M12 - Motori passo-passo. I motori passo-passo convertono direttamente un'informazione numerica, costituita da impulsi elettrici di comando, in uno spostamento incrementale, costituito da un numero equivalente di spostamenti unitari o passi, senza far ricorso a sensori di posizione. L'applicazione di treni di impulsi a frequenza fissa provoca poi la rotazione di tali motori ad una velocità praticamente costante, che dipende dalla frequenza degli impulsi. Il controllo del moto incrementale dei motori passo-passo può quindi ottenersi attraverso il software di un computer programmando opportunamente gli impulsi di comando. Tali motori sono molto diffusi in applicazioni di piccola potenza che richiedono posizionamenti rapidi e precisi, quali ad esempio: stampanti, plotter, macchine utensili, ecc. In relazione al principio di funzionamento si distinguono tre tipi di motori passopasso: a riluttanza variabile, a magnete permanente e ibridi. M12-1. Motori a riluttanza variabile. Lo statore é costituito da lamierini con espansioni polari dentate, su cui sono disposte delle bobine; il rotore é un cilindro in ferro dolce dentato il cui passo di dentatura è uguale a quello dello statore (fig. M12-1). Il funzionamento si basa sul fatto che in un circuito magnetico la posizione di minima riluttanza costituisce una posizione di equilibrio stabile. Se si fa circolare una corrente continua nella fase A il rotore si sposta nella posizione di minima riluttanza del circuito magnetico relativo alla fase alimentata, in corrispondenza della quale i denti di rotore si allineano con quelli del polo A. Tale posizione rimane invariata finché non si diseccita la fase A e se ne alimenta un'altra (es. B), nel qual caso il rotore si sposta in una nuova posizione di equilibrio, nella quale i denti rotorici si allineano con quelli del polo B e così di seguito. Fig. M12-1 Tale tipo di motore è poco usato in quanto presenta: alti costi, coppie limitate e pessimi smorzamenti 182
M12-2 Motori a magnete permanente. Il rotore è un cilindro di materiale magnetico permanente, che presenta sulla sua superficie una successione di poli nord e sud. La parte fissa é costituita da due semistatori cilindrici cavi esattamente identici, realizzati con lamierini ferromagnetici aventi un numero di poli salienti identico al numero di poli del rotore, e sfalsati tra loro di mezzo passo polare. Sui poli di ciascun semistatore sono disposte delle bobine connesse tra di loro in serie in modo da formare un unico avvolgimento ed avvolte in modo da creare alternativamente polarità magnetiche nord e sud quando sono percorse da corrente continua (fig. M12-2). Fig. M12-2 Nelle figure M12-3 e M12-4 sono riportate la successione delle configurazioni delle correnti nelle due fasi statoriche e delle corrispondenti posizioni angolari del rotore a seconda che si ecciti una o due fasi per volta. Fig. M12-3 Fig. M12-4 Principali pregi di questo tipo di motore sono: basso costo ed elevata robustezza; principali difetti: scarsa precisione e limitate prestazioni in coppia e velocità. 183
M12-3 Motori ibridi. Il rotore é costituito da due nuclei costituiti da lamierini ferromagnetici dentati (coppette), assemblati in modo tale che i denti di una coppetta siano sfalsati di mezzo passo di dentatura rispetto a quelli dell'altra e separati da un magnete permanente magnetizzato in direzione assiale; in tal modo i denti di una coppetta risultano tutti magnetizzati nord, quelli dell'altra tutti magnetizzati sud (fig. M12-5). Lo statore é costituito da lamierini con un numero pari di espansioni polari dentate, su cui sono disposte delle bobine, tra loro connesse in modo da realizzare due fasi. Fig. M12-5 Quando si eccita (fig. M12-6) la fase A i denti della coppetta anteriore (S) si allineano con i denti del polo nord della fase A; quelli della coppetta posteriore (N) con i denti del polo sud della fase A. Diseccitando la fase A e eccitando la fase B il rotore si sposta di ¼ di passo di dentatura in modo da allinearsi con i denti dei poli della fase B. Fig. M12-6 Le principali caratteristiche di tale tipo di motore, che é più costoso di quello a magneti permanenti, sono l'alta precisione di posizionamento, le elevate prestazioni in coppia e in velocità e il buon smorzamento. 184
M12-4. Funzionamento in condizioni statiche e dinamiche. Una caratteristica peculiare del motore passo-passo è quella di trattenere il rotore in una posizione di equilibrio stabile. Se cerchiamo di spostarlo da tale posizione nasce infatti una coppia che contrasta tale azione, il cui valore massimo prende il nome di coppia di tenuta (HT) o di coppia residua (DT) a seconda che il motore sia alimentato a corrente nominale o non sia alimentato (fig. M12-7). In condizioni dinamiche il motore passo-passo sviluppa una coppia sincrona o di pull-out (fig. M12-8), che è più o meno elevata in relazione al valore che la corrente riesce a raggiungere nelle fasi alimentate in successione. Tale coppia è pari a circa la metà della coppia di tenuta nel funzionamento a bassa velocità e diminuisce progressivamente all'aumentare della velocità fino ad annullarsi. Questa diminuzione é dovuta alla riduzione della corrente dovuta sia alla maggiore f.c.e.m. di natura mozionale, sia al fatto che la corrente non riesce a raggiungere il valore finale poiché nel frattempo viene effettuata una nuova commutazione. Fig. M12-7 Fig. M12-8 E' possibile aumentare la coppia di pull-out alle alte velocità forzando la corrente a salire più rapidamente nelle fasi del motore (fig. M12-9). Ciò può ottenersi ad esempio utilizzando una tensione di alimentazione molto maggiore di quella nominale e un pilotaggio switching non appena la corrente supera di poco il valore nominale. Fig. M12-9 185
M12-5. Configurazione del convertitore. In figura M12-10a è mostrata una comune struttura di convertitore con pilotaggio bipolare per motori passo-passo a magneti permanenti o ibridi. Per passare da una configurazione (es. I A I B ) alla successiva (I A -I B ) é necessario invertire il senso della corrente in una fase (B) nel più breve tempo possibile (fig. M12-10b), interdicendo i due transistori attivi del relativo ponte (T 5 e T 8 ) e rendendo attivi gli altri due (T 6 e T 7 ). In tale caso la successione delle configurazioni è: I A I B I A -I B -I A -I B -I A I B I A I B ecc.; nel caso invece in cui si alimenti una fase per volta è: I A I B -I A -I B I A ecc. In figura M12-10c è mostrato l'andamento della corrente in una fase. Fig. M12-10a Fig. M12-10c Fig. M12-10b Concludendo nella pratica il motore a riluttanza variabile viene usato solo quando é necessario che la coppia residua sia molto piccola; mentre quello ibrido quando interessa: precisione angolare elevata, alta velocità, alta coppia e notevole risoluzione. In tutti gli altri casi la scelta cade sul motore a magneti permanenti per il suo basso costo. 186
Nella tabella M12-1 sono riportati i dati di alcuni motori passo-passo ibridi. Tab. M12-1 187