Il motore passo passo, chiamato anche stepper o step, è un motore elettrico sincrono in corrente continua senza spazzole che può suddividere la propria rotazione in un gran numero di passi. E’ considerato la scelta ideale per tutte quelle applicazioni che richiedono precisione nello spostamento angolare e nella velocità di rotazione. Tuttavia ultimamente vengono spesso sostituiti da motori brushless.

VANTAGGI MOTORI PASSO PASSO:

Se costruiti con tecnologia comune hanno un costo non elevato; 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 e senza richiedere particolare potenza di calcolo.

Hanno un’elevata robustezza meccanica ed elettrica: infatti non esistono contatti elettrici striscianti.

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

Sono molto stabili nella posizione a rotore bloccato e non presentano pendolamenti come nei sistemi brushless

DIFETTI

Richiedono sempre circuiti elettronici per il pilotaggio, in genere di tipo digitale; Hanno un funzionamento a scatti e producono vibrazioni, soprattutto ai bassi regimi

e se si adottano le tecniche di pilotaggio più semplici Permettono una velocità di rotazione massima intorno ai 1000-1500 rpm. Esistono

tuttavia motori che raggiungono i 4000-5000 rpm tramite sistemi di retroazione ad anello chiuso. La loro caratteristica di coppia tuttavia scende quasi esponenzialmente al crescere della velocità.

I motori passo-passo si dividono tradizionalmente in tre grandi gruppi: motori a magnete permanente, motori a riluttanza variabile e motori ibridi; questi ultimi sono i migliori e i più utilizzati. Il rotore appare come una coppia di ruote dentate affiancate e solidali all’albero costituite da un nucleo magnetico. Il numero di denti è variabile ma 50 è in assoluto il più frequente. Tra le due ruote è presente uno sfasamento esattamente pari ad 1/2 del passo dei denti: il dente di una delle due sezioni corrisponde quindi alla valle dell'altra. Nel rotore non sono presenti fili elettrici e quindi manca completamente ogni connessione elettrica tra la parte in movimento e quella fissa. In genere il rotore è montato su cuscinetti a sfera, anche nei modelli economici.

La tipica costituzione di un motore passo-passo prevede l’impiego di un rotore a

magnete permanente (e quindi privo diavvolgimenti) dotato di un certo numero di “denti”, con lo statore costituito da numerose espansioni polari, alimentate da altrettanti avvolgimenti (vedi figura 2). 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 delmotore – possono andare da 40 a 200, a seconda dei modelli

Il rotore é costituito da due nuclei costituiti da lamierini ferromagnetici dentati

(coppette), assemblati in modo tale che i denti di una coppetta siano sfalsati di

mezzo passo di dentatura rispetto a quelli dell'altra e separati da un magnete

permanente magnetizzato in direzione assiale; in tal modo i denti di una coppetta

risultano tutti magnetizzati nord, quelli dell'altra tutti magnetizzati sud.

Sono motori elettrici sincroni che mantengono con precisione la propria velocità di rotazione e posizione senza l’ausilio di trasduttori di feedback (come ad esempio encoder o dinamo tachimetriche)

A differenza di altri tipi di motore, come ad esempio il diffusissimo motore a corrente continua, il motore passo-passo non modifica la velocità di rotazione in funzione del carico, ma la mantiene costante. Se lo sforzo richiesto al motore supera la coppia massima erogabile il motore semplicemente si ferma.

Per ruotare i motori passo-passo necessitano di un'elettronica di controllo chiamata azionamento o drive. Non è possibile utilizzare il motore passo-passo semplicemente fornendo tensione come si fa con un motore CC. L'azionamento imprime al motore passo-passo una corrente costante che produce una coppia costante all'albero del motore.

A parità di volume la coppia erogata da un motore passo-passo è molto più alta di quella di un motore brushless o CC.

La costruzione semplice e robusta ed il basso costo di produzione hanno favorito la diffusione del motore passo-passo in ogni settore.

Il motore passo-passo è in grado di erogare una coppia molto elevata a basso numero di giri ed è in grado di mantenere il carico fermo in posizione senza vibrazioni o pendolamento. Queste caratteristiche lo rendono l'alternativa ottimale al classico gruppo motore+riduttore, con il vantaggio di migliorare il rendimento del sistema, eliminare i giochi meccanici, semplificare il montaggio ed abbattere i costi. Le applicazioni che richiedono accelerazioni e frenate repentine traggono vantaggio dell'elevato rapporto coppia/inerzia del rotore. La totale assenza di componenti delicati all'interno del motore (come resolver o encoder) o soggetti a rapida usura (ad esempio non esistono contatti striscianti) rende il motore passo-passo privo di manutenzione ed un'ottima scelta in tutte le applicazione ostili dove è richiesto un funzionamento continuo ed affidabile.

Essi sono composti da una parte esterna, detta statore (dove risiede l’avvolgimento), ed un rotore che per semplicità possiamo immaginare come un magnete permanente (una calamita).

Il rotore è solidale con l’albero, che lo attraversa esattamente al centro. Ai lati del rotore si trovano i cuscinetti, che hanno il compito di sorreggere l’albero ed il rotore permettendone la rotazione. Da questa prima descrizione si nota che non esistono contatti striscianti, come avviene invece nei motori CC, e questo conferisce al motore passo-passo un’elevata affidabilità e assenza di manutenzione.

Anche i motori brushless non hanno spazzole (e questo è uno dei motivi per cui stanno rimpiazzando sempre di più i motori a corrente continua) ma sono molto più costosi rispetto ai motori passo-passo. Possiamo quindi pensare ai motori passo-passo come ad un motore brushless economico, in grado di funzionare senza feedback (senza encoder, dinamo tachimetrica o altro).

È molto importante comprendere qual è l’utilizzo ottimale di un motore passo-passo per evitare di impiegarlo in modo errato.

Per prima cosa possiamo dire che un motore passo-passo non è adatto per un uso continuativo ad alta velocità. Nel caso in cui siano richieste velocità di rotazione continuative superiori a 2000rpm (giri/minuto) è generalmente preferibile orientarsi verso tipologie diverse di motore. Per contro i motori passo-passo offrono stabilità e coppie elevate a velocità molto basse e spesso è possibile impiegarli in presa diretta, senza l'ausilio di alcun riduttore meccanico.

Un secondo aspetto da tenere presente è che la coppia erogata dal motore passo-passo non è costante ma decresce all’aumentare della velocità. L’andamento con cui la coppia decresce dipende dalle caratteristiche elettriche del motore e dalla tensione di alimentazione dell’azionamento.

Il grafico sottostante mostra l'andamento tipico della coppia di un motore passo-passo in funzione della velocità di rotazione.

Il grafico evidenza come a bassa velocità la coppia è praticamente costante, mentre man mano che la velocità aumenta la coppia erogabile dal motore passo-passo decresce.

Maggiore è la tensione di alimentazione dell’azionamento e migliore è l’erogazione di coppia del motore a velocità elevata (curva rossa), al contrario alimentando l’azionamento con una tensione inferiore la coppia del motore si esaurirà prematuramente (curva verde).

Per selezionare il motore ottimale per l’applicazione è innanzitutto necessario stabilire quale sia la coppia resistente generata dal carico alle diverse velocità e condizioni di utilizzo (caso peggiore). La coppia resistente deve essere calcolata tenendo conto degli attriti statici e dinamici e dell’inerzia del sistema vista dal motore durante l’accelerazione e la decelerazione. Una volta noto l'andamento della coppia resistente alle diverse velocità è sufficiente selezionare un motore con una curva di coppia superiore alla curva di coppia resistente del carico. Per garantire affidabilità all’applicazione è buona norma selezionare un motore passo-passo con una coppia superiore almeno del 30% rispetto alla richiesta del carico.

Come ultima considerazione è importante non superare un rapporto d’inerzia tra carico e motore di 10:1 altrimenti possono verificarsi fenomeni di instabilità dovuti all’impossibilità, da parte del motore passo-passo, di gestire il carico.

Ogni costruttore ha un suo modo di documentare le caratteristiche dei motori passo-passo, ma in tutti i fogli tecnici si incontrano i seguenti termini che è bene comprendere per utilizzare al meglio e nel modo appropriato il motore passo-passo.

NEMA, indica le dimensioni della flangia del motore.

Holding Torque (Coppia statica), è la coppia massima offerta dal motore alimentato alla corrente nominale con rotore fermo.

Detent Torque (Coppia residua), è la coppia resistente che il motore offre quando non è alimentato.

Rated Current (Corrente nominale), indica il valore di corrente che genera la Holding Torque (vedi sopra).

Phase Inductance (Induttanza di fase), è il valore di induttanza di ciascuna fase del motore.

Phase Resistance (Resistenza di fase), è il valore di resistenza di ciascuna fase del motore.

Rotor Inertia (Inerzia del rotore), indica l’inerzia del rotore del motore.

Step Angle (Angolo di passo), è lo spostamento che il rotore compie quando esegue un passo intero.

Step Angle Accuracy (Accuratezza dell’angolo di passo), indica la differenza massima tra la posizione meccanica del rotore e la posizione elettrica (posizione comandata).

Max temperature (Temperatura massima), è la massima temperatura a cui il motore può funzionare.

Axial Load (Carico assiale), è il massimo carico che è possibile applicare in direzione assiale all’albero del motore.

Radial Load (Carico radiale), è il massimo carico che è possibile applicare in direzione radiale all’albero del motore.

I motori passo-passo ibridi a magnete permanente sono per la maggior parte prodotti in accordo alle flange definite dallo standard NEMA.

Le più diffuse in ambito industriale sono lo standard NEMA17 (42x42mm), NEMA23 (57x57mm), NEMA34 (86x86mm) e NEMA42 (108x108), mostrate nell'immagine sottostante.

Questo dato è spesso trascurato, mentre riveste un'importanza fondamentale.

L'inerzia del rotore deve essere assolutamente considerata quando si sceglie un motore passo-passo perché ha impatto sulla stabilità dell'intero sistema.

Una buona regola, valida per i motori passo-passo da 200 passi/giro (1,8°), afferma che l'inerzia del rotore non deve essere mai inferiore ad un decimo dell’inerzia del carico vista dal motore, altrimenti il funzionamento può divenire instabile. In altre parole deve essere sempre vero:

10 x Inerzia del rotore > Inerzia del carico

Ovviamente, un motore da 200passi/giro avrà un valore dell’angolo del passo pari a 1,8° ma esistono anche motori con angoli di passo, e quindi numero di divisioni del giro, differenti.

La tabella sottostante mostra le divisioni più comuni con i corrispondenti angoli.

Numero di divisioni del giro Angolo del passo intero48 7,5°100 3,6°

200 (più comune) 1,8°400 0,9°

I motori passo-passo possono eseguire posizionamenti con risoluzione superiore a quella del passo intero quando sono abbinati ad azionamenti capaci di frazionare elettronicamente il passo meccanico del motore.

In commercio esistono azionamenti in grado di dividere il passo interno in 2, 4, 5 o più parti. Gli azionamenti più evoluti sono in grado di dividere in 128 parti il passo intero raggiungendo la notevole risoluzione di 25.600 micropassi per giro. Questa tecnica è indicata con il nome di pilotaggio a micropasso (microstepping).

Le posizioni intermedie tra un passo intero e l'altro sono ottenute modulando opportunamente la corrente di fase (solitamente con andamento sinusoidale). Quando si fa uso di questa tecnologia è molto importante assicurarsi che il valore efficace della corrente resti invariato tra un micro passo ed il successivo, diversamente la coppia erogata dal motore non sarà costante. Questa informazione è solitamente riportata nel manuale d’uso dell’azionamento o in alternativa potete chiederla al produttore dello stesso.

Step Angle Accuracy (Accuratezza dell’angolo di passo),

È un valore, normalmente espresso in gradi o percentuale dell’angolo di passo, che indica l’errore massimo di posizionamento che il rotore può compiere nell’esecuzione di un passo intero. Il dato è valido in assenza di carico applicato al motore (la presenza del carico può aumentare considerevolmente l'errore).

Normalmente un buon motore passo-passo offre una precisione migliore del 5% dell’angolo di passo intero, che significa che un motore da 200 passi/giro ha un errore di posizionamento inferiore a 0,09° ( (360/200)*5/100 ).

È importante notare che l’errore del motore è indipendente dalla risoluzione utilizzata sull’azionamento.

Essendo l’errore una percentuale dell’angolo di passo intero è possibile diminuirlo solo aumentando il numero di divisioni a giro. Se ad esempio usiamo un motore da 400 passi/giro, con una precisione dell’angolo di passo del 5% potremo apprezzare fino a 0,045°.

Si osservi infine che l’errore non è cumulativo ma si annulla ad ogni passo. In pratica l’errore indicato è il massimo errore che ci si può aspettare dopo un passo intero, dopo l’esecuzione di un quarto di giro, due giri o mille giri.

DIMENSIONAMENTO

Il primo calcolo da effettuare è l'inerzia del sistema. L'inerzia di un cilindro solido può essere calcolata nel caso in cui si conosce il suo peso e il suo raggio come nel caso in cui si conosce la densità del materiale di cui è composto, la sua lunghezza e il raggio. Il momento di inerzia è la tendenza di un corpo a resistere ad una accelerazione angolare. Moltiplicando il momento di inerzia per una accelerazione angolare si ottiene una coppia. Una volta calcolata l'inerzia di un corpo quindi moltiplicando il valore per l'accelerazione voluta si ottiene la coppia di accelerazione, parametro utile alla scelta del motore passo passo.

Per dimensionare un azionamento è necessario conoscere tutti i momenti d' inerzia dei componenti della catena cinematica.  

Il momento d'inerzia rappresenta la misura della resistenza di un corpo rotante quando viene sollecitato a modificare il suo

 stato di quiete  o rotatorio(fase di  accelerazione o decelerazione).

Il momento d'inerzia dei corpi rotanti non va confuso con il momento d'inerzia delle figure piane .         

Affinchè il sistema possa funzionare correttamente è necessario che il rapporto tra Jm ed il Jc sia inferiore a 10

Alcuni costruttori di motori passo passo forniscono i grafici coppia-frequenza .

Essi mettono in evidenza la coppia massima applicabile ad un motore senza perdere il passo per una determinata frequenza.

 Da essi si nota che aumentando la frequenza di alimentazione dei motori si ha una diminuzione della coppia.

Ho definito per il motore passo passo 60SH86 una frequenza di lavoro pari a 800 STEP.

 Bisogna tenere presente che:

 alla corrente occorre un certo tempo per raggiungere il valore nominale sugli avvolgimenti.

 le commutazioni non sono istantanee.  per sviluppare la coppia ottimale la velocità  deve essere gradualmente portata 

a quella massima  bisogna calcolare le opportune rampe di accelerazione e decelerazione affinchè

non vi sia perdita del passo è necessario calcolare il tempo minimo della rampa di accelerazione per

raggiungere la massima velocità.

Come spiegato nelle precedenti sezioni del sito, sia il motore passo passo che il brushless sono due motori sincroni, le cui differenze principali risiedono nel numero di poli e nel numero di fasi. Tuttavia, a causa della possibilità di essere pilotati anche in maniera "semplice", si è diffusa storicamente l'idea del passo passo come motore di serie B utilizzabile solo in applicazioni in cui non sono richieste alte prestazioni in termini di precisione; al contrario, i brushless sono divenuti nel tempo la soluzione di riferimento tra i progettisti di macchine automatiche grazie alle elevate prestazioni date da convertitori sempre più sofisticati e a riduttori epicicloidali sempre più precisi, con l'unico svantaggio dell'elevato costo.

Il motore brushless è un motore elettrico ad eccitazione indipendente. A differenza di un motore a spazzole, non ha bisogno di contatti elettrici striscianti sull'albero motore per funzionare (da qui il nome). La commutazione della corrente circolante negli avvolgimenti, infatti, non avviene più per via meccanica (tramite i contatti striscianti), ma elettronicamente. Ciò comporta una minore resistenza meccanica, elimina la possibilità che si formino scintille al crescere della velocità di rotazione, e riduce notevolmente la necessità di manutenzione periodica.

l primo grosso vantaggio riguarda la vita attesa del motore, dato che le spazzole sono il "punto debole" di un motore elettrico. L'assenza di spazzole elimina anche la principale fonte di rumore elettromagnetico presente negli altri motori elettrici.

L'ingombro è limitato rispetto alla potenza che possono erogare, ma soprattutto alla coppia che questi motori riescono ad erogare. In termini di efficienza, i motori brushless viaggiano sempre in condizioni di rendimento

ottimali e non dovendo generare il campo magnetico rotorico hanno efficienze maggiori. Gli avvolgimenti sullo statore inoltre dissipano facilmente il calore generato e permettono di costruire motori "lisci", senza alettature esterne. L'assenza di scintille è fondamentale quando il motore opera in ambienti saturi di composti chimici volatili come i carburanti.

Il principale svantaggio di questo tipo di motori sta nel maggiore costo. Al contrario dei motori a spazzole, infatti, il controllo viene effettuato elettronicamente da un controller, un dispositivo elettronico fornito dal costruttore del motore o da terze parti; per questo non è solitamente possibile utilizzare un potenziometro o un reostato (inefficiente ma estremamente economico) per la regolazione della velocità.

Brushless o in alternativa un servomotore in corrente continua, questo per via della possibilità di retroazione e quindi un controllo closed loop da encoder.I motori passo passo al contrario vengono in genere impiegati in applicazioni open loop su macchine di piccole dimensioni per via dell'economicità, ma hanno prestazioni dinamiche inferiori e soffrono della possibilità di "perdita del passo" con conseguente errore di posizionamento che non può essere corretto e che porta ad errori di posizionamento.Tra brushless e motori cc la differenza sostanziale sta nella maggiore affidabilità dei brushless per via dell'assenza dei collettori (la commutazione è elettronica) e inoltre i cc hanno problemi di raffreddamento che inficiano il rendimento e la potenza (ovvero a parità di dimensione i motori cc sono meno spinti dei brushless). Detto questo vedo macchine degli anni '80 con motori cc a spazzole che lavorano ininterrottamente da più di 20 anni (quindi affidabili sono affidabili anche i cc a spazzole).

P.S. Nel settore macchine utensili dove lavori tu penso non esista fresa o centro di lavoro professionale (taiwan incluso) che non usi motori brushless quindi di fatto la scelta è obbligata.

Non fatico a credere che i vostri tecnici si perdano in animate discussioni in merito. Negli ultimi anni sono comparsi sul mercato nuove serie di motori stepper con diverse caratteristiche costruttive, e molti costruttori dichiarano performance che sembrano scavalcare i vecchi punti deboli di questa tipologia di motori:

Risoluzione - negli stepper tradizionali era limitata dall'angolo del passo, tuttavia la tecnologia "microstepping" permette di raggiungere risoluzioni spesso più che soddisfacenti.

Vibrazioni - erano piuttosto fastidiose (il tipico sibilo), ma la scelta di una configurazione costruttiva in stile "can-stack" permette la riduzione del cogging e di conseguenza anche la riduzione del rumore. Non c'é più il classico "dente" che da il passo, dunque non vi è più uno scatto secco, ma un passo molto più morbido. Gli stepper delle attuali stampanti sono fatti così e di conseguenza i moti di avanzamento delle nostre stampanti sono diventati molto più silenziosi.

"Salto del passo": - il conseguente errore nel riferimento di posizione è un problema superato nei cosidettti "motori ibridi" che aggiungono un controllo a ciclo chiuso, sono in definitiva dei motori stepper retroazionati, più costosi degli stepper tradizionali, ma sempre più economici dei sincroni a magnete permanente (brushless).

A parte ciò, gli stepper rimangono sempre e comunque dei motori a riluttanza e perdono rapidamente coppia all'aumentare della velocità, inoltre sui 60 ÷ 120step/sec si può incontrare la frequenza caratteristica di risonanza che è tipica dello stepper (udibile ad orecchio).

Gli stepper li vedrei più indicati su azionamenti che non necessitano alte velocità e con cicli poco gravosi.

I motori brushless sono più dinamici, scaldano meno e permettono di lavorare da fermi fino alla velocità massima con la stessa risposta di coppia.

Una cosa a cui occorre fare attenzione nell'uso di questi motori, è il rischio di risonanza nella catena cinematica: essendo motori molto "reattivi" possono reagire a dei fenomeni di richiamo elastico della struttura meccanica, innescando una risonanza. Se questo si dovesse verificare, i tuoi tecnici elettronici ti diranno che l'asse è "nervoso" e cercheranno di risolvere abbassando il guadagno del controllo. Ma questo di sicuro è il tuo pane quotidiano.

Quanto detto mi pare soddisfacente. Aggiungerei solo alcune cose:1) tipicamente i motori passo sono usati quando le coppie sono basse. Anche se gli step sono morbidi, il ripple di coppia innesca risonanze nella struttura, anche perché è un ripple che ricorda molto un onda quadra (anche se abbastanza arrotondata), e quindi piuttosto ricco in armoniche

2) perché tralasciare i bravi vecchi motori asincroni trifase con controllo, scalare o vettoriale che sia? Costano meno dei brushless ed hanno più o meno le stesse caratteristiche. Il controllo poi è un po' più semplice perché si basa su una terna trifase invece della doppia onda creata partendo da zero dei brushless.