Automazione: I motori Passo_Passo

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A cura di Davide Munaretto

 

I motori Passo_Passo 

Il motore passo-passo è in grado di erogare una coppia molto elevata a basso numero di giri ed è in grado di mantenere il carico fermo in posizione senza vibrazioni o pendolamento.

Queste caratteristiche lo rendono l’alternativa ottimale al classico gruppo motore+riduttore, con il vantaggio di migliorare il rendimento del sistema, eliminare i giochi meccanici, semplificare il montaggio ed abbattere i costi.

Le applicazioni che richiedono accelerazioni e frenate repentine traggono vantaggio dell’elevato rapporto coppia/inerzia del rotore.

La totale assenza di componenti delicati all’interno del motore (come resolver o encoder) o soggetti a rapida usura (ad esempio non esistono contatti striscianti) rende il motore passo-passo privo di manutenzione ed un’ottima scelta in tutte le applicazione ostili dove è richiesto un funzionamento continuo ed affidabile.

Esistono molte tipologie di motori passo-passo, quelli che tratteremo in queste pagine sono i motori passo-passo ibridi a magnete permanente, largamente i più impiegati nell’industria.

Essi sono composti da una parte esterna, detta statore (dove risiede l’avvolgimento), ed un rotore che per semplicità possiamo immaginare come un magnete permanente .

Il rotore è solidale con l’albero motore, che lo attraversa esattamente al centro.

Ai lati del rotore si trovano i cuscinetti, che hanno il compito di sorreggere l’albero ed il rotore permettendone la rotazione.

I due cuscinetti sono a loro volta alloggiati rispettivamente all’interno della flangia anteriore e posteriore del motore passo-passo.

Da questa prima descrizione si nota che non esistono contatti striscianti, come avviene invece nei motori CC, e questo conferisce al motore passo-passo un’elevata affidabilità e assenza di manutenzione.

Anche i motori brushless non hanno spazzole (e questo è uno dei motivi per cui stanno rimpiazzando sempre di più i motori a corrente continua) ma sono molto più costosi rispetto ai motori passo-passo.

Possiamo quindi pensare ai motori passo-passo come ad un motore brushless economico, in grado di funzionare senza feedback (senza encoder, dinamo tachimetrica o altro).

Una nota importante riguarda l’assemblaggio di questi particolari motori, che non devono più essere aperti estraendo il rotore, in quanto si avrebbe una riduzione permanentemente (circa il 50%) della coppia del motore.

Questo accade perché, come abbiamo visto nel capitolo precedente, il rotore è di fatto un magnete permanente con numerose espansioni polari.

Il processo di magnetizzazione avviene quando il motore è già assemblato, cioè con il rotore alloggiato all’interno dello statore.

In queste condizioni il flusso magnetico generato dal rotore si richiude attraverso il materiale ferromagnetico da cui è composto lo statore.

Se si estrae il rotore viene a mancare il circuito magnetico dato dallo statore ed il rotore si smagnetizza sensibilmente.

 

Condizioni di utilizzo

È molto importante comprendere qual è l’utilizzo ottimale di un motore passo-passo per evitare di impiegarlo in modo errato.

Per prima cosa possiamo dire che un motore passo-passo non è adatto per un uso continuativo ad alta velocità.
Nel caso in cui siano richieste velocità di rotazione continuative superiori a 2000 rpm (giri/minuto) è generalmente preferibile orientarsi verso tipologie diverse di motore.

Per contro i motori passo-passo offrono stabilità e coppie elevate a velocità molto basse e spesso è possibile impiegarli in presa diretta, senza l’ausilio di alcun riduttore meccanico.

Un secondo aspetto da tenere presente è che la coppia erogata dal motore passo-passo non è costante ma decresce all’aumentare della velocità.

L’andamento con cui la coppia decresce dipende dalle caratteristiche elettriche del motore e dalla tensione di alimentazione dell’azionamento.

Il grafico sottostante mostra l’andamento tipico della coppia di un motore passo-passo in funzione della velocità di rotazione.

Il grafico evidenza come a bassa velocità la coppia è praticamente costante, mentre man mano che la velocità aumenta la coppia erogabile dal motore passo-passo decresce.

Maggiore è la tensione di alimentazione dell’azionamento e migliore è l’erogazione di coppia del motore a velocità elevata (curva rossa), al contrario alimentando l’azionamento con una tensione inferiore la coppia del motore si esaurirà prematuramente (curva verde).

Si tenga inoltre presente che a parità di tensione di alimentazione dell’azionamento è possibile ottenere una diversa risposta del motore scegliendo un diverso avvolgimento interno.

Aumentando il numero di spire nello statore la corrente nominale del motore diminuisce e le prestazioni in velocità si riducono (curva verde).

Riducendo il numero di spire il motore necessita di maggiore corrente per erogare la coppia nominale, ma le prestazioni in velocità migliorano (curva rossa).

Questa è la ragione che spinge molti costruttori a mettere a catalogo lo stesso motore passo-passo (in termini di dimensioni meccaniche, costo e coppia erogata) ma con avvolgimenti diversi (riconoscibili dalla diversa corrente di fase nominale).

La ragione per cui non si realizza un solo motore con l’avvolgimento più performante è il costo dell’azionamento, che aumenta in modo proporzionale alla corrente erogata.

Per selezionare il motore ottimale per l’applicazione è innanzitutto necessario stabilire quale sia la coppia resistente generata dal carico alle diverse velocità e condizioni di utilizzo (caso peggiore).

La coppia resistente deve essere calcolata tenendo conto degli attriti statici e dinamici e dell’inerzia del sistema vista dal motore durante l’accelerazione e la decelerazione.

Una volta noto l’andamento della coppia resistente alle diverse velocità è sufficiente selezionare un motore con una curva di coppia superiore alla curva di coppia resistente del carico.

Per garantire affidabilità all’applicazione è buona norma selezionare un motore passo-passo con una coppia superiore almeno del 30% rispetto alla richiesta del carico.

Come ultima considerazione è importante non superare un rapporto d’inerzia tra carico e motore di 10:1 altrimenti possono verificarsi fenomeni di instabilità dovuti all’impossibilità, da parte del motore passo-passo, di gestire il carico.

 

Dati caratteristici

Ogni costruttore ha un suo modo di documentare le caratteristiche dei motori passo-passo, ma in tutti i fogli tecnici si incontrano i seguenti termini che è bene comprendere per utilizzare al meglio e nel modo appropriato il motore passo-passo.

NEMA, indica le dimensioni della flangia del motore.

I motori passo-passo ibridi a magnete permanente sono per la maggior parte prodotti in accordo alle flange definite dallo standard NEMA.

Le più diffuse in ambito industriale sono lo standard NEMA17 (42x42mm), NEMA23 (57x57mm), NEMA34 (86x86mm) e NEMA42 (108×108), mostrate nell’immagine sottostante.

Mantenendo la medesima flangia i produttori spesso offrono motori di differente lunghezza, che corrisponde ad una differente potenza.

In altre parole è spesso possibile aumentare o ridurre la potenza del motore semplicemente variando la lunghezza dello statore, senza la necessità di modificare il fissaggio meccanico.

Esistono anche altre dimensioni (ad esempio 60x60mm) ma sono poco diffuse e con scarsa disponibilità di modelli, pertanto è preferibile scegliere prodotti conformi agli standard più diffusi sopra enunciati.

 

Holding Torque (Coppia statica), è la coppia resistente massima offerta dal motore alimentato alla corrente nominale con rotore fermo detta anche coppia di tenuta

Si osservi che la corrente nominale è normalmente espressa in corrente efficace Arms.

Se si utilizza un azionamento con frazionamento del passo (ad esempio 1/8 di passo, 1/10 di passo, ecc.) è buona norma verificare che sia in grado di erogare il valore di corrente efficace richiesto dal motore, diversamente non otterrete dal motore la coppia indicata dal produttore.
Non è raro infatti trovare azionamenti caratterizzati in Ampere di picco o Ampere massimi (Apk, Amax, Ipk o Imax) che limitano le prestazioni del motore passo-passo.

Ciò è facilmente verificabile confrontando la curva di coppia del motore abbinato all’azionamento, con i dati presenti nel data sheet del produttore del motore.

Se la coppia statica (Holding Torque) riportata nel data sheet è maggiore dalla coppia iniziale del motore, come mostrato nell’immagine sottostante, significa che l’azionamento in questione non è in grado di erogare la corrente nominale richiesta dal motore con conseguente penalizzazione della prestazioni.

Tipicamente la coppia di un motore passo-passo è espressa in N-m (Newton-metro) oppure oz-in (Once-pollice).

Per convertire il valore da un’unità all’altra è sufficiente applicare le seguenti formule:

N-m = oz-in / 141.6

oz-in = N-m x 141.6

A parità di dimensione di flangia la coppia di un motore passo-passo può essere variata variando la lunghezza dello statore (chiamato anche stack).

È buona norma verificare che per la flangia scelta esistano modelli di motore con più e meno coppia rispetto alla scelta iniziale in modo da avere la possibilità di cambiare con facilità il motore senza dovere intervenire sui fissaggi meccanici.

 

Detent Torque (Coppia residua), è la coppia resistente che il motore offre quando non è alimentato.

Essa è prodotta dal magnete permanente contenuto nel rotore le cui linee di campo si richiudono attraversando lo statore (realizzato in materiale ferromagnetico) e si oppongono al movimento generando coppia resistente.

Normalmente la coppia residua non è molto elevata (circa 0,1Nm per un motore passo-passo NEMA34 di media lunghezza) ma spesso è sufficiente per tenere in posizione il carico anche in assenza di alimentazione.

Questo è uno dei vantaggi che hanno i motori passo-passo rispetto ad altre tipologie di motore.

Esiste una falsa credenza che suggerisce di cortocircuitare le fasi del motore per mantenere il carico in posizione quando il motore non è alimentato; non solo ciò non è vero, in quanto il carico si muove comunque (anche se più lentamente), ma questa pratica può danneggiare permanentemente il motore in quanto in caso di movimento forzato la corrente nella fasi, generata dalla forza controelettromotrice, è fuori controllo e può facilmente superare i valori massimi previsti dal costruttore.

È pertanto altamente sconsigliato cortocircuitare gli avvolgimenti del motore passo-passo.

 

Rated Current (Corrente nominale), indica il valore di corrente che genera la Holding Torque (vedi sopra).

Questo è il valore che normalmente deve essere impostato nell’azionamento.

Si faccia attenzione che purtroppo alcuni azionamenti non sono caratterizzati in corrente efficace (Irms o Arms) ma in corrente di picco o massima (Ipk, Imax o Apk, Amax).

In questo caso se si imposta sull’azionamento il medesimo valore di corrente dichiarato dal costruttore del motore in valore efficace, la coppia erogata a micro passo sarà inferiore.

La corrente sinusoidale di picco è infatti inferiore del 30% circa rispetto alla corrente efficace.

Con un azionamento che fornisce corrente in valore efficace (Irms o Arms) la copia erogata dal motore sarà sempre quella dichiarata dal costruttore e soprattutto costante indipendentemente dal frazionamento del passo scelto.

Il grafico sottostante mostra come varia la coppia di un motore con corrente nominale di 3 A quando è pilotato in micropasso da un azionamento tarato a 3 Apk (curva rossa) e da un secondo azionamento tarato invece a 3 Arms (curva blu).

A volte lo stesso motore (inteso come dimensioni meccaniche e coppia) è prodotto con diversi valori di corrente di fase nominale.

Questo è possibile perché il flusso magnetico prodotto dallo statore dipende sia dalla corrente che attraversa gli avvolgimenti che dal numero di spire di cui ogni avvolgimento è composto.

È evidente quindi che è possibile ottenere lo stesso flusso magnetico con una corrente inferiore a patto di aumentare il numero di spire nel motore e viceversa.

Ma allora perché non si realizzano avvolgimenti con un elevato numero di spire in modo da mantenere bassa la corrente ?

Oppure; che senso ha realizzare un motore che richiede una corrente superiore e che fornisce la medesima coppia statica di un motore con corrente inferiore ?

Queste domande trovano immediata risposta se si pensa che ad un maggior numero di spire corrisponde anche un’induttanza di fase maggiore ed una maggiore forza controelettromotrice.

Entrambe queste grandezze giocano a sfavore della coppia erogata dal motore man mano che la velocità aumenta.

Ne consegue che due motori con la medesima coppia statica e diverse correnti di fase avranno anche un diverso comportamento in velocità (curve di coppia diverse).

In particolare un avvolgimento con meno spire, e quindi corrente di fase elevata, permette al motore di mantenere maggiormente costante la coppia erogata a differenza di un avvolgimento con tante spire che causano al motore una riduzione repentina della coppia all’aumentare della velocità.

In conclusione possiamo affermare che per le applicazioni ad elevate velocità è preferibile scegliere avvolgimenti ad alta corrente, mentre se la velocità di utilizzo del motore è modesta si può fare uso di un motore con corrente di fase inferiore.

 

Phase Inductance (Induttanza di fase), è il valore di induttanza di ciascuna fase del motore.

Tipicamente l’induttanza di fase è espressa in mH (milli-Henry) e dipende dal numero di spire dello statore, dalla geometria dello stesso e dai materiali ferromagnetici impiegati.

L’induttanza di fase si oppone alla variazione di corrente che opera l’azionamento per ottenere la rotazione del motore ed è una delle cause che genera la riduzione della coppia erogata dal motore all’aumentare della velocità.

Possiamo quindi affermare che è preferibile utilizzare motori con un basso valore di induttanza.

Per i motori che consentono un collegamento parallelo o serie degli avvolgimenti si tenga presente che in quest’ultimo caso l’induttanza di fase aumenta di ben 4 volte.

Alcuni azionamenti funzionano in modo ottimale solo se l’induttanza del motore rientra in un particolare range di valori dichiarato dal costruttore dell’azionamento.

Normalmente questo range è indicato nel manuale tecnico del prodotto.

 

Phase Resistance (Resistenza di fase), è il valore di resistenza di ciascuna fase del motore.

La resistenza di fase di un motore passo-passo dipende principalmente dal numero di spire con cui è realizzato l’avvolgimento e dalla sezione del filo utilizzato.

La resistenza di fase non è un parametro fondamentale da considerare in quanto i moderni azionamenti che controllano la corrente di fase mediante tecnica chopper o similare sono in grado di compensare ampie differenze di resistenza.

In generale è comunque preferibile utilizzare motori con bassa resistenza di fase perché ciò riduce, a parità di corrente di fase, la potenza dissipata sul motore.

 

Rotor Inertia (Inerzia del rotore), indica l’inerzia del rotore del motore.

Questo dato è spesso trascurato, mentre riveste un’importanza fondamentale.

L’inerzia del rotore deve essere assolutamente considerata quando si sceglie un motore passo-passo perché ha impatto sulla stabilità dell’intero sistema.

Una buona regola, valida per i motori passo-passo da 200 passi/giro (1,8°), afferma che l’inerzia del rotore non deve essere mai inferiore ad un decimo dell’inerzia del carico vista dal motore, altrimenti il funzionamento può divenire instabile.
In altre parole deve essere sempre vero:

10 x Inerzia del rotore > Inerzia del carico

L’inerzia del rotore è normalmente espressa in g-cm2 (grammi-centimetro quadrato) oppure oz-in2 (Once-pollice quadrato).
Per convertire il valore da un’unità all’altra è sufficiente applicare le seguenti formule:

g-cm2= oz-in2 x 182.9

oz-in2= g-cm2 / 182.9

Step Angle – Angolo di passo

Indica lo spostamento angolare del rotore corrispondente all’esecuzione di un passo intero.

Normalmente questo valore è di 1,8° (motori da 200 passi/giro) ma esistono anche motori con angoli di passo diversi.

La tabella sottostante mostra le divisioni più comuni con i corrispondenti angoli.

 

Numero di divisioni del giro Angolo del passo intero
48 7,5°
100 3,6°
200 (più comune) 1,8°
400 0,9°

 

I motori passo-passo possono eseguire posizionamenti con risoluzione superiore a quella del passo intero quando sono abbinati ad azionamenti capaci di frazionare elettronicamente il passo meccanico del motore.

In commercio esistono azionamenti in grado di dividere il passo interno in 2, 4, 5 o più parti.

Gli azionamenti più evoluti sono in grado di dividere in 128 parti il passo intero raggiungendo la notevole risoluzione di 25.600 micropassi per giro.

Questa tecnica è indicata con il nome di pilotaggio a micropasso (microstepping).

Le posizioni intermedie tra un passo intero e l’altro sono ottenute modulando opportunamente la corrente di fase (solitamente con andamento sinusoidale).

Quando si fa uso di questa tecnologia è molto importante assicurarsi che il valore efficace della corrente resti invariato tra un micro passo ed il successivo, diversamente la coppia erogata dal motore non sarà costante.

Questa informazione è solitamente riportata nel manuale d’uso dell’azionamento o in alternativa potete chiederla al produttore dello stesso.

 

Step Angle Accuracy (Accuratezza dell’angolo di passo), indica la differenza massima tra la posizione meccanica del rotore e la posizione elettrica (posizione comandata).

È un valore, normalmente espresso in gradi o percentuale dell’angolo di passo, che indica l’errore massimo di posizionamento che il rotore può compiere nell’esecuzione di un passo intero.

Il dato è valido in assenza di carico applicato al motore (la presenza del carico può aumentare considerevolmente l’errore).

Normalmente un buon motore passo-passo offre una precisione migliore del 5% dell’angolo di passo intero, che significa che un motore da 200 passi/giro ha un errore di posizionamento inferiore a 0,09° ((360/200)*5/100 ).

È importante notare che l’errore del motore è indipendente dalla risoluzione utilizzata sull’azionamento.

Essendo l’errore una percentuale dell’angolo di passo intero è possibile diminuirlo solo aumentando il numero di divisioni a giro.

Se ad esempio usiamo un motore da 400 passi/giro, con una precisione dell’angolo di passo del 5% potremo apprezzare fino a 0,045°.

Si osservi infine che l’errore non è cumulativo ma si annulla ad ogni passo. In pratica l’errore indicato è il massimo errore che ci si può aspettare dopo un passo intero, dopo l’esecuzione di un quarto di giro, due giri o mille giri.

 

Max temperature (Temperatura massima), è la massima temperatura a cui il motore può funzionare.

Normalmente la temperatura massima di esercizio di un motore passo-passo è compresa tra 70°C e 100°C.

Alcuni produttori esprimono la temperatura in °F (gradi Fahrenheit) anziché in °C (gradi Celsius).

Di seguito sono riportate le formule utili per convertire la temperatura da un’unità di misura all’altra.

°C = (°F − 32) × 5⁄9

°F = °C × 9⁄5 + 32

Se nella vostra applicazione il motore passo-passo vi sembra eccessivamente caldo, per prima cosa verificate che ci sia un buon accoppiamento termico tra la flangia del motore e la struttura metallica di sostegno; è infatti la struttura che ha il compito di smaltire il calore generato dal motore.

Il montaggio del motore passo-passo su distanziali o su supporti termicamente isolati è altamente sconsigliato.

I costruttori normalmente caratterizzano i motori passo-passo montandoli su una piastra di superficie infinita (cioè molto grande) ed è pertanto normale che un motore in aria (non fissato sulla struttura) superi la massima temperatura ammessa, anche se alimentato alla corrente nominale indicata dal costruttore.

Il riscaldamento del motore dipende, oltre dalla corrente con cui è alimentato (riducendo la corrente la temperatura si riduce), dalla velocità di rotazione; maggiore è la velocità di rotazione e maggiore è il riscaldamento del motore.

Il carico applicato ha invece una minima influenza sul riscaldamento. In altre parole il motore a vuoto scalda pressappoco quanto il motore a pieno carico.

Questo non deve sorprendere perché abbiamo visto nelle pagine precedenti che i motori passo-passo sono attuatori a corrente impressa che viene applicata al motore indipendente dal carico.

Se malgrado un corretto montaggio la temperatura del motore passo-passo resta elevata potete ricorrere ad una ventilazione forzata o all’applicazione di un dissipatore di calore.

Si rammenti infine che anche in assenza di rotazione il motore è percorso da corrente.

Se a motore fermo non è richiesta coppia di mantenimento è possibile agire sull’azionamento di controllo per ridurre la corrente applicata ed ottenere così una riduzione del calore generato dal motore passo-passo.

 

Axial Load (Carico assiale), è il massimo carico che è possibile applicare in direzione assiale all’albero del motore.

Radial Load (Carico radiale), è il massimo carico che è possibile applicare in direzione radiale all’albero del motore.

Il superamento dei valori indicati dal costruttore, anche se apparentemente sembra non danneggiare il motore, provoca un’usura prematura dei cuscinetti, con conseguente formazione di gioco meccanico e blocco del rotore.

Il carico radiale deve essere applicato il più possibile vicino alla flangia del motore per minimizzare la flessione dell’albero.

Il data sheet del motore oltre a riportare il valore della forza, solitamente espresso in N, indica anche il punto dove tale valore è tollerato.

Se ad esempio il costruttore del motore indica un carico massimo radiale di 10N a 20mm dalla flangia significa che non potremo gravare con più di 1Kg circa l’albero del motore passo-passo nel punto che dista 20mm dalla flangia.

Se il punto di applicazione della forza è più lontano dalla flangia il massimo carico tollerato si ridurrà, mentre avvicinandosi ad essa sarà possibile applicare un carico radiale maggiore.

Un accoppiamento rigido del motore con il carico non perfettamente in asse può generare forze radiali di valore molto alto.

Per questo motivo è sempre preferibile utilizzare un giunto elastico, in grado di compensare piccoli disassamenti tra l’albero ed il carico.

Il carico assiale deve rimanere rigorosamente all’interno della specifica del costruttore in quanto in un motore passo-passo standard i cuscinetti interni non sono di tipo reggispinta ed una forza assiale continua li danneggia in breve tempo.

All’interno del motore passo-passo è presente una molla di precarica (solitamente alloggiata nella flangia posteriore) che annulla il gioco assiale del rotore mantenendolo sempre a contatto con la flangia (solitamente la flangia anteriore).

Se il carico applicato assialmente all’albero è in direzione opposta alla forza esercitata dalla molla di precarica, e di intensità superiore, il rotore e l’albero arretreranno all’interno del motore, con un gioco meccanico anche di alcuni mm.

 

Cos’è la coppia ?

Semplificando molto possiamo dire che la coppia è un modo per esprimere la forza esercitata da qualcosa che gira.

In particolare la coppia indica la forza esercitata ortogonalmente ad una ben precisa distanza dal fulcro di rotazione.

Se ad esempio un motore sviluppa una coppia di 1,6 Nm (Newton metro) significa che a 1 m centro dell’asse del motore è disponibile una forza ortogonale di 1,6 N.

Se poi vogliamo ragionare in termini di peso sollevabile è sufficiente dividere la forza (espressa in Nm) per 9,8.
In conclusione possiamo affermare che un motore in grado di sviluppare una coppia di 1,6 Nm è in grado di sollevare un peso di 163 gr (1,6 / 9,8) appeso ortogonalmente all’estremità di un’asta che misura 1m dal centro di rotazione del motore.

Se la distanza dal centro di rotazione aumenta il peso sollevabile si riduce mentre se la distanza dal centro di rotazione diminuisce il motore sarà in grado di sollevare un peso maggiore.

Ad esempio a 10 mm dal centro di rotazione il motore da 1,6 Nm dell’esempio precedente è in grado di sollevare ben 16,3 Kg.

Alcuni produttori specificano la coppia dei motori passo-passo in oz-in (Once-pollice) anziché N-m (Newton-metro).

Per convertire il valore da un’unità all’altra è sufficiente applicare le seguenti formule:

N-m = oz-in / 141.6

oz-in = N-m x 141.6

 

Cos’è la curva di coppia di un motore passo-passo ?

La curva di coppia di un motore passo-passo mostra il valore di coppia che il motore è in grado di erogare ad una determinata velocità.

La coppia erogata infatti non è costante ma decresce man mano che la velocità aumenta.

L’andamento della curva è influenzato sia dai parametri elettrici del motore passo-passo, ed in particolare dalla forza controelettromotrice e dall’induttanza di fase, sia dalla tensione di alimentazione dell’azionamento.

L’induttanza di fase si oppone alla variazione di corrente nelle fasi del motore operata dall’azionamento, pertanto minore è il valore dell’induttanza del motore e più rapido è il raggiungimento del set-point di corrente comandato dall’azionamento. In altre parole minore è l’induttanza del motore e migliore è la curva di coppia.

La forza controelettromotrice generata dal motore durante la rotazione si sottrae alla tensione che l’azionamento applica alla fasi del motore per raggiungere il set-point di corrente e pertanto tanto maggiore sarà la forza controelettromotrice del motore e tanto minore sarà la differenza di potenziale che l’azionamento ha a disposizione per controllare la corrente di fase.

In altre parole minore è la forza controelettromotrice del motore e migliore è la curva di coppia.

Da quanto appena detto si intuisce che maggiore è la tensione di alimentazione dell’azionamento e maggiore è la differenza di potenziale che l’azionamento può applicare alle fasi del motore per regolare la corrente.

Ciò significa che maggiore è la tensione di alimentazione dell’azionamento e migliore sarà la curva di coppia del motore.

Il grafico sottostante evidenzia l’impatto che ha la tensione di alimentazione dell’azionamento sul motore.

La curva rossa è ottenuta alimentando l’azionamento alla massima tensione, la curva blu ad un valore intermedio mentre la curva verde corrisponde all’alimentazione minima dell’azionamento.

Osservando il grafico si nota come le tre curve coincidano nel tratto iniziale indicando che a bassi regimi la tensione di alimentazione dell’azionamento è poco influente ai fini della coppia erogata, mentre è indispensabile una tensione di alimentazione elevata per ottenere una coppia significativa a velocità sostenute.

 

Cos’è la perdita di passo ?

Per perdita di passo si intende il mancato raggiungimento della posizione comandata che può avvenire per arresto totale del motore o per una discontinuità temporanea di rotazione.

La perdita di passo si verifica quando il rotore non segue il campo magnetico rotante generato dallo statore.

Ciò accade se il carico applicato supera la coppia istantanea che il motore passo-passo è in grado di erogare.

In questa condizione il carico prende il sopravvento ed impedisce al rotore di seguite il campo magnetico rotante.

Durante la rotazione a velocità costante il motore deve vincere i soli attriti mentre quando è in atto una variazione di velocità si aggiungono le forze dovute all’inerzia del sistema.

Tali forze sono proporzionali ai tempi di accelerazione e decelerazione quindi in caso di perdita di passo si può tentare di agire sulle rampe, rilassandole, per ripristinare il corretto funzionamento del sistema.

Quando il motore è gestito senza rampe non è possibile raggiungere velocità elevate perché superata una certa velocità, che dipende dall’inerzia del rotore e del carico applicato, oltre che dalla coppia erogata, il rotore non riesce ad “agganciarsi” al campo magnetico rotante.

L’utilizzo del motore passo-passo senza rampe è pertanto sconsigliato.

Un ulteriore problema che può portare alla perdita di passo è l’attraversamento di punti di risonanza, cioè di velocità che innescano la risonanza del motore passo-passo.

Questo fenomeno, anche se presente in ogni tipologia di motore, è particolarmente accentuato nei motori passo-passo per la loro naturale predisposizione a muoversi in modo intermittente.

Quando il motore entra in risonanza la coppia collassa con conseguente perdita di passo.

In presenza di risonanze è addirittura possibile vedere ruotare l’albero al contrario.

Il carico agisce tipicamente come uno smorzatore (dumper) quindi eventuali risonanze del motore a vuoto spesso scompaiono quando il motore passo-passo è accoppiato al carico.

Una via per ridurre i fenomeni di risonanza consiste nell’utilizzo di azionamenti microstepping in grado di dividere il passo intero in 1/128 parti al fine di ottenere una rotazione fluida del motore.