step motors

Istituto tecnico industriale “Guglielmo Marconi” - Rovereto

prof. Claudio Menegazzi

Motore passo- passo Un attuatore elettromeccanico

EDIZIONE 2009

Generalità sui motori passo-passo Le basi teoriche del motore passo-passo sono note dall’inizio del secolo scorso e le prime realizzazioni risalgono agli anni 30. Il suo sviluppo invece è recente in quanto il suo controllo usa un azionamento digitale. Nel suo ciclo operativo può trovarsi in tre condizioni diverse: disattivato, attivo ma fermo, in rotazione.

Il motore passo-passo è un attuatore elettromeccanico che converte impulsi di comando di tipo elettrico in movimenti meccanici programmabili. Il suo azionamento avviene alimentando le fasi di statore e il movimento si ha all’atto delle commutazioni di queste alimentazioni

Esso è estremamente versatile e preciso ed ha il grosso vantaggio di poter essere usato in sistemi di controllo ad anello aperto, cioè senza anello di reazione. Un altro vantaggio rispetto al motore c.c. consiste nella maggior robustezza, non avendo parti soggette ad usura come le spazzole. Gli svantaggi sono costituiti dalla maggior complessità dei circuiti di azionamento e da un rapporto potenza/volume più sfavorevole. I motori passo-passo sono molto usati nelle periferiche degli elaboratori (unità disco, stampanti, plotter, tavole X-Y) e nell’azionamento dei robot. Le correnti che circolano nelle fasi di statore generano dei campi magnetici. Per invertire la polarità, per fare in modo cioè che il Nord diventi il Sud e viceversa, si può agire in due modi: SISTEMA UNIPOLARE: L’avvolgimento di una fase è composto da due fili che sono avvolti in parallelo, ma sono co1legati in modo che la corrente percorra un filo generando un Nord e un Sud e l’altro filo in senso contrario per generare un Sud ed un Nord. Lo statore contiene quattro avvolgimenti avvolti in coppia sulle espansioni polari.

Fig. 1 motore passo: sistema unipolare: struttura interna, configurazione dei morsetti, circuito di comando

motori passo-passo prof. C. Menegazzi 2

SISTEMA BIPOLARE: L’avvolgimento di una fase è composto da un filo solo, di sezione doppia rispetto ad un filo dell’avvolgimento unipolare (quindi con resistenza metà), e la polarità è invertita facendo in modo che la corrente percorra il filo prima in una direzione e poi nella direzione opposta.

Fig. 2 motore passo: sistema bipolare: struttura interna, configurazione dei morsetti, circuito di comando

Eseguiamo un confronto nelle condizioni d’uguali perdite per effetto Joule tra i due casi:

bipolareIRunipolareRI 22

2= ; ; unipolareIbipolareI 22 2= eΙ_unipolar 2Ι_bipolare = Come si è visto nel motore in continua la coppia dipende dalla corrente perciò di fronte allo svantaggio di aver necessità di un numero doppio di transistor di comando, il motore bipolare presenta il vantaggio che a parità di perdite nel rame e in assenza di saturazione del circuito magnetico la coppia è 2 volte maggiore. Azionamento dei motori passo Gli avvolgimenti del motore passo (le fasi) possono essere alimentati uno alla volta, due alla volta, o alternativamente uno e due consecutivamente. Nei primi due casi l’azionamento si dice a passo intero, nel terzo caso a mezzo passo. Il motivo di alimentare due fasi alla volta è quello di ottenere un campo magnetico 2 volte maggiore rispetto a una fase sola. L’azionamento a mezzo passo rappresenta una fusione dei due metodi precedentemente illustrati, il passo di rotazione viene dimezzato, ma la coppia è variabile da un passo al successivo perché in alcuni momenti sono attivate due fasi contemporaneamente ed in altri una sola.

Ф (una fase) Ф (due fasi) = 2 Ф (una fase) Ф (una fase)


Wave drive mode o “one fase on” (una fase alla volta)

Normal drive o “two fase on” (due fasi alla volta)

Half step mode (mezzo passo)

Fig. 3 i tre tipi di azionamento di motori passo In quest’ultimo caso il numero di passi risulta doppio dei casi precedenti. Per cambiare il verso di rotazione nei tre casi è sufficiente invertire le sequenze di comando. (Fig. 3). In pratica i motori presentano sia sullo statore che sul rotore un numero di poli ben maggiore, sicché l’ampiezza del passo di rotazione risulta molto più piccola, il numero di fasi e le sequenze di comando, però, risultano invariate. Sintetizzando e considerando le varie combinazioni, cioè ad una o due fasi eccitate, per motore unipolare e bipolare, possiamo rappresentare il seguente prospetto, indicando con T la coppia: UNIPOLARE BIPOLARE UNA FASE ECCITATA T T*2 DUE FASI ECCITATE T*2 TT 2*2*2 =

TIPI DI MOTORI PASSO I motori passo-passo sono essenzialmente di tre tipi: 1. Motore a riluttanza variabile (VR): la loro caratteristica essenziale consiste nel

fatto che non hanno magnete permanente e pertanto il rotore è costituito da poli


salienti in ferro dolce. Questi hanno il vantaggio di avere una coppia residua ridotta al minimo, in pratica al solo attrito dei cuscinetti e velocità elevata. Per contro hanno molti svantaggi cioè costo alto, smorzamento pessimo e coppia motrice limitata; hanno quattro fasi, controllate in modo unipolare, e un circuito di comando complicato in quanto, non avendo un magnete permanente non sono sensibili alla corrente polare e questo li obbliga ad avere azionamenti diversi da quelli degli altri motori. Il loro uso è sempre più ridotto e si preferisce utilizzare motori ibridi. In commercio sono disponibili motori con passo di 0,9° - 1,8° - 2° - 3,6° (rispettivamente 400, 200 180 e 100 passi). Il principio dì funzionamento si basa sulla legge di Hopkinson ℜ *Ф = N * I dove la riluttanza ℜ è definita come l/(µ.*S) [µ = permeabilità del materiale]. Essendo la permeabilità del ferro circa 2000 volte maggiore di quella dell’aria, appena viene applicato un campo magnetico attivando una delle fasi, il rotore ruota in modo da rendere minima la riluttanza del percorso magnetico, e questo è possibile riducendo il più possibile il traferro presente tra lo statore e le espansioni polari del rotore. Per calcolare di quanti gradi è costituito un passo è sufficiente sottrarre all’angolo delle espansioni polari del rotore quello di statore.

Fig. 4a sequenza di eccitazione delle fasi A - B - C - D nel motore a riluttanza variabile 2. Motori a magnete permanente (PM): in questi motori il rotore è costituito di

materiale magnetico permanente di tipo ceramico magnetizzato in modo da presentare sulla superficie cilindrica una successione di poli Nord e Sud. Il pregio principale è l’economicità, però hanno scarsa precisione e prestazione limitata in coppia e velocità, coppia elevata di mantenimento e bassa coppia dinamica (a causa dell’induzione residua). Hanno due fasi. In commercio sono presenti motori passo a


magnete permanente sia bipolari che unipolari, con angoli di rotazione: 6° - 7,5° - 9° - 11,25° - 15° - 18° (60, 48, 40, 32, 24 e 20 passi). Sono i più utilizzati quando le prestazioni non devono essere spinte.

Fig. 4b Sequenza di eccitazione delle due fasi del motore a magnete permanente 3. Motori ibridi (HY): presentano il rotore formato da un magnete permanente che

serve a polarizzare i poli salienti dentati in ferro dolce del rotore stesso. La caratteristica principale è la loro alta precisione e la possibilità di reperire modelli con prestazioni elevate sia in coppia sia in velocità, sono i più costosi. Ibridi perché sono una via di mezzo fra i due precedenti. Anche questi hanno due fasi.

Fig 4c.1 motore ibrido


Fig. 4c.2 Sequenza di eccitazione delle due fasi del motore ibrido


Parametri dei motori passo Il motore passo è caratterizzato da parametri di funzionamento distinti per le condizioni statiche e dinamiche, infatti, questo motore deve assicurare prestazioni sia quando è bloccato sia quando esegue i passi. • Step angle (angolo di passo): distanza angolare tra due passi vicini. Valori normali sono 1.8° e 3.6°. • Step per revolution (passi per giro): il numero di passi necessari per una completa rivoluzione, valore ovviamente strettamente dipendente all'angolo di passo. Valori normali sono 100 passi/giro (equivalenti ad un angolo di 3.6°) e 200 passi/giro (1.8°). Questo valore è in genere stampigliato in chiaro sul motore (o in alternativa troverete l'angolo di passo). Nel caso non ci sia, potete provare a contare gli scatti che si sentono ruotando a mano il motore non alimentato. • Corrente nominale: è la corrente che attraversa ciascuna fase nelle condizioni normali di funzionamento. In genere è stampigliata sul contenitore del motore, in alternativa alla tensione nominale. Occorre evitare correnti maggiori in quanto è facile arrivare alla saturazione dei materiali magnetici oppure al surriscaldamento degli avvolgimenti. Valori normali, relativi ai motori che normalmente si trovano nelle vecchie stampanti, vanno da 0.5A a 2A o poco più. • Tensione nominale: è la tensione che, collegata direttamente ad una delle fasi, produce la corrente nominale. Questa non è necessariamente la tensione di alimentazione in quanto questa dipende dal metodo di pilotaggio. Valori normali: da meno di 5V a 24V. • Resistenza della bobina: è il legame tra tensione e corrente, in situazioni stazionarie. A volte è stampata ma è comunque semplicemente misurabile con un multimetro. • Induttanza della bobina: raramente si conosce questo valore se non fornito dal data-sheet. • Residual torque (coppia residua o anche detent torque): la coppia che si oppone alla rotazione dell'albero di un motore non alimentato. E' questa che permette di contare i passi ruotando a mano l'albero. • Holding torque (coppia di tenuta): la coppia che, con motore alimentato, si oppone alla rotazione. In genere è piuttosto elevata e, anche per motori di piccole dimensioni, è praticamente impossibile ruotare l'albero senza utilizzare una qualche leva. Da notare che la massima coppia di tenuta la si ottiene ruotando l'albero di 1/2 di passo: superato tale angolo, la posizione dell'albero scatta al passo successivo. • Pull-in torque: è la coppia massima che, applicata al motore, ne permette la partenza ad una data velocità. • Pull-out torque: è la coppia massima che, con il motore in moto ad una data velocità, può essere applicata senza far perdere il passo. • Pull-in rate (o anche pull-in speed): è la massima velocità a cui il motore può partire, applicando una data coppia.


• Pull-out rate (o anche pull-out speed): è la massima velocità a cui il motore può arrivare data una certa coppia resistente. Tale velocità deve essere raggiunta con piccoli incrementi di velocità. • Overshot: è l'oscillazione meccanica che il motore compie intorno alla sua posizione di equilibrio subito dopo uno spostamento. Dipende dal motore, dal pilotaggio e dal carico. Qualche volta, se eccessivo, crea problemi alla meccanica, in particolare l'usura degli ingranaggi. • Positional accuracy: indica la precisione meccanica di posizionamento angolare, misurata in percentuale rispetto all'angolo di passo. Valori normali sono intorno al 5% (cioè 0.09° per un motore da 200 passi/giro). Tale errore non è cumulativo, cioè dopo un numero arbitrario di passi, rimane in valore assoluto invariato. • Frequenza di risonanza: è la velocità di rotazione, o meglio le velocità, dato che sono più di una, in cui il motore eroga una coppia molto bassa, arrivando addirittura a fermarsi spontaneamente.

Fig.5 caratteristica coppia-frequenza. Significato del grafico: nell’area (1) il motore ha un funzionamento regolare e completo, nell’area (2) il motore può cambiare velocità ma non repentinamente, né partire o cambiare direzione, nell’area (3) il motore perde i passi e/o può fermarsi

Alcune considerazioni sul motore passo Per ottenere una maggior coppia motrice si preferisce alimentare due fasi per volta (la coppia è 2 volte maggiore). Quando si eccitano due fasi alla volta i poli del rotore si posizionano nella mezzeria tra due poli di statore, perciò le posizioni d’equilibrio stabile della coppia di tenuta coincidono con le posizioni d’equilibrio instabile della coppia residua. Questo significa che dopo la diseccitazione del motore, esso tende a muoversi di mezzo passo in direzione ignota per portarsi in una posizione d’equilibrio stabile (carichi e attriti permettendo). Se la velocità imposta al motore è molto bassa, il tempo tra due impulsi successivi diventa lungo: ad esempio da 10ms a 100rns, e il rotore si può mettere a dondolare attorno alla sua posizione d’equilibrio stabile,


soprattutto se gli attriti sono bassi. Il motore funziona irregolarmente in caso di presenza di questi movimenti pendolari e può bloccarsi se l’ulteriore impulso di comando arriva in direzione opposta a quello dell’oscillazione del rotore. Sarebbe bene evitare di far funzionare il motore a velocità bassa, perché il funzionamento potrebbe essere irregolare. Spesso i costruttori consigliano velocità superiori a 100 passi/sec. Dispositivi di pilotaggio In rotazione le fasi sono alimentate con impulsi di corrente e poiché essa impiega un certo tempo per arrivare al valore nominale, durante la fase dì crescita della corrente potremmo disporre solo di un valore di coppia parziale. Il compito del circuito di pilotaggio consiste nel fare in modo che la corrente della fase raggiunga al più presto ìl suo valore nominale. Ci sono problemi diversi per il funzionamento unipolare o bipolare. Nel pilotaggio bipolare, occorre eliminare la corrente in un avvolgimento e far crescere la corrente nello stesso avvolgimento, ma in direzione opposta. Come esaminato nei motori in corrente continua, esiste un problema legato all’energia elettromagnetica immagazzinata nel circuito magnetico di una fase: la corrente non può essere ridotta troppo bruscamente, perché si formerebbero degli impulsi di tensione sul transistor di comando; un metodo è quello di inserire in parallelo alle bobine diodi di libera circolazione, i quali però rallentano l’azzeramento della corrente, riducendo la forza elettro motrice indotta, ma anche ostacolando commutazioni veloci. Per esempio si analizza il motore MAE HY200 2220 100A8 [Rfase 5Ω, Lfase 10mH, V= 5V, I=1A] In questo motore la corrente impiega 8ms per raggiungere il 98% del valore nominale; questo significa che solo a bassissima velocità riesce ad erogare una percentuale consistente della sua coppia di tenuta, perciò, senza particolari accorgimenti, il motore esemplificato raggiunge velocità di poche centinaia di passi al secondo. In un comando a frequenza 100Hz l’eccitazione delle due fasi A e B si sussegue come in figura 6. Fig. 6


dove le commutazioni hanno una frequenza di 100Hz e quindi un periodo di 10ms. Questo permette alla corrente di fase di raggiungere il suo valore nominale. A 200Hz il periodo di conduzione di una fase si riduce a 5ms, che per il motore esemplificato equivale a 2,5τ, nel qual caso la corrente è di circa il 10% inferiore di quella massima di fase e la coppia è proporzionalmente ridotta. Si veda la seguente figura 7 per avere dei riferimenti relativi al tempo necessario per raggiungere il valore nominale della corrente di fase.

Figura 7

−=

−τt

MAX eII 1

Metodi per far salire più rapidamente la corrente di fase 1. resistenza serie: il metodo più semplice per migliorare le prestazioni del motore

consiste nel mettere una resistenza in serie alle fasi del motore. Questa soluzione è piuttosto semplice ma con rendimento basso e quindi può essere usato solo per piccole potenze dei motori. Per quanto riguarda gli schemi di collegamento, come si vede, si può avere un unica resistenza oppure una doppia R. Nel primo caso, con una sola R, la corrente di fase è sempre uguale nei due avvolgimenti quindi c’è maggiore precisione angolare. Con due R si ha una minore dissipazione termica però c’è il rischio di imprecisione angolare se le due Rs sono diverse (fig. 8). L’aggiunta di Rs modifica la costante di tempo che passa da τ = L/R a τs = L/(R+Rs)


Rs = 20Ω; ⇒ τs = 10mH/(5 Ω +20 Ω) = 0,4ms 4 τs:(tempo di avviamento per raggiungere il 98% della I nominale) = 1,6 ms Vs = (R+Rs) * I = 25*1 = 25V Purtroppo la dissipazione termica aumenta e su questa Rs si provoca una potenza

dissipata Pdis= Rs * I2 = 20W.

Figura 8

2. Due livelli di tensione. Per ovviare al basso rendimento del pilotaggio con Rs

spesso è utilizzato il pilotaggio con due livelli di tensione che richiede un alimentatore più complicato però offre un miglioramento nel rendimento. Per fare un confronto consideriamo ancora il motore HY-200; per pilotare questo motore con lA senza particolari accorgimenti sono necessari 5V. Aggiungendo una Rs di 20Ω occorre alzare la tensione a 25V per avere ancora lA. Decidiamo ora di usare


un pilotaggio con due tensioni 25V (E1) e 5V (E2). Cioè si applica 25V alle fasi del motore che hanno una R di 5Ω, saturando il transistor dello schema seguente. La corrente nominale di lA è raggiunta dopo un tempo di 0,44ms. Dopodiché basta interdire il transistor per alimentare le fasi con 5V (fig. 9).

Figura 9

3. Chopper e Switching

Questi due metodi sono l’evoluzione del pilotaggio a due livelli di tensione. La tensione erogata dal pilotaggio Chopper è molte volte maggiore di quella strettamente necessaria per far circolare la corrente nominale nelle fasi del motore secondo la relazione V=R*I, perciò la corrente cresce molto rapidamente nelle fasi del motore e quando raggiunge il valore nominale (o un po’ superiore) l’alimentazione è disattivata, quindi la corrente oscilla tra un valore massimo e uno minimo, poco diversi dalla corrente nominale. L’azionamento chopper si regola variando la frequenza degli interventi tra 500Hz e 1500Hz. Nel pilotaggio switching l’azionamento si regola variando la durata degli impulsi a frequenza tra 5KHz e 25KHz. Poiché l’impedenza delle fasi del motore alla frequenza di alimentazione è molto alta, gli impulsi inviati dal pilotaggio sono spianati, perciò la corrente che fluisce negli avvolgimenti è praticamente continua con ripple molto limitato. Questi due tipi di pilotaggio realizzano rendimenti molto alti e consentono al motore passo ottime prestazioni (fig. 10).


Figura 10

Il principio di funzionamento del controllo chopper è quello della seguente figura 11a: La bobina viene sovrapilotata con una tensione elevata che consente alla corrente di raggiungere molto rapidamente un valore di poco superiore a quello nominale. Interviene allora un circuito di controllo che interdice il transistor fin quando la corrente non è scesa ad una valore prestabilito, leggermente inferiore a quello nominale. A questo punto il transistor viene riportato in conduzione ed il ciclo riprende. La corrente in definitiva viene ad assumere l’andamento a dente di sega illustrato in fig11b.

Fig. 11 circuito di principio del controllo chopper


Controllori integrati per attuatori Appartengono a questa categoria numerosi circuiti integrati di potenza intelligenti (smart power IC). studiati per il controllo e il pilotaggio di motori c.c., passo-passo e brushless, relè, elettrovalvole e solenoidi. Uno dei maggiori produttori del settore è la ST Microelectronics: il suo catalogo comprende fra gli altri l’L292, pilota switchmode di motori c.c., gli L294, L29,. L6503, L6504, driver per solenoidi, i driver a ponte L293, L298, L6203, L6204, dei quali gli ultimi due a transistori DMOS, ed infine gli L297 e L6505 per il pilotaggio di motori passo-passo. Questi integrati sono normalmente provvisti sia di protezione termica sia di limitazione di corrente. Driver a ponte L298 È un integrato monolitico in contenitore Mu1tiwatt costituito da una coppia di circuiti di pilotaggio a ponte. E’ provvisto di ingressi sensibili ai livelli TTL e di uscite adatte a pilotare carichi induttivi quali solenoidi, motori c.c. o passo-passo. La corrente di uscita raggiunge 2 A. Lo schema interno è riportato in fig.12 insieme con la disposizione dei terminali. Ognuno dei due ponti è provvisto di due ingressi IN e di due uscite OUT. Ciascun ponte è provvisto di un ingresso di abilitazione EN, che nello stato basso interdice tutti i transistor del ponte. Quando un ingresso è alto, l’uscita corrispondente è pure alta, ossia risulta collegata al terminale di alimentazione Vs. Quando invece l’ingresso è basso, la sua uscita si trova collegata al terminale di massa SENSE. Per il controllo, fra SENSE e massa si inserisce una resistenza di basso valore, per il rilevamento dell’intensità della corrente di carico. La tensione di alimentazione della parte logica è di 5V mentre quella di potenza arriva fino a 46V.


fig. 12 schema interno e piedinatura dell’L298 Controllore di motore passo-passo L297 L’L297 è un integrato alimentato a 5V in grado di generare i segnali di pilotaggio per motori passo-passo, secondo le tre modalità di azionamento possibili. Il dispositivo contiene un circuito di controllo della corrente di carico che consente di ottenere un pilotaggio del motore di tipo chopper. Descrizione dell’L297. L’integrato, il cui schema interno è illustrato in fig.13 è provvisto di quattro uscite A, B, C, D per il pilotaggio delle fasi e di due uscit INH1 e INH2, che possono essere usate per interdire un eventuale ponte di pilotaggio. Le forme d’onda delle uscite nelle diverse modalità di azionamento sono riportate in tabella. Sono presenti inoltre terminali di ingresso che determinano le modalità di funzionamento del circuito. Il pin 18 ( CLOCK ) riceve la forma d’onda impulsiva che stabilisce la velocità di passo del motore mentre il pin l7 CCWCW controlla il senso di rotazione. Il pin 19 FULLHALF quando è a livello alto seleziona l’azionamento a mezzo passo: a livello basso stabilisce l’azionamento a una fase alla volta se il comando viene dato quando il motore si trova in una posizione pari, l’azionamento a due fasi alla volta se in una posizione dispari. L’attivazione del pin RESET porta il motore nella posizione di partenza, ABCD=0101 in corrispondenza della quale l’uscita HOME va alta.


fig. 13 schema interno dell’L297 e pin-out Il pilotaggio è di tipo chopper e interessa i segnali di fase A,B,C,D, se l’ingresso CONTROL è alto, oppure i segnali INH1 e INH2 (ENA, ENB), se basso. Un oscillatore, comprendente una rete RC esterna, fornisce il segnale con cui vengono pilotati i due flip-flop del circuito di chopper, f = 1/0.69 RC. Quando una delle tensioni presenti sui pin SENSE, proporzionali alle correnti di carico, supera la tensione Vref, il comparatore corrispondente commuta stato e, attraverso il flip-flop, rende inattiva l’uscita di fase (fig. 15 e 16). La corrente di carico e quindi la tensione su SENSE allora calano, finché il fronte negativo dell’uscita dell’oscillatore interno riporta a livello attivo l’uscita di fase. Questa alternanza di chiusure e aperture consente alla corrente di mantenersi stabile intorno al suo valore nominale. Schema applicativo: Lo schema applicativo per il controllo di un motore passo-passo con corrente fino a 2A è illustrato in fig.14. Il controllore L297 è collegato con le sue uscite agli ingressi del doppio ponte L298, che pilota le due fasi del motore bipolare. Si notino i diodi di ricircolazione, indispensabili per proteggere le uscite dell’integrato L298 contro sovratensioni dovute all’interruzione della corrente induttiva (vedi dispensa sulle macchine cc). Anche il set di condensatori, ceramici ed elettrolitici, sulle alimentazioni del driver L298 serve allo scopo. Le due resistenze Rs1 e Rs2 trasferiscono ai due ingressi SENSE dell’L297 tensioni proporzionali alla corrente di carico. Nota la corrente nominale del motore, per la scelta del valore di Vref da applicare al pin 15 del controllore L297 occorre ricordare: Vref=Rs*ILnom.


fig.14 circuito applicativo con L297 e L298

fig. 15 effetto della retroazione (particolare della fig. 13)


Fig. 16 forme d’onda per l’effetto chopping


fig.17 forme d’onda di uscita dell’L297 nei tre tipi di azionamento di un motore passo.


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