Quanto è davvero accurato il microstepping?

I motori passo-passo dividono una rotazione completa in centinaia di passi discreti, il che li rende ideali per controllare con precisione i movimenti, sia nelle automobili, nei robot, nelle stampanti 3D o nelle macchine CNC. La maggior parte dei motori passo-passo che incontrerai nei progetti fai-da-te, nelle stampanti 3D e nelle piccole macchine CNC sono motori passo-passo ibridi bipolari a 2 fasi, con 200 o, nella variante ad alta risoluzione, con 400 passi per giro. Ciò si traduce in un angolo di passo di 1,8°, rispettivamente 0,9°.

In un certo senso, i passi sono i pixel del movimento e, spesso, la risoluzione fisica data non è sufficiente. La commutazione forzata delle bobine di un motore passo-passo in modalità passo intero (wave-drive) fa sì che il motore salti da una posizione di passo a quella successiva, provocando superamento, ondulazione di coppia e vibrazioni. Inoltre, vogliamo aumentare la risoluzione di un motore passo-passo per un posizionamento più accurato. I moderni driver per motori passo-passo sono dotati di microstepping, una tecnica di guida che comprime un numero arbitrario di micropassi in ogni singolo passo completo di un motore passo-passo, riducendo notevolmente le vibrazioni e (presumibilmente) aumentando la risoluzione e la precisione del motore passo-passo.

Da un lato, i micropassi sono realmente dei passi che un motore passo-passo può eseguire fisicamente, anche sotto carico. D'altra parte, di solito non aumentano la precisione di posizionamento del motore passo-passo. Il microstepping è destinato a causare confusione. Questo articolo è dedicato a chiarire un po' la questione e, poiché è una questione che dipende molto dal driver, confronterò anche le capacità di microstepping dei driver per motori A4988, DRV8825 e TB6560AHQ comunemente usati.

In un motore passo-passo ibrido, un driver del motore abilitato al microstepping regolerà la corrente nelle bobine dello statore per posizionare il rotore a magnete permanente in una posizione intermedia tra due successivi passi completi. Un passo intero viene quindi diviso in un numero di micropassi e ogni micropasso è ottenuto dalle due correnti della bobina.

Molti vecchi driver di motori industriali presentano solo 4 micropassi (modalità quarto di passo), ma oggi si trovano comunemente 16, 32 e persino 256 micropassi per passo intero. Se prima avevamo un motore passo-passo da 200 passi per giro, ora abbiamo un miracolo da 51.200 passi per giro. In teoria.

In pratica si tratta ancora di driver ad anello aperto, il che significa che il driver del motore non conosce l'esatta posizione angolare dell'albero motore e non corregge le deviazioni. L'attrito, la coppia di arresto del motore e, cosa più sorprendente, il carico esterno che agisce sul rotore passeranno inosservati al conducente. Senza chiudere il circuito attraverso un codificatore e un driver speciale più sofisticato, il massimo che possiamo supporre è che il motore si troverà da qualche parte ± 2 passi completi (sì, proprio male) vicino alla sua posizione target, che è la deflessione massima prima del rotore. scatta nella posizione sbagliata del passo completo, causando una perdita di passo.

La coppia incrementale da un micro passo all'altro è, governata da una trigonometria spietata, solo una frazione della coppia dinamica del motore. Per garantire che l'albero motore si fissi effettivamente entro +/- 1 microstep, dobbiamo anche ridurre di conseguenza il carico. Il superamento di questa coppia incrementale minore non comporterà una perdita di passi, ma causerà lo stesso errore di posizionamento assoluto fino a ± 2 passi completi. La tabella seguente mostra la relazione devastante.

Fonte: Nota tecnica del motore passo-passo: Miti e realtà del microstepping di Micromo

La buona notizia è che finché utilizziamo un driver del motore sufficientemente potente e se non superiamo la coppia incrementale, sia attraverso un carico esterno che attraverso l'inerzia interna del motore, l'unico limite teorico per ottenere la precisione di posizionamento del micropasso è l'attrito interno del motore e la coppia di arresto. Questi valori dipendono fortemente dal tipo di motore, ma sono generalmente valori piuttosto bassi (quasi trascurabili). Ad esempio, il motore utilizzato nel seguente test è dotato di una coppia di arresto di 200 g cm. Questo è solo il 5% della coppia di tenuta di 4000 g/cm. Secondo la tabella sopra, questo motore dovrebbe essere in grado di effettuare un posizionamento accurato con 16 micropassi per driver a passo intero.