Azionamenti bipolari e unipolari per motori passo-passo: un confronto

Un motore passo-passo è un tipo di motore CC senza spazzole composto da bobine collegate chiamate "fasi". Questi dispositivi elettromeccanici vengono generalmente pilotati in anello aperto senza sensore di retroazione, con corrente applicata sulle fasi senza conoscere la posizione del rotore. Il rotore si allinea grazie al flusso magnetico dello statore, generato dalla corrente che scorre nelle fasi. Ad ogni impulso la corrente può essere fornita alla fase successiva, consentendo movimenti rotazionali incrementali, o passi.

Esistono due metodi per fornire corrente alle bobine: bipolare e unipolare. Questo articolo spiegherà le differenze tra motori bipolari e unipolari, i loro metodi di guida, vantaggi e limiti.

La Figura 1 mostra un motore passo-passo a magnete permanente a quattro fasi. Il rotore è realizzato con un magnete a coppia polare e lo statore è costituito da due fasi: Fase A e Fase B. Nel metodo unipolare, la corrente scorre sempre nella stessa direzione. Ciascuna bobina è dedicata a una direzione della corrente, quindi viene alimentata la bobina A+ o A-; le bobine A+ o A- non vengono mai alimentate insieme. Nel metodo bipolare la corrente può circolare in entrambe le direzioni in tutte le bobine. Le fasi A+ e A- vengono alimentate insieme. Un motore bipolare richiede almeno una bobina per fase e un motore unipolare richiede almeno due bobine per fase. Ecco uno sguardo dettagliato a entrambe le opzioni:

Nella configurazione unipolare, ciascuna fase del motore è composta da due avvolgimenti della bobina. Con un motore bifase composto dalle fasi A e B, il motore ha quattro avvolgimenti della bobina, come mostrato nella Figura 2.

La fase A è composta da A+, A-

La fase B è composta da B+, B-

La corrente in ciascuna bobina può fluire solo in un'unica direzione, rendendola unipolare. Nell'azionamento in tensione, il sistema di controllo è semplice, con un solo interruttore, o transistor, per bobina. Quando il transistor è chiuso, la bobina è alimentata. Per commutare il motore, i transistor vengono alternativamente chiusi e aperti.

Nella Figura 3, i transistor Q1 e Q2 non possono essere chiusi contemporaneamente. Per alimentare la Fase A, è necessario chiudere il transistor Q1 o Q2, a seconda della direzione in cui è necessaria la corrente. Con il controllo unipolare viene alimentata solo metà della fase alla volta, quindi la corrente utilizza solo metà del volume di rame. Con gli azionamenti in tensione, vengono generalmente applicate resistenze in serie per ridurre la costante di tempo elettrica. Questo scenario verrà spiegato più avanti nell'articolo.

I motori bipolari necessitano di un solo avvolgimento della bobina per fase e la corrente può fluire in entrambe le direzioni per bobina. Per controllare i motori bipolari sono necessari otto transistor con due ponti H, come mostrato nella Figura 4.

Nella Figura 5, i transistor sono alternativamente chiusi e aperti per fornire la commutazione. Gli azionamenti bipolari hanno il vantaggio di utilizzare tutto il rame per fase. Questi azionamenti bipolari vengono utilizzati nell'azionamento della tensione del motore o nella sorgente di corrente. Per la sorgente di corrente, la corrente in ciascuna fase è controllata con una modulazione di larghezza di impulso (PWM). Per il PWM vengono utilizzate due tecniche: decadimento lento o decadimento rapido, a seconda che si preveda che la corrente diminuisca lentamente o rapidamente attraverso la fase del motore durante il tempo "off" del PWM.

Azionamento in tensione. Un semplice circuito con quattro transistor fornisce un controllo unipolare conveniente. Un azionamento in tensione per motori bipolari richiede due ponti H (otto transistor).

Unità attuale. Una modalità bipolare è preferibile per gli azionamenti attuali perché la tecnologia unipolare richiede un'elettronica più complessa per ottenere prestazioni inferiori del motore.

Precauzione per l'azionamento della tensione. A causa dell'effetto dell'induttanza, la corrente impiega un po' di tempo per salire nella bobina. Per azionamenti unipolari o bipolari, è possibile aggiungere una resistenza in serie per diminuire la costante di tempo elettrica (L/R). Aggiungendo una resistenza esterna, la corrente diminuisce (i = U/(R+r)).

In sintesi, aggiungendo resistenza a parità di potenza erogata si ottiene una coppia inferiore a bassa velocità. La corrente è inferiore a causa della potenza joule dissipata nella resistenza esterna. Poiché la coppia è proporzionale alla corrente, il motore fornirà una coppia inferiore. Ad alta velocità, si ottiene una coppia più elevata. Anche se una certa potenza joule viene dissipata nella resistenza esterna, il motore sarà in grado di erogare una coppia maggiore grazie alla costante di tempo elettrica inferiore. Ciò consente alla corrente di aumentare più rapidamente nella bobina. (Nota: aumentando la tensione di alimentazione è possibile compensare la corrente inferiore; tuttavia, l'efficienza energetica complessiva sarà inferiore. La coppia viene migliorata ad alta velocità e mantenuta a bassa velocità.)