Spiegazione delle nozioni di base dei motori stepper

I motori stepper, nella loro forma più elementare, funzionano eccitando le bobine in una sequenza attentamente controllata per produrre movimenti precisi. Tuttavia, può essere difficile da comprendere il funzionamento di un motore stepper. Analizzeremo in dettaglio questo argomento, spiegando il funzionamento di un motore stepper semplificato e, successivamente, smontando un motore stepper bipolare NEMA17 per illustrare i concetti nella pratica.

Funzionamento di un motore stepper: illustrazione semplificata di un motore

Nel caso di un motore stepper bipolare semplificato, ognuno dei due set di elettromagneti è controllato da un ponte H. In questo modo possono invertire al volo la polarità per respingere o attrarre i poli del magnete permanente del rotore, come mostrato di seguito:

Un'altra variante è il motore a riluttanza variabile che utilizza un nucleo non magnetizzato che si allinea alle bobine eccitate. Tieni presente che molti motori stepper utilizzano più di quattro bobine.

In questa immagine, B e B1 sono collegati in modoc he quando B viene eccitato agisce come un polo sud magnetico e B1 come il nord, ribaltando la posizione del rotore. Successivamente, A1 viene eccitato come sud per attrarre il polo nord del rotore e A viene eccitato come nord, attirando il sud del magnete. Il processo continua come indicato nel modello seguente. Quando questo modello a bobina singola viene rappresentato graficamente, assomiglia a un'onda e viene spesso definito come sequenza di "azionamento a onda".

Modello in senso orario (riavvio)

Con una risoluzione di passo di 90º, si tratta di un motore stepper davvero molto approssimativo. Un altro modo per ottenere questo risultato consiste nell'eccitare tutte e quattro le bobine allo stesso tempo, con i poli nord e sud allineati l'uno accanto all'altro in modo sequenziale. Il rotore magnetico permanente punta tra gli elettromagneti attivi, verso il centro della loro attrazione magnetica combinata. Questo funzionamento con tutte le bobine produce una coppia maggiore rispetto a un sistema di azionamento a bobina singola, ma richiede il doppio della corrente se eccitato completamente.

Di seguito è riportata la sequenza in senso orario:

Modello in senso orario (riavvio)

Ci stiamo ancora muovendo a passi completi di 90°, ma disporre di entrambe le opzioni offre la possibilità di interlacciarle per ottenere 8 passi invece di 4. Questo è noto come mezzo passo ed è mostrato nell'illustrazione seguente:

La sequenza più lunga non è raffigurata qui, ma segue un movimento di passi progressivo simile. In particolare, i modelli presentati possono essere invertiti per eseguire i passi in senso antiorario.

Infine, la configurazione multi-magnete può essere portata ancora più avanti con l'aiuto dei micro-passi. In questa configurazione, ogni polo viene alimentato in modo incrementale secondo un modello analogico sinusoidale che consente di suddividere questi 8 singoli passi in 16, 32 e potenzialmente in incrementi ancora più piccoli.

NEMA 17: 200 fasi per giro

Al di là della semplice disposizione magnetica descritta in precedenza, un motore stepper NEMA17 comunemente disponibile presenta 200 singole fasi complete per giro. Ciò gli conferisce una risoluzione a singola fase di 1,8º per fase (360º/200). Il tipico motore stepper NEMA17 ha 8 bobine sfalsate lungo la circonferenza, ma funziona con lo stesso tipo di modello A, A1; B, B1 mostrato nell'illustrazione precedente.

All'interno del motore, il magnete del rotore ha il polo nord e il polo sud allineati assialmente, con cappucci in acciaio a 50 denti su ciascuna estremità che consentono un funzionamento ibrido a magnete permanente/riluttanza variabile. Ciascuna serie di denti del cappuccio in acciaio è sfalsata rispetto alla controparte del rotore polare, il che consente di ottenere 200 fasi per giro.

Con l'uso di un mezzo passo, è possibile ottenere una risoluzione di 0,9º, mentre il micro passo può moltiplicare ulteriormente queste divisioni. Considerando che i motori stepper sono spesso prodotti e venduti a meno di 100 €, si tratta di un'innovazione sorprendente.

Smontaggio di un motore stepper NEMA 17 per fornire conoscenze pratiche

I motori stepper NEMA17 sono abbastanza facili da smontare: svita i bulloni sul lato posteriore del motore, quindi batti l'albero contro un tavolo o un'altra superficie dura. Anche se c'è un certo rischio di rottura, sacrificare potenzialmente un'unità poco costosa sembrava valere la pena per i nostri scopi. Ho fatto un altro passo avanti e ho praticato un foro nella parte superiore dell'involucro per vederlo in azione.

Nella prima immagine riportata di seguito puoi vedere i componenti principali di un motore stepper. A sinistra si trova la sezione inferiore che è stata modificata per la visualizzazione. Il rotore è al centro, con le sporgenze sfalsate descritte in precedenza e i cuscinetti in alto e in basso per assicurare un funzionamento regolare. La sezione principale dell'elettromagnete si trova a destra, con 8 bobine e sporgenze verticali dei denti magnetici che servono per attrarre/respingere il rotore in sequenza. Una molla a onda in basso a destra tiene il rotore in tensione, mentre alcune viti che tengono insieme il tutto sono parzialmente oscurate.

Le due immagini successive mostrano il rotore in modo più dettagliato, con un piccolo magnete a disco capovolto per indicare la polarità. Segue un primo piano dello statore, con le sue bobine e sporgenze.

Mettendo tutto insieme (di nuovo), l'immagine successiva mostra uno spaccato del rotore e delle bobine allineate. Un Arduino Uno e uno scudo motore utilizzano un chip con driver L293D per attivare il motore stepper in sequenza. Questi chip sono particolarmente adatti per i motori stepper perché implementano due circuiti a ponte H che consentono di eccitare le bobine in entrambe le direzioni.

Lo scudo motore L293D è collegato a questo motore stepper modificato che esegue una versione modificata del codice di test dello scudo motore di Adafruit (molto più lento e 200 fasi per giro invece delle 48 predefinite). I LED sono stati collegati alle uscite della bobina, con il rosso in una direzione e il blu nell'altra. In questo modo, il rosso si accende in una direzione della bobina e il blu in quella opposta. Quando passa attraverso i suoi quattro modelli di fasi, fornisce una buona visualizzazione del flusso di corrente:

Motori stepper bipolari: controlli di movimento utili

In fin dei conti, è probabile che non si debba mai prendere in considerazione l'interno di un motore stepper, poiché con il driver e il software giusti in genere funziona. Allo stesso tempo, si spera che questo articolo abbia fornito qualche informazione in più su ciò che accade in questi dispositivi straordinari. Anche se il loro utilizzo presenta alcune limitazioni (ad esempio l'assenza di feedback integrato come per i servomotori), i motori stepper possono spesso rappresentare una scelta eccellente per un controllo preciso della rotazione.

Se hai bisogno di feedback e adattamenti a seconda della velocità piuttosto che della pura distanza, leggi il nostro articolo su come implementare una configurazione del controllo PID.