere utilizzato t per realizzare motori a passo micrometrici. i i Rispetto ai comuni motori a passo quelli piezoelettrici posseggono un minore tempo di risposta, una maggiore precisione, un comportamento più lineare, minori emissioni elettromagnetiche ed una maggiore compattezza.

i i Rispetto ai comuni motori a passo quelli piezoelettrici posseggono un minore tempo

19 Motori a passo piezoelettrici Funzionamento di un motore lineare piezoelettrico a passo con onda stazionaria.

20 Motori a passo piezoelettrici E possibile connettere meccanicamente in serie od in parallelo più unità per amplificare rispettivamente lo spostamento o la forza. E pure possibile generare un moto rotazionale.

più unità per amplificare rispettivamente lo

21 Attuatori a memoria di forma Gli attuatori a memoria di forma sfruttano le proprietà di alcuni materiali di riassumere una forma predefinita quando riscaldati oltre una certa temperatura, detta temperatura di trasformazione. Il materiale utilizzato negli attuatori a memoria di forma è una lega di nickel e titanio denominata Nitinol. In un attuatore a memoria di forma è presente un avvolgimento di Nitinol che a temperature inferiori alla temperatura di transizione può essere facilmente deformato. Quando però il Nitinol viene riscaldato oltre i 75 C vengono generate delle forze che tendono a contrarre l'avvolgimento, che raggiunge la massima contrazione a 110 C. Raffreddando l'attuatore al di sotto dei 60 C, in mancanza di sollecitazioni esterne esso riprende la forma a riposo. Il riscaldamento del materiale a memoria di forma è di tipo ohmico, cioè attuato facendo scorrere attraverso il materiale una corrente elettrica. Tali attuatori t sono quindi di tipo elettromeccanico, pur non essendo considerati delle macchine elettriche.

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