Tesina controlli-elettrotecnica MOTORI PASSO PASSO di Chiocca Raffaele V AIM a.s. 2010/11   Nautico "Duca degli Abruzzi" Napoli

I motori elettrici si possono suddividere in varie categorie,che si differenziano a seconda della della tensione di alimentazione e dal tipo di pilotaggio: infatti vi sono infatti motori in continua (a spazzola e brushless) quelli in alternata (sincroni e asincroni) quelli universali che funzionano in continua e in alternata e i motori passo passo. Fra i vari tipi di motori elettrici, quelli di tipo passo-passo occupano un ruolo del tutto particolare sia per il modo di pilotaggio che per il tipo di impiego funzionano in corrente continua.

Questi motori possono essere fatti avanzare a singoli passi e bloccati in posizione qualunque, in modo da consentire facilmente posizionamenti di grande precisione, per il quale è possibile avere una vasta gamma di applicazione quali i servomeccanismi nell'automazione industriale, nelle stampanti nei disk-drive ecc. Per poter essere pilotati i motori passo passo richiedono sequenze di impulsi particolari, che debbono essere generati da opportuni circuiti elettrici.

Costruzione e funzionamento di un motore passo-passo

La tipica costituzione di un motore passo-passo prevede l’impiego di un rotore a magnete permanente (e quindi privo di avvolgimenti) dotato di un certo numero di “denti”, con lo statore costituito da numerose espansioni polari, alimentate da altrettanti avvolgimenti.

Questi avvolgimenti sono collegati in modo da portare esternamente un numero fisso di fili, che può essere di 4, 5 o 6 conduttori. A questi conduttori (fra di loro non intercambiabili) viene applicata la corretta sequenza di impulsi per l’avanzamento del rotore.

I“passi” ottenibili – che dipendono dalle modalità costruttive del motore – possono andare da 40 a 200, a seconda dei modelli.

Al fine di facilitare la comprensione del modo di funzionamento (e quindi di pilotaggio) di questo tipo di motore, immaginiamo di semplificarne la costituzione, schematizzando la sua realizzazione con sole 4 espansioni polari de llo statore, come in figura 1. Il rotore (essendo un magnete permanente) sarà provvisto di un polo Nord e di un polo Sud. Gli avvolgimenti A e B sono in serie, in modo che applicando una tensione positiva ad A e negativa a B la corrente può fluire da A a B, polarizzando in tal modo entrambe le espansioni polari; la stessa cosa dicasi per gli avvolgimenti C e D, anch’essi in serie. A, B, C e D vengono dette anche le “fasi” del motore passo-passo.

PREGI e DIFETTI

I pregi dei motori passo passo:

Ø Non necessitano di alcuna manutenzione periodica in quanto privi di spazzole. La vita di un

motore di questo tipo dipende dal consumo delle bronzine (cuscinetti) che permettono la rotazione

dell'asse.

Ø Sono precisi, infatti essi realizzano posizionamenti con errori che possono variare tra il 3% e il

5% del valore del passo; tale errore non si accumula passo dopo passo, ma costituisce l’errore

complessivo.

Ø Possono essere pilotati da forme d'onda impulsive, cosa che rende molto semplice l'interfaccia

con un computer ; sono necessari infatti pochi componenti esterni per realizzare le corrette

forme d'onda di pilotaggio .

Ø La velocità di rotazione può essere molto bassa anche senza l'uso di riduttori meccanici.

Ø E' possibile realizzare azionamenti di precisione controllati da computer in catena aperta, cioè

senza utilizzare sensori di posizione o di velocità. Sono quindi utilizzabili con relativa

semplicità.

Ø Hanno un'elevata robustezza meccanica ed elettrica: infatti non esistono contatti elettrici

striscianti e, se necessario, possono essere realizzati anche in esecuzione completamente

stagna.

Ø E' facile far compiere all'albero piccole rotazioni angolari arbitrarie in ambedue i versi e

bloccarlo in una determinata posizione.

Ovviamente hanno anche difetti

Ø Richiedono sempre circuiti elettronici per il pilotaggio, in genere di tipo digitale.

Ø Hanno un funzionano a scatti e con forti vibrazioni, soprattutto ai bassi regimi e se si adottano

le tecniche di pilotaggio più semplici.

Ø Il loro rendimento energetico è basso e, in genere, la potenza meccanica è piccola.

Ø Hanno un costo elevato, relativamente ad altri tipi di motore con analoghe prestazioni.

Ø Difficilmente raggiungono velocità di rotazione elevate.

PARAMETRI PRINCIPALI

I parametri forniti dal costruttore che consentono di conoscere le prestazioni del motore passo-passo

sono sia di tipo elettrico, sia di tipo meccanico.

I parametri elettrici sono:

Ø La tensione massima di alimentazione (rated voltage)

Ø La massima corrente di fase (rated phase current voltage)3

Ø La resistenza e la reattanza di fase, che consentono di determinare il valore della costante di

tempo elettrica del motore

I parametri meccanici sono:

Ø L’ angolo di passo(step angle): è questo l'angolo di cui si sposta il rotore quando, non soggetto

ad alcun carico, viene eccitato con un impulso. E' possibile definirlo anche come numero di

passi per rotazione. Il valore dell'angolo può essere compreso tra 0,72° e 90°.

Ø Precisione del passo: è l'errore commesso nel posizionarsi rispetto al valore nominale, dovuto

ad imperfezioni di costruzione: è dato in percentuale dell'angolo di passo. Valori possibili sono

compresi tra 5% e 30%. Non è un errore cumulativo.

Ø Il numero di passi per giro (step for revolution)

Ø La tolleranza del passo (step angle accuracy) che definisce la precisione con la quale viene

compiuto un passo. In generale tale parametro è espresso in percentuale rispetto al valore di

passo

Ø Coppia statica (o di ritenuta o ancora di mantenimento) ( holding torque): è la massima

coppia all'albero di macchina quando lo statore è alimentato a corrente nominale, che non

provochi la rotazione di passo.

Ø Coppia residua (detent torque): è la massima coppia presente all'albero quando nessuna fase

di statore è alimentata (nel motore a riluttanza variabile la coppia residua è nulla).

Ø Coppia sincrona (pull out torque): è la massima coppia resistente che può essere applicata al

motore che ruota con una determinata velocità, senza che si determini la perdita del passo.

Ø Coppia sincronizzante (pull in torque): è il valore massimo della coppia di carico con la quale

il motore può essere avviato, mantenuto a regime e fermato.

Per determinare i valori di queste coppie e individuare quindi le condizioni di corretto funzionamento

del motore risultano molto utili le curve delle prestazioni meccaniche fornite dal costruttore.