Forme di controllo passo-passo ad anello chiuso

2017 - Articolo più popolare - Per ottenere le massime prestazioni, il motore passo-passo può essere trattato come un servomotore brushless bifase. La corrente al motore verrà quindi controllata in funzione del segnale di errore proprio come con i servomotori standard.

Contributo di | Galil Motion Control, Inc.

I motori passo-passo vengono impiegati in una varietà di applicazioni in tutto lo spettro dell'ingegneria perché sono economici, semplici da utilizzare e offrono una coppia elevata a basse velocità. Tuttavia, i motori passo-passo presentano inconvenienti quali passi mancati, coppia ridotta alle alte velocità, risonanze e consumo energetico elevato. Per mitigare questi problemi, Galil dispone di tre metodi per chiudere il circuito attorno a un motore passo-passo: correzione del punto finale, microstepping ad anello chiuso e azionamento del motore passo-passo come motore brushless bifase.

I motori passo-passo hanno più elettromagneti "dentati" disposti attorno a un rotore a forma di ingranaggio. Per far girare l'albero del motore, questi elettromagneti vengono eccitati in una sequenza specifica. La Figura 1 mostra una vista semplificata di questo processo per un motore passo-passo bifase. Ogni sequenza specifica corrisponde ad un passo del motore. Un motore passo-passo ha tipicamente 200 passi per giro.

I motori passo-passo non sono esenti da alcuni inconvenienti. Il primo svantaggio di un motore passo-passo è che funziona sempre a piena corrente. Ciò porta allo spreco di energia e alla generazione di calore in eccesso. In secondo luogo, fondamentale per il funzionamento dei motori passo-passo è la vibrazione causata quando cambiano posizione in passi discreti. Quando la frequenza del passo corrisponde all'oscillazione naturale o alla frequenza di risonanza del motore passo-passo, l'ampiezza di queste vibrazioni aumenterà, portando alla perdita di posizione. Anche i motori passo-passo subiscono una significativa diminuzione della coppia all'aumentare della velocità del motore. Una curva velocità-coppia comune è mostrata in Errore: Sorgente di riferimento non trovata. Infine, la risoluzione posizionale è limitata dal numero di passi per giro. Se è necessaria una maggiore risoluzione, lo stepper può essere guidato attraverso il processo di microstepping.

Il microstepping è un metodo per azionare un motore passo-passo in modo tale che ogni intero passo del motore venga suddiviso in incrementi più piccoli chiamati micropassi. Il microstepping in genere crea tra 2 e 256 micropassi per passo completo, il che significa che il motore da 200 passi per giro può ora avere fino a 51200 di questi micropassi per giro. La Figura 3 descrive in dettaglio la forma d'onda della corrente attraverso ciascuna fase del motore passo-passo con un numero crescente di micropassi per passo completo.

L'effettiva precisione del microstepping dipende in gran parte dalle forze esterne. Il microstepping è accurato fino a un passo completo del motore, tuttavia se è presente più di mezzo passo di errore si verificherà una perdita di posizione. Il movimento non si verificherà se l'attrito, la gravità o qualsiasi altra forza è sufficientemente grande da impedire che la piccola variazione di corrente tra due posizioni di microstepping influisca sulla posizione del motore. La Figura 4 mostra il grafico di un movimento punto a punto eseguito in un sistema azionato da un motore passo-passo accoppiato ad un encoder. La linea rossa è la posizione prevista del motore passo-passo, la linea viola sono gli impulsi di passo inviati al motore e la linea blu è la posizione del motore misurata dall'encoder. La linea nera indica quando il controller sta profilando attivamente il movimento. A causa dell'attrito nel sistema, la posizione finale del motore passo-passo non corrisponde alla posizione comandata, con conseguente errore di stato stazionario.

Utilizzando il feedback dell'encoder per riconoscere questo errore di posizione, il punto finale può essere regolato comandando ulteriori impulsi di passo per portare il motore nella posizione corretta. Galil chiama questa modalità Stepper Position Maintenance, o SPM. SPM utilizza ancora lo stepper in modalità microstepping, ma ora è possibile verificare e regolare la precisione del punto finale. Questa modalità funziona confrontando la posizione comandata del motore passo-passo con la posizione effettiva emessa dall'encoder appena prima del completamento di un movimento. La Figura 5 mostra lo stesso sistema della Figura 4 ora utilizzato in modalità Manutenzione posizione passo-passo. Dopo la fine del movimento, l'errore di posizione viene riconosciuto e la posizione di riferimento viene regolata per tener conto di questo errore. Viene quindi comandato un movimento di correzione dell'errore per portare lo stepper nella posizione corretta. Aggiungendo l'encoder, il controller ha ora la capacità di riconoscere e correggere gli errori presenti nel sistema. Lo stesso movimento che in precedenza determinava un errore di stato stazionario dovuto all'attrito può ora essere contabilizzato e corretto.