Motore Passo Passo

Introduzione

Prima d’iniziare ad usare il motore passo passo e scrivere il driver per il microcontrollore, ritengo  utile  dedicare un articolo introduttivo sul suo principio di funzionamento,  chiari i concetti, esposti di seguito, e sarà più semplice l’implementazione software.

Un motore passo passo è in grado di eseguire  movimenti a passi discreti, per questo motivo è anche definito motore digitale, dove l’ampiezza di ogni passo è funzione del modello.

In Figura 1 il motore ha un passo con risoluzione di 90°, questo significa che il rotore compie un giro completo dopo quattro passi.

Il rotore, del motore rappresentato nella Figura 1, e’ stato realizzato con un magnete permanente e vedremo successivamente quali sono le grandezze fisiche che intervengono per la rotazione del rotore.

Il motore passo passo con il rotore a magnete permanente e’ una delle tre tipologie di motore che analizzeremo in seguito.

Le caratteristiche principali che distinguo un motore passo passo sono: la risoluzione e la coppia.

Se si richiede precisione nella posizione del rotore, è ovvio che la risoluzione è uno dei parametri più importanti nella selezione del modello, infatti, la risoluzione indica: l’angolo minimo di rotazione o il numero dei passi che può  eseguire il motore per effettuare un giro completo.

La risoluzione di un motore passo passo può essere anche inferiore ad 1° con un errore di posizionamento massimo di  0,045°.

In alcuni sistemi, il motore passo passo non è  retro azionato, esso ha una precisone intrinseca legata al suo principio di funzionamento, è sufficiente mantenere in memoria il numero di passi che ha eseguito il rotore, e in funzione della risoluzione si ottiene l’angolo di rotazione.

Questo non significa che un sistema di feedback in assoluto non debba essere usato, per esempio, in particolari applicazioni dove anche il minimo errore (per esempio un comando non attuato) sulla posizione del rotore può provocare gravi errori del sistema.

Il motore passo passo è stato largamente usato per applicazioni dove è  fondamentale il posizionamento di parti meccaniche, dove si richiede estrema precisone e costi contenuti, per esempio, stampanti, movimentazione di bracci automatici e  nei sistemi controllo automatico.

Questo tipo di motore mantiene la sua posizione fino a quando è alimentato, ha una coppia più elevata a bassi giri al minuto e  assenza di frenatura meccanica diversamente da un motore DC.

Si possono distinguere tre tipologie di motori passo passo:

• A magnete permanente
• A riluttanza variabile
• Ibrido

Flusso Magnetico

Se forniamo alimentazione ad una bobina, essa genera un campo magnetico, simile a quello dei magneti permanenti, alle due estremità della bobina si formano due poli (nord e sud ) funzione della direzione di percorrenza della corrente e del verso di avvolgimento delle bobine.

Con la regola della mano destra, possiamo stabile la direzione e il verso del campo magnetico e quindi le sue polarità.

La bobina è avvolta su un supporto ferromagnetico, per ridurre al minimo le dispersioni del campo magnetico e convogliarlo in una particolare direzione, come nella Figura 2.

Dato che il flusso magnetico cerca il percorso con minore riluttanza, i poli del rotore magnetico si allineano con quelli prodotti dalla bobina.

In altre parole, il polo nord attira il polo sud e viceversa, queste forze d’attrazione provocano la rotazione del rotore, vedi Figura 3.

Motore passo passo con rotore a magneti permanenti   

L’albero del motore e’ solidale ad un magnete permanete e sullo statore ci sono 4 bobine collegate in serie a coppie, A, A’, B e B’, (Vedi Figura 4), esso ha due fasi, una per ogni coppia di bobina.

Se alimentiamo le bobine B e B’, esse generano un campo magnetico con una determinata polarita’, vedi Figura 5.

Il rotore ruoterà per attrazione dei poli con polarità differente, come descritto in precedenza.

Proseguiamo ed alimentiamo le bobine A e A’ (Figura 6) e il rotore ruoterà di altri 90°.

Se applichiamo una sequenza d’impulsi, sulle due fasi con un opportuno timing il motore ruotera’ in una determinata direzione.

Per bloccare il rotore in una particolare posizione è necessario mantenere la tensione applicata alla fase. 

Se volessimo aumentare la risoluzione dobbiamo aumentare fasi, nella Figura 7 è rappresentato un motore con 4 fasi, in questo modo il rotore può eseguire passi di 45°.

Riluttanza variabile

A differenza del motore descritto nel paragrafo precedente, in questo caso il rotore e’ realizzato con materiale ferromagnetico, molto permeabile, cioe’ il campo magnetico riesce a magnetizzare questo materiale che a sua volta diventa un magnete.

Le sporgenze del rotore, anche definiti “denti”, hanno un offset rispetto alla posizione delle fasi (vedi Figura 8):

La risoluzione del motore e’ determinata dal numero di “denti” del rotore.

Se alimentiamo una fase, essa genera un campo magnetico che si accoppia con lo statore, che a sua volta si magnetizza con polarità opposta al campo magnetico indotto.

Sempre per lo stesso principio fisico, il sistema tende a minimizzare la riluttanza e il rotore ruoterà  di un angolo pari all’offset  dei “denti”.

E’ evidente che, maggiore è il numero di “denti” e’ maggiore è la risoluzione del motore.

Invece, se alimentiamo la fase B e B’ il motore ruota di nuovo di 30° in questo modo si procede per ottenere rotazioni continue.

Motore ibrido

Il motore ibrido ha caratteristiche simili ai motore a magneti permanenti e a riluttanza variabile.

Lo statore e il rotore hanno dei “denti”, opportunamente sfasati tra di loro,  in più,  esso è formato da due magneti polarizzati trasversalmente.

Come possiamo osservare dalla Figura 12, i denti  dei due magneti, con polarità inversa,  sono traslati di un passo.  

Il motore passo passo  può essere pilotato con le seguenti modalità:

• Full-Step
• Half-Step
• Micro-Step

Full-Step

Supponiamo che il motore possa eseguire solo quattro passi per angolo giro, l’angolo di rotazione di un passo è dato dal seguente rapporto:

Ogni impulso di tensione applicato ad una fase, causerà la rotazione di un passo del rotore di un angolo di 90°.

Nella Figura 13 è riportata la rappresentazione della rotazione del motore in funzione della polarità della fase alimentata, bisogna osservare che, il verso della corrente che circola nelle fasi, per alcune posizioni, deve essere invertito, per questo motivo per pilotare un motore passo passo bisogna utilizzare anche un Ponte ad H.

Per far ruotare il rotore di due passi, la  corrente che scorre nelle due fasi, in modulo, devono essere identici ma shiftate di 90° ( vedi Figura 14). 

Half-Step

Per eseguire un half-step (mezzo passo), le due fasi devono essere alimentate contemporaneamente (supposto che il motore ne abbia solo due), in questo modo la forza risultante sui “denti” del rotore è la combinazione delle forze generate dai campi magnetici delle due fasi (Vedi Figura 15)

Con la combinazione seguente: BB’→BB’& A’A→A’A→B’B & A’A→B’B→B’B & AA’→AA’→ AA’& BB’ si ottiene una rotazione del motore ad half step, mentre in Figura 15 è rappresentato il timing della corrente nelle due fasi, che ha le caratteristiche di una sinusoide.

Micro-Step

In Figura 17, sono rappresentate le forze risultanti, prodotte dal campo magnetico delle fasi sul rotore, in funzione della risoluzione con cui è pilotato il motore.

Mentre la corrente che scorre nelle fasi per eseguire dei micro passi, ha il timing indicato nella Figura 18:

Quando il motore esegue dei micro passi ,oltre al vantaggio di ottenere una risoluzione maggiore, esso riduce in modo significativo le sue vibrazioni durate il movimento.

Come la maggior parte dei sistemi, i vantaggi introdotti da una particolare configurazione, possono avere degli svantaggi su altre caratteristiche.

Di seguito sono elencate i principali svantaggi che si ottengono pilotando un motore passo passo facendogli eseguire dei micro passi:

• Il motore ruota con una velocità inferiore, perché se la frequenza di commutazione è troppo elevata, la corrente nelle fasi, che generano il campo magnetico, potrebbero non essere sufficientemente intese per generare le forze di attrazione del rotore, a causa del transitorio, legate all’inerzia delle commutazioni di corrente introdotte dalle bobine delle fasi.

•  L’accuratezza dell’angolo di rotazione è inferiore rispetto al singolo passo.

E’ ovvio che pilotare un motore a micro passi richiede una maggiore complessità sia software che hardware, ma esistono in commercio circuiti integrati, come A4988, che semplificano notevolmente l’implementazione del driver.

Lo schema a blocchi del circuito integrato A4988 è in Figura 19 e vederemo in un successivo articolo come pilotarlo.