La coppa in un motore dipende dalla corrente che scorre attraverso le bobine del motore. Per questo motivo, la maniera più comune e logica per controllare la coppa è eseguire una regolazione di corrente monitorandola direttamente. Questo metodo è chiamato controllo di modalità di corrente. Esiste un altro modo per guidare un motore, chiamato controllo di modalità di tensione.
In questo caso, la corrente non è monitorata, ma la tensione che deve essere applicata al motore è calcolata al fine di ottenere la corrente desiderata. Questo articolo illustra i vantaggi e gli svantaggi di entrambi i metodi. Il driver per motori stepper powerSTEP01 di STMicroelectronics è l'unico driver sul mercato che può essere programmato per utilizzare entrambi i metodi.
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Nella progettazione di un motore, le specifiche elettriche del motore possono essere rappresentate come induttanza, resistenza e EMF posteriore, come illustrato dalla Figura 1. Un motore stepper bidirezionale dispone di un ponte H doppio; gli stessi segnali sono applicati a ogni ponte H, con una differenza di fase di 90 gradi. Di conseguenza, poniamo la nostra attenzione su un solo ponte H.
Figura 1
In un controllo di modalità di corrente, la corrente è monitorata grazie a una resistenza shunt posta all'estremità inferiore del ponte H (vedere Figura 2) e la tensione nella resistenza shunt è connessa a un ADC.
Figura 2
In base a questa tensione, vengono attivate varie azioni, come riassunto dalla Figura 3. Se la tensione supera un dato limite, deve avvenire una discesa. Se è necessario che la corrente decresca lentamente, viene eseguita una discesa lenta rimettendo in circolo la corrente sul lato basso (o sul lato alto) del ponte. Una discesa veloce fa diminuire la corrente rapidamente applicando una tensione negativa alla bobina. Dopo un breve periodo di tempo, la corrente deve incrementare, quindi viene applicata una tensione positiva al motore. La corrente quindi fluttua intorno al valore target, fino a che non viene programmato un nuovo valore.
Figura 3
In seguito, devono essere risolti i seguenti problemi con il controllo di modalità di corrente:
- Requisito relativo alla programmazione di discesa veloce e lenta nello stesso ciclo.
- Algoritmo per il timing della discesa. Quando il BEMF cambia insieme alla velocità, il timing della discesa deve cambiare. D'altra parte, nei motori a micropassi, il valore del passo è diverso e richiede un timing diverso per ogni micropasso. Anche con un timing ottimizzato, la corrente è rumorosa, il che impedisce un posizionamento accurato.
- Con il cambiare del timing, anche la frequenza cambia e può cadere nel rumore audio. Naturalmente, ciò non è accettabile per molte applicazioni.
- Requisito dei resistori shunt. In condizioni di alta corrente, i resistori shunt sono ampi e costosi.
Il controllo di modalità di tensione risolve questi problemi. Come visto in precedenza, il motore è un'induttanza e una resistenza che hanno valori fissi e un Back EMF che dipende dalla velocità del motore. A seconda della velocità del motore, il sistema si comporta come un circuito resistivo (a bassa velocità) o come un circuito induttivo (ad alta velocità). Avendo una corrente target Iph_target, la tensione da applicare viene calcolata attraverso le seguenti equazioni:
Dove Ke indica la costante elettrica del motore in V/Hz e fel indica la frequenza elettrica espressa in Hz.
In questa modalità, la tensione viene applicata da un PWM di frequenza fissa (per la maggior parte dei sistemi, una frequenza di 20 kHz è adeguata, quindi sempre al di sopra delle frequenze audio). Di conseguenza, non c'è alcuna discesa mista da gestire e il sistema fornisce operazioni più fluide e un posizionamento più accurato, oltre a consentire di individuare gli stalli e di controllare meglio la coppa a basse velocità. Sfortunatamente, qualunque motore stepper ha una risonanza a varie velocità e il controllo di modalità di tensione mostra delle debolezze quando l'ammortizzatore non è abbastanza alto. Dato che la corrente non è monitorata, infatti, in seguito a vibrazioni, il BEMF non è più prevedibile. Come da progetto, la frequenza e il valore della tensione non possono essere adattati, la fase di corrente segue i movimenti instabili del BEMF, con il risultato di una coppa non controllata che potrebbe provocare un fermo.
La figura 4 illustra le differenze di guida in queste due modalità. Le uscite di tensione del ponte H sono in blu e verde, mentre la corrente presente nel motore è marrone. Nel controllo di modalità di corrente, quando blu e verde sono in interblocco, avviene una discesa mista, veloce e lenta, diversamente dalla modalità tensione, che utilizza solo la discesa lenta per aggiustare la corrente.
Figura 4
In conclusione, a seconda dei requisiti, il controllo di modalità di corrente o tensione sono più che adeguati. A basse velocità, il controllo di modalità di tensione ha maggiori vantaggi, mentre ad alte velocità, o se il motore ha delle fasi di risonanza, è più adatta la modalità di corrente. PowerSTEP01 di STMicroelectronics è programmabile per guidare motori stepper in entrambe le modalità, il che consente di progettare piattaforme versatili.