Capire il tiro

Valentin Raschke | 13 settembre 2022

Quando è il momento di specificare un motore ad alte prestazioni che offra sia un posizionamento preciso che un'efficienza in termini di costi, i motori passo-passo offrono molti vantaggi rispetto ai motori CC grazie alla loro tecnologia brushless. Sebbene la scelta di un motore passo-passo richieda molte considerazioni, i progettisti dovrebbero comprendere e tenere conto delle curve di coppia pull-out e pull-in, che descrivono le caratteristiche di velocità e coppia del motore quando viene azionato. Questo articolo fornirà una panoramica dei concetti di coppia di pull-out e pull-in da considerare quando si implementano motori passo-passo con un sistema di movimento.

La Figura 1 seguente mostra la coppia prodotta da un motore DC brushless trifase (BLDC) con commutazione a sei fasi. I sensori Hall sono integrati nel motore per tracciare la posizione del rotore. Questa informazione permette la commutazione delle tre fasi al momento giusto per mantenere un angolo di 90°± 30° tra il campo magnetico del rotore e dello statore. C'è una piccola ondulazione di corrente, ma la coppia sviluppata dal motore è relativamente stabile e in qualche modo dipendente dalla posizione del rotore. Un encoder ad alta risoluzione può fornire un feedback più preciso sulla posizione del rotore e ridurre l'ondulazione della coppia quasi a zero.

Figura 1. Fase e coppia motore di un motore BLDC.

La Figura 2 di seguito mostra una versione semplice di un motore passo-passo: un magnete con una coppia di poli che funge da rotore e due fasi separate situate nello statore. Questo design fornisce quattro passaggi completi su un giro meccanico. Le curve di coppia risultanti che indicano una corrente continua applicata a ciascuna fase sono mostrate nella Figura 3, rappresentate da grafici blu e arancioni. Se il motore viene azionato a pieno regime abilitando solo una singola fase alla volta, verrà applicata una corrente nel seguente ordine: A, B, -A e -B.

Figura 2. Un motore passo-passo con una coppia di poli.

I grafici verdi sottostanti nelle Figure 3a e 3b illustrano la coppia risultante sull'albero motore. A differenza di un motore BLDC, la coppia motore di un motore passo-passo dipenderà in modo significativo dalla posizione del rotore. Per ottenere un design semplice ed efficiente in termini di costi, il motore passo-passo viene generalmente azionato in modalità ad anello aperto senza feedback della posizione del rotore. La commutazione avviene quindi con un segnale esterno, in passi al secondo, senza una posizione attuale del rotore stabilita. Una commutazione “ideale” consentirebbe la corrente nella fase quando il rotore è posizionato esattamente tra due fasi. Tuttavia, in un anello aperto, senza feedback sulla posizione del rotore, il rotore potrebbe non essere sempre nella posizione ideale. Nel dimensionare un motore passo-passo, il progettista deve tenere conto di questa incertezza applicando un fattore di sicurezza sulla coppia di spunto.

Figura 3a. Una commutazione “ideale” di un motore passo-passo bifase.

Figura 3b. Commutazione realistica di un motore passo-passo bifase, in anello aperto.

Per comprendere meglio come viene definita la coppia massima di estrazione, è importante esaminare come viene misurata. Tipicamente, la coppia di estrazione viene misurata nelle seguenti condizioni:

La Figura 4 di seguito mostra la configurazione di misurazione per la coppia di estrazione. Il motore sarà collegato a un driver, che definisce la direzione di rotazione e la velocità del motore tramite un segnale a impulsi. L'albero del motore è collegato a un sistema frenante variabile, come un freno a correnti parassite, che consente di applicare un carico variabile al motore.

Figura 4. Impostazione per la misurazione della coppia di estrazione.

La misurazione viene eseguita come segue:

Figura 5. Un esempio di curva di coppia di estrazione.

I valori di carico massimo per ciascuna velocità misurata durante la fase 3 rappresentano la curva di coppia di estrazione del motore, come mostrato sopra nella Figura 5. A causa della risonanza, alcune velocità possono causare un comportamento irregolare del motore e dovrebbero essere evitate. Questa condizione può essere rappresentata nel diagramma della coppia di estrazione.

In pratica, la coppia di estrazione viene utilizzata per definire un intervallo di coppia e velocità per azionare in sicurezza i motori ad anello aperto. Per la coppia di carico massima, viene considerato un fattore di sicurezza tipicamente del 30% (rappresentato nelle Figure 6a e 6b dalla linea blu tratteggiata), rispetto alla coppia di estrazione massima disponibile (rappresentata di seguito nelle Figure 6a e 6b dalla linea continua linea blu).