Motore passo-passo a riluttanza variabile

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1 I motori passo-passo, anche se ideati all'inizio del secolo scorso, hanno avuto una diffusione abbastanza recente, ciò e dovuto all'avvento del microprocessore e all'aumento dell'impiego di sistemi digitali. A differenza dei motori classici( motori in corrente continua, motore asincrono ecc ), hanno bisogno di un circuito di pilotaggio, che converte l'informazione numerica, costituita da uno o più impulsi di comando, in uno spostamento incrementale, costituito da uno o più passi, tutto questo senza fare ricorso a sensori di posizione. L'applicazione di impulsi a frequenza fissa provoca la rotazione quasi costante del rotore e la velocità di rotazione è legata alla loro frequenza. Il completo controllo del moto incrementale lo si può ottenere attraverso il software di un computer, oppure attraverso circuiti di comando già assemblati, ma in entrambi i casi le applicazioni di questo tipo di motore rimangono interessanti per la mancanza dell'anello di reazione che rende i circuiti di comando semplici. Figura 1 I motori passo-passo vengono utilizzati per generare moti incrementali in applicazioni di piccola potenza (P<1kW) e piccole coppie(c<15-20 N m), dove sono richiesti posizionamenti veloci e precisi, quali robotica, macchine a controllo 1 Di 13

2 numerico, stampanti, orologi elettronici, strumenti scientifici ecc. La famiglia di questi motori è composta da tre modelli: motore a riluttanza variabile motore a magneti permanenti motori ibridi Di seguito sono analizzati in dettaglio le tre tipologie di motore. Motore passo-passo a riluttanza variabile: Come tutti i motori elettrici è composto da uno statore e da un rotore, sul primo sono presenti dei poli salienti realizzati con lamierini al silicio( a bassa isteresi) sui quali sono avvolti degli avvolgimenti. Il cilindro è realizzato con materiale ad alta permeabilità, in modo tale da avere un elevato flusso magnetico anche in presenza di piccole forze elettromotrici. Il funzionamento di questo motore si basa sull'anisotropia del circuito magnetico dovuta alla presenza dei poli dentati, per motivare la presenza di una coppia motrice si deve considerare il legame tra la stabilità e le posizioni di equilibrio, quello stabile si ha i presenza di riluttanza minima, questo avviene quando il traferro è minimo figura 2b. Dal punto di vista costruttivo si nota che il passo degli avvolgimenti statorici è il medesimo di quello degli avvolgimenti rotorici, in modo tale da permettere l'allineamento dei poli( posizione di riluttanza minima). 2 Di 13

3 Figura 2 a Figura 2b Il motore passo-passo a magneti permanenti: In questo tipo di motore, il rotore è realizzato con un magnete permanente, solitamente di tipo ceramico, magnetizzato in modo tale da presentare sulla superficie cilindrica una successione di poli nord e sud. La parte statorica è costituita da due circuiti magnetici separati, sfasati tra loro di ¼ di passo polare ed entrambe hanno il medesimo numero di poli salienti e i poli di ciascuna parte dello statore sono eccitati da un unico avvolgimento. Se mettiamo a confronto il motore a riluttanza variabile con quello a magnete permanente si nota subito che nel secondo caso è importante il verso della corrente a causa del magnete permanente. In figura 3 è visibile un motore con due fasi alimentate separatamente, la prima alimenta la parte statorica anteriore, mentre la seconda alimenta la parte statorica posteriore, sfasata costruttivamente di ¼ di passo polare. 3 Di 13

4 Motori passo-passo ibridi: questo tipo di motore racchiude in se tutte le caratteristiche dei motori visti in precedenza e risulta essere composto da un rotore con due nuclei di materiale ferromagnetico dentati con un numero dispari di denti, assemblati in modo tale da essere sfalsati di mezzo passo polare di dentatura e separati da un magnete permanente magnetizzato in modo assiale. I denti di uno dei due nuclei sono tutti nord, mentre nell'altro tutti sud; lo statore è simile a quello presente nel motore a riluttanza variabile. La presenza del magnete permanente, permette la rotazione in entrambi i sensi del rotore, semplicemente cambiando il verso della corrente. Nella sua versione più semplice e possibile prevedere solo due fasi, cosa non possibile nel motore a riluttanza variabile nel quale si devono avere almeno quattro fasi. Nella figura seguente è riportato il caso di un motore con 25 denti rotorici, 2 fasi e quattro poli statorici. 4 Di 13

5 Nel momento in cui si alimenta la fase A i denti del nucleo anteriore con sud magnetico si allineano con i denti statorici, nello stesso tempo i denti del nucleo posteriore si allineano con quelli di polarità magnetica nord. Nell'istante in cui si alimenta l'altra fase l'allineamento precedente avviene per questa fase, ma essendo le parti statoriche e rotoriche sfasate di ¼ di passo polare, il rotore per allinearsi e costretto a ruotare, si nota che nel caso di figura 4 l'incremento angolare è 360 /(25*4)=3,6. Le principali caratteristiche di questo tipo di motore sono la precisione, le elevate prestazioni in coppia e velocità e l'alta risoluzione cioè l'elevato numero di passi giro. I motori passo-passo, a magneti permanenti ed ibridi, anche quando non sono alimentati, presentano una coppia residua di richiamo che si avverte non appena si cerca di far ruotare l'albero, che rende tale rotazione a scatti, mentre nel caso di un motore a riluttanza variabile non si avverte nessuna resistenza. I parametri caratteristici di un motore passo-passo sono: passo di spostamento minimo del rotore. Velocità definita come il numero di passi al secondo con cui si muove il rotore a regime. Coppia sincrona (pull-out) è la coppia che si può applicare al motore ad una data velocità senza che perda il passo. Coppia sincronizzante (pull-in) è la massima coppia applicabile al carico, quando il motore si deve spostare con una certa velocità e permette al motore di partire e fermarsi senza perdere il passo La zona di passaggio è chiamata slew-range e può essere attraversata cercando di non far variare troppo la coppia resistente, il tutto deve avvenire controllando opportunamente la variazione di velocità. 5 Di 13

6 Nel pilotare i motori con elevate coppie resistenti, il motore in una prima fase è accelerato da fermo fino alla velocità desiderata. Nel caso in la coppia motrice è sempre superiore a quella richiesta, la fase di accelerazione può essere saltata per comprendere meglio ciò si faccia riferimento alla seguente equazione della coppia: Dove C è la coppia motrice, J è il momento di inerzia, B è l'attrito viscoso, Cc è la coppia frenante. Una volta che il motore ha seguito il primo passo in generale non sono presenti grandi problemi, perché scompare il primo termine nel secondo membro dell'equazione, in quanto la velocità angolare rimane praticamente costante. Nella seconda fase, il motore ruota a velocità costante, ne consegue che la coppia rimane costante, nella fase finale di arresto il motore è rallentato fino alla sua fermata. La fase di arresto può essere considerata istantanea, a causa della coppia residua presente, in caso contrario dobbiamo tenere presenti le oscillazioni della posizione 6 Di 13

7 assunta durante questa fase. Il circuito di pilotaggio I metodi per pilotare un motore passo-passo sono due: pilotaggio unipolare ( caso 2 e 3) pilotaggio bipolare (caso 1) Il pilotaggio bipolare è utilizzato in prevalenza nei motori a magnete permanente o in quelli ibridi di potenza elevata, mentre il pilotaggio unipolare è impiegato principalmente nei motori a riluttanza variabile. Solitamente il motore pilotato con la tecnica unipolare, presenta sulla solita espansione polare due avvolgimenti collegati in controfase. Nel pilotaggio unipolare si deve alimentare mezza fase ad ogni passo e il cambio di rotazione avviene alimentando uno o l'alto avvolgimento, mentre nel pilotaggio bipolare si alimenta ogni fase completamente in entrambi i versi di rotazione. Il motore unipolare presenta verso l'esterno 5 o 6 cavi anziché 4 come avviene nel motore bipolare. 7 Di 13

8 Nel caso 2 e 3 ogni fase è collegata ad un transistor di passo, mentre nel caso 1 la fase è collegata a quattro transistor che realizzano un ponte ad H. I diodi presenti in antiparallelo all'elemento di interruzione, sono diodi di Clamping, utili per evitare le sovratensioni di natura induttiva presenti durante le commutazioni. I fenomeni di sovratensione sono estremamente rapidi e per averne il controllo si inseriscono diodi di tipo Schottky, necessari per garantire un intervento rapido, altrimenti non realizzabile con i diodi ad omogiunzione. Figura 7 (pilotaggio bipolare) Se alimentiamo la fase in modo tale da far circolare la corrente dal nodo A verso B si devono azionare i transistor Q1 e Q4, nella fase successiva quando si interrompe l'alimentazione con l'interdizione degli stessi transistor, il ricircolo della corrente è garantito dai diodi veloci D3 e D2. Nel caso si voglia far percorrere il solito avvolgimento con una corrente di verso opposto al precedente, si devono attivare i transistor Q2 e Q3, la fase successiva, avviene con l'interdizione degli stessi transistor ed in questo caso sono i diodi D1 e D4 a garantire lo scorrimento della corrente di scarica delle induttanze, evitando la nascita di sovratensioni ai capi dei transistor. Nel pilotaggio di tipo unipolare, la corrente percorre sempre nel medesimo verso l'avvolgimento e per cambiare eventualmente la direzione è necessario alimentare 8 Di 13

9 l'altra metà dell'avvolgimento. Se mettiamo a confronto i due sistemi di pilotaggio, si nota che quello unipolare è più semplice, in quanto presenta un numero inferiore di transistor e diodi, il tutto però a fronte di una minore coppia poiché è possibile alimentare solo metà avvolgimento per ogni verso di rotazione. Figura 8 Per migliorare le prestazioni del motore è possibile fare alcune considerazioni, come quella di aumentare le coppie di pull-out e pull-in alle alte velocità, forzando la corrente a salire più velocemente, per contrastare gli effetti dovuti alla costante di tempo legata alla natura induttiva degli avvolgimenti; nel momento in cui i tempi di commutazione sono dello stesso ordine di grandezza della costante di tempo del circuito pilotato, si ha una notevole diminuzione della coppia motrice disponibile. Le tecniche di pilotaggio adottate in questi casi sono le seguenti: Si provvede alla riduzione della costante di tempo τ=l/r della singola fase, mediante l'inserzione di resistenze in serie, questo metodo è semplice ma 9 Di 13

10 applicabile solo in quei casi in cui le perdite per effetto Joule non sono eccessive. Si utilizzano due livelli di tensione di alimentazione, uno più elevato all'inizio della commutazione e uno più basso quando si arriva al valore di corrente desiderato. Si utilizza una sola tensione di alimentazione molto maggiore di quella nominale e si comanda la commutazione dell'alimentazione con la tecnica PWM, questo metodo che è un' evoluzione del precedente, comporta rendimenti molto alti e migliori prestazioni. Nel motore passo-passo, nel momento in cui una fase è alimentata, il rotore si porta nella posizione di equilibrio, e per consentirne la rotazione le fasi devono essere alimentate opportunamente, in questo caso si analizza un motore a magneti permanenti oppure ibrido alimentato con la tecnica bipolare in uno dei tre dei seguenti modi: Wave driver full step halp step 10 Di 13

11 Wave Driver : in questo caso si alimenta ogni fase singolarmente compiendo una sequenza delle fasi in quattro passi, dopo l'ultimo passo la sequenza di ripete nuoavamente. PASSO A+ A- B+ B X X 1 Y Y V V 3 W W 0 1 Quando siamo in presenza del livello logico 1, alla fase considerata è applicata una tensione, mentre lo 0 indica che il potenziale applicato è quello di massa, nel caso in cui non si voglia avere d.d.p. su di una fase, basta applicare su entrambi i terminali il medesimo potenziale e ciò è indicato nelle tabella con lettere uguali, rendendo così libera la scelta del livello logico considerato. Nel metodo considerato si alimenta una fase per volta e la variazione angolare che ne consegue rispecchia i dati di targa. Il vantaggio di questo metodo lo si vede dalla semplicità del comando, mentre lo svantaggio principale è la riduzione di coppia motrice rispetto a quella nominale a causa dell'alimentazione di una fase per volta. Il verso di rotazione è legato alla sequenza delle fasi e per cambiare verso di rotazione basta cambiare il segno dell'alimentazione di una delle due fasi. 11 Di 13

12 Full step Con questo metodo si alimentano entrambi gli avvolgimenti con la modalità visibile in tabella ed anche in questo caso siamo in presenza di quattro stati che si ripetono ciclicamente. PASSO A+ A- B+ B Presenta le stesse caratteristiche del metodo visto in precedenza, ha il solito passo angolare, con il vantaggio odi presentare una coppia motrice maggiore dovuta all'alimentazione contemporanea dei due avvolgimenti. Halp Step In questo modo si pilota il motore in modo tale da occupare anche le posizioni intermedie, tra un passo e l'altro, in questo caso il motore può compiere un numero di passi doppio, presentando una coppia motrice meno granulosa, per compiere un ciclo sono necessari 8 stati. 12 Di 13

13 PASSO A+ A- B+ B X X Y Y V V W W 0 1 La coppia motrice è sì meno granulosa, ma in alcuni passi è più intensa in altri meno, dipende al passo in cui ci troviamo. Osservando la tabella degli stati si nota l'alternanza tra stati in cui gli avvolgimenti sono entrambi alimentati e quelli con un solo avvolgimento alimentato, ne consegue che la coppia di tenuta è variabile, a differenza dei casi visti in precedenza. 13 Di 13