Nel mondo dell’elettronica, i motori passo-passo rappresentano un elemento fondamentale per una vasta gamma di applicazioni. Questo articolo è progettato per fornire una guida esaustiva ai principianti che vogliono comprendere il funzionamento di un motore passo-passo e imparare come controllarlo in modo efficace.
Tipologie di Motori Passo-Passo
I motori passo-passo si dividono tradizionalmente in 3 grandi gruppi: i motori a magnete permanente, quelli a riluttanza variabile e i motori ibridi, che sono quelli attualmente più usati.
Motori Bipolari
Un motore passo-passo bipolare è composto da quattro fili e due bobine. Per farlo ruotare, è necessario far passare corrente attraverso le bobine. Ogni filo deve essere in grado di essere portato sia in stato alto che basso. Per comprendere il funzionamento, consideriamo un motore passo-passo semplice con solo quattro passi. Nella prima fase, allineerà il magnete con la prima bobina. Il passo successivo farà ruotare il magnete di 90 gradi. L’invio di corrente all’indietro attraverso la prima bobina inverte la polarità magnetica.
Naturalmente, la maggior parte dei motori passo-passo ha più di 4 passi. Un motore passo-passo standard avrà 200 passi per una rotazione completa. Questa modalità di rotazione è chiamata “full-stepping”. La “half-stepping” è abbastanza semplice una volta che hai il full-stepping funzionante. I driver per motori passo-passo possono anche utilizzare la “microstepping”, che modula la corrente attraverso le bobine. Un controller tipico può implementare 16 micro-passi per ogni passo completo.
Alcuni chip gestiscono la modulazione della corrente, ma quelli più datati devono essere “tarati” per il motore passo-passo che comandano. La “microstepping” suddivide ulteriormente i passi completi fino a 256 micro-passi, consentendo a un tipico motore da 200 passi di diventare un motore da 51.200 passi!
Leggi anche: Cosa Mangiare con le Emorroidi
Motori Unipolari
Un’altra classificazione dei motori stepper si basa sul tipo di avvolgimento del motore a due fasi. la principale differenza è che i motori unipolari funzionano con una polarità di corrente (tensione), mentre i motori bipolari funzionano con due polarità, il che significa che la direzione del flusso di corrente nelle bobine è variabile. Un’altra differenza consiste nel fatto che le bobine devono essere collegate per trasferire la potenza dalla fine di un rotolo all’inizio dell’altro. Questo metodo di connessione permette di usare una polarità di corrente (tensione).
Controllo della Corrente in una Bobina
La configurazione più comune per controllare la corrente negli avvolgimenti è utilizzare un circuito noto come “H-bridge”. Si tratta di un insieme di quattro transistor che possono portare ciascun filo sia in stato alto che basso. Puoi anche usare MOSFET al posto dei transistor, ma il cablaggio sarà leggermente diverso.
Questo diagramma mostra come puoi far passare corrente in entrambe le direzioni attraverso l’H-bridge. Devi assicurarti che non siano mai attivi contemporaneamente due transistor sullo stesso lato dell’H-bridge, poiché ciò creerebbe un cortocircuito nel tuo circuito. Inoltre, un motore in rotazione genera tensione, quindi è una buona idea aggiungere diodi di “flyback” per proteggere i transistor.
Infine, se la tensione di alimentazione del motore passo-passo è superiore alla tensione di uscita del tuo MCU, dovrai aggiungere un ulteriore transistor per controllare i transistor PNP. L’attivazione dei transistor NPN aggiuntivi consentirà al flusso di corrente di uscire dalla base del transistor PNP (pin 1), attivandolo.
Con questa configurazione dell’H-bridge, puoi controllare la corrente attraverso uno dei due avvolgimenti. Ora hai una panoramica completa dei componenti necessari per il tuo motore passo-passo. Puoi scegliere tra diverse opzioni, come l’uso di driver per motori passo-passo integrati o la costruzione di un H-bridge personalizzato. I driver solitamente utilizzano MOSFET e altre tecniche per il controllo della corrente.
Leggi anche: Gastrite: Cosa Non Mangiare
Microstepping
La “microstepping” coinvolge l’invio di un segnale a modulazione di larghezza dell’impulso (PWM) ai transistor. Questo è un modo efficace per controllare la corrente nella bobina del motore passo-passo. I valori PWM scelti in anticipo vengono inseriti in una tabella di lookup sinusoidale. Di solito si sceglie una frequenza PWM compresa tra 20 e 40 kHz. Frequenze inferiori a 20 kHz possono essere percepibili all’orecchio umano.
La frequenza viene mantenuta al di sotto dei 40 kHz per aumentare l’efficienza e ridurre la dissipazione di potenza nei transistor. Quando il segnale PWM è alto, la corrente passa attraverso i transistor. Quando il segnale PWM è basso, la corrente passa attraverso i diodi. Questa è una rappresentazione molto semplificata della “microstepping”, ma fornisce un’idea generale di come funziona.
I driver per motori che utilizzano i MOSFET possono controllare la velocità di diminuzione della corrente del motore o il decadimento. Tuttavia, è importante ottimizzare manualmente i periodi di decadimento veloce e lento per il motore che stai utilizzando.
Applicazioni Comuni dei Motori Passo-Passo
Questi motori hanno una ampia gamma di applicazioni in numerosi campi industriali e discipline. Gli usi più comuni sono i seguenti:
- Elaborazione dati
- Robotica
- Foto e videocamere
- Stampanti e scanner, incluse stampanti 3D
- Automazione di vari processi e macchinari per l’imballaggio
- Posizionamento di stadi delle valvole pilota nei sistemi di controllo dei fluidi
- Attrezzature di posizionamento di precisione
In questo paragrafo, andremo a dare uno sguardo ravvicinato ad alcune di queste applicazioni più comuni.
Leggi anche: Consigli Alimentari per l'Helicobacter
Motori passo passo per stampanti 3D
Le liste dei componenti più comuni delle stampanti 3D includono quasi sempre un motore passo passo di qualsiasi tipologia. Questo perché l’impiego di un motore passo passo in una stampante 3D è un modo estremamente accurato e economico per riuscire a eseguire azioni e rotazioni molto precise mentre la stampante è coinvolta nel processo di traduzione delle informazioni da scansioni digitali a oggetti fisici tridimensionali.
I motori passo passo e i rispettivi driver delle stampanti 3D permettono di eseguire piccoli movimenti estremamente controllati lungo gli assi X, Y e Z, separatamente o contemporaneamente. Questo comporta una estrema accuratezza dei movimenti e dei posizionamenti senza la necessità di ricorrere a encoder o altri software o sensori aggiuntivi.
La maggior parte delle stampanti 3D incorporano più di un motore passo passo: possono essere collocati sia nelle piattaforme di costruzione stesse che negli estrusori di filamenti, dove sono impiegati per aiutare a tirare il filamento e controllare la fornitura uniforme e costante di materiale alla macchina per tutta la durata del processo di stampa.
Motori passo passo per macchine a controllo numerico (CNC)
I motori passo-passo sono un'opzione alternativa ai servomotori per alimentare la maggior parte dei macchinari CNC. Le applicazioni CNC includono una vasta gamma di processi produttivi in cui il software pre-programmato controlla il funzionamento e il movimento fisico delle macchine utensili.
Mentre gli attuatori rotativi per macchine a controllo numerico sono spesso visti come l’alternativa più economica ai servomotori, si tratta di una eccessiva semplificazione che si basa sulla conoscenza delle tecnologie datate e non sempre si dimostra essere accurata oggi. Gli attuatori rotativi, infatti, sono indubbiamente più economici dei servomotori a parità di potenza, ma le versioni moderne tendono ad essere altrettanto versatili.
Di conseguenza, i motori passo-passo si trovano con più facilità e si trovano in una più ampia gamma di macchinari e sistemi, dalle macchine utensili ai computer desktop alle automobili. I motori stepper CNC hanno anche un vantaggio fondamentale rispetto ai servomotori in quanto non richiedono un encoder.
I servomotori sono intrinsecamente più complessi da comprendere e far funzionare rispetto alle versioni stepper, e parte di questa complessità è dovuta al fatto che includono un encoder, che risulta essere maggiormente incline ai guasti rispetto alla maggior parte delle componenti degli altrimenti affidabili servomotori. I motori elettrici a passi non necessitano di un encoder, cosa che conferisce loro, almeno teoricamente, un'affidabilità ancora maggiore rispetto ai servomotori.
Inoltre, il fatto che questi motori non abbiano spazzole (diversamente dai servomotori) li porta a non richiedere una sostituzione periodica, a condizione che i cuscinetti rimangano in buone condizioni.
Motori passo passo e Raspberry Pi
I motori passo-passo sono una periferica estremamente comune da aggiungere ai moduli di elaborazione a scheda singola Raspberry Pi per gli utenti appassionati che imparano i fondamenti di base di programmazione. I kit di partenza del Raspberry Pi sono tipicamente venduti in configurazioni decisamente spoglie, basate sull’idea che siano gli utenti stessi ad aggiungere qualsiasi componente addizionale al proprio sistema nell'ordine in cui si sceglie di impararli.
Nella comunità di utenti del Raspberry Pi, imparare a manipolare e controllare piccoli ed economici motori passo passo è comunemente visto come un passo logico successivo dopo aver imparato a controllare i cicli di accensione/spegnimento dei LED e altri semplici tipologie di interruttori o pulsanti. In effetti, andando a collegare in sequenza un paio di motori stepper, gli appassionati possono iniziare a creare un semplice robot programmabile.
Sul mercato italiano sono disponibili numerose tipologie di motori passo passo particolarmente indicati per questa precisa applicazione, a partire da versioni 5V estremamente economiche, che sono estremamente facili da gestire con le intestazioni della scheda madre del Raspberry Pi.
Motori passo passo per le fotocamere e videocamere
I motori passo passo sono ampiamente impiegati in una vasta gamma di applicazioni nelle tecnologie di fotocamere e videocamere di fascia alta. Sono impiegati sia per controllare gli interni ad elevata precisione, come le impostazioni di messa a fuoco automatica e apertura dell'obiettivo, sia gli involucri e le meccaniche esterne delle videocamere di sorveglianza e i sistemi di monitoraggio a distanza.
In particolare i motori passo passo e i cursori motorizzati delle videocamere permettono un funzionamento molto fluido degli impianti di posizionamento della telecamera. Ciò significa che le riprese degli apparecchi di sicurezza possono essere mantenute libere da distorsioni potenzialmente problematiche causate dal movimento fisico della telecamera attorno al suo campo visivo.
Comparazioni tra Motori Stepper
Esistono diverse tipologie di motori stepper, ognuna con caratteristiche specifiche. La tabella seguente riassume le principali differenze tra i motori a riluttanza variabile, a magnete permanente e ibridi:
| Caratteristica | Motore a Riluttanza Variabile (VR) | Motore a Magnete Permanente (PM) | Motore Ibrido (HB) |
|---|---|---|---|
| Costo | Medio | Relativamente economico | Relativamente costoso |
| Struttura di Progettazione | Semplice | Media | Relativamente complessa |
| Risoluzione | Angolo di passo: 1.8°, 0.9° o inferiore | Angolo di passo: 3°~30° | Angolo di passo: 1.8°, 0.9° o inferiore |
| Coppia | Nessuna significativa caduta di coppia ad alta velocità | Coppia elevata a bassa velocità, significativa caduta di coppia ad alta velocità | Coppia elevata a bassa velocità, significativa caduta di coppia ad alta velocità |
| Rumore | Più rumore | Meno rumore | Più rumore (migliore con suddivisione microstep) |
| Generazione di Calore | Aumento di temperatura elevato (necessità di dissipatore di calore) | Aumento di temperatura basso | Aumento di temperatura basso |
| Materiale del Rotore | Lamiera di acciaio al silicio (senza magneti permanenti) | Magneti in ferrite o neodimio-ferro-boro | Magneti in neodimio-ferro-boro |
| Coppia Magnetica | Genera solo coppia attrattiva | Sia coppia attrattiva che repulsiva durante il funzionamento | Sia coppia attrattiva che repulsiva durante il funzionamento |
tags: #alimentazione #motore #passo #passo #principi #funzionamento