Fabbriche collegate in rete, le applicazioni mobili spingono ad un nuovo sviluppo
Un motore stepper è un tipo di motore DC senza spazzole (BLDC) che si muove a passi discreti in risposta ai segnali esterni del meccanismo applicato alle bobine sullo statore. Anche se i motori stepper esistono da tempo, si verificano tuttora nuovi sviluppi in seguito ad applicazioni emergenti, nonché alle tendenze del settore.
Storia del motore stepper
L'origine del motore stepper può essere fatta risalire al “motore elettromagnetico” del XIX secolo; un importante brevetto sulla struttura del motore è stato concesso nel 1919 e le applicazioni pratiche sono comparse negli anni '20. Tuttavia, i primi design moderni del motore stepper sono stati sviluppati inizialmente negli anni '50 e sono diventati popolari durante il decennio seguente.
Esercizio del motore stepper
Un motore stepper contiene normalmente due gruppi di bobine sullo statore, chiamate "fasi", che sono azionati in modo indipendente da segnali in quadratura. Eccitando ciascuna fase della sequenza, il motore ruoterà una fase alla volta, per allineare i denti del rotore con la bobina sullo statore attualmente eccitato. La maggior parte dei design del motore stepper incorporano i magneti e i denti sia del rotore che dello statore con magneti permanenti situati nel rotore, mentre gli elettromagneti sono contenuti nello statore. La velocità del motore varia con il tasso di variazione degli impulsi di eccitazione; la direzione della rotazione cambia invertendo la sequenza di impulsi. Questo sistema di controllo non richiede informazioni sulla posizione da ritrasmettere al controller e, quindi, i motori stepper sono intrinsecamente dei dispositivi a circuito aperto.
Esistono diversi modi per fare condurre le fasi statoriche, ivi comprese le fasi complete, le semi-fasi o le microfasi, a seconda delle tecniche di controllo utilizzate.
Figura 1: una selezione di motori stepper e controller industriali. (Fonte: Arcus)
I motori stepper sono disponibili in numerose dimensioni e stili diversi; come tutti i motori, anche i motori stepper hanno vantaggi e svantaggi rispetto ad altri tipi.
Venendo agli aspetti positivi, i motori stepper sono a basso costo, robusti, facili da costruire e presentano un'elevata affidabilità. Grazie alla loro caratteristica a circuito aperto sono semplici da azionare e controllare. I motori erogano anche una coppia eccellente a basse velocità fino a cinque volte la coppia costante di un motore con spazzole delle stesse dimensioni o fino al doppio la coppia di un motore equivalente senza spazzole. Ciò elimina spesso la necessità di un cambio. Infine, i motori stepper hanno una maggiore sicurezza intrinseca rispetto ai servomotori e non sono inclini ad una perdita di controllo, indipendentemente dal guasto all'interno del controller.
D'altra parte, i motori stepper hanno alcuni inconvenienti. La mancanza di un elemento in retroazione significa che la posizione assoluta non è nota—soltanto la posizione relativa della fase—pertanto, ogni fase saltata rappresenta un errore incrementale. Pertanto il motore dovrà essere reimpostato ad una posizione nota di accensione o dopo un ripristino del sistema, di solito facendo percorrere al motore l'intera corsa fino a quando non si incontrano i fermi meccanici. In aggiunta, la precisione di posizionamento dipende dalla precisione degli ingranaggi meccanici o viti a sfere usate. Il funzionamento a circuito aperto può anche determinare l'ampiezza di oscillazione di anticipo-ritardo, che è difficile da smorzare, effetti di risonanza a determinati intervalli di frequenza e tempi di assestamento relativamente lunghi.
I motori stepper consumano corrente indipendentemente dalle condizioni di carico e, pertanto, tendono a surriscaldarsi; le perdite di velocità sono relativamente elevate e possono causare un eccessivo riscaldamento; e sono spesso rumorosi, soprattutto a velocità elevate. Le prestazioni a bassa velocità sono approssimative, a meno che non vengano usati motori a micropassi e non sono ottimali per le applicazioni ad alta velocità, poiché richiedono tensioni successivamente crescenti che portino ad una variazione della corrente in modo tempestivo, non appena la velocità aumenta.
I recenti progressi nei motori stepper
I motori stepper sono diventati popolari dagli anni '60, ma ciò non significa che la tecnologia è stagnante. Un miglioramento costante si è verificato nel corso degli anni nei molteplici aspetti dei motori stepper e dei loro sistemi di controllo, in particolare ivi compresa l'invenzione dei motori a micropassi negli anni '70, seguiti dai controller commerciali dieci anni più tardi. Di seguito quattro delle tendenze più recenti nello sviluppo dei motori stepper.
Controllo del motore stepper a circuito chiuso
L'avvento di potenti microcontroller a basso costo e il vettore o le strategie di controllo ad orientamento di campo (FOC) ha dato vita a i controller di movimento che possono far funzionare i motori stepper con dell'encoder, creando un controllo del motore stepper a circuito chiuso che può rimediare a molti degli inconvenienti di seguito riportati.
I vantaggi del controllo a circuito chiuso con motori stepper comprendono un'uniformità della velocità notevolmente migliorata e un ridotto consumo energetico rispetto ai motori stepper a circuito aperto, nonché una coppia molto elevata a bassa velocità rispetto ai tradizionali servomotori senza spazzole trifase. In aggiunta, i sistemi a circuito chiuso possono rilevare e correggere gli errori di posizione della fase saltata.
Le applicazioni per il motore stepper a circuito chiuso comprendono l'equipaggiamento di semiconduttori, robotica, macchine tessili, sistemi di controllo e d'ispezione e macchine di avvolgimento.
Motori stepper in miniatura per le applicazioni portatili
Una tendenza che sta interessando quasi tutti gli equipaggiamenti elettronici—dai connettori alle batterie per i motori—è l'inesorabile passaggio verso apparecchi più piccoli e leggeri. Le macchine desktop possono ora usurarsi; l'equipaggiamento che un tempo richiedeva lo spazio di un locale può essere ora portato in giro su un carrello a ruote. Questo, a sua volta, fa diventare i componenti sempre più piccoli e i motori stepper non fanno eccezione.
Figura 2: un motore stepper in miniatura con attuatore lineare e lenti integrate. (Fonte: Elabz)
I piccoli motori stepper generano corrispondentemente dei piccoli accessori meccanici. La figura 2 mostra un assemblaggio del motore stepper in miniatura con una vite madre integrata che funge da attuatore lineare per spostare le lenti del laser in un'unità HP DVD. L'intero assemblaggio può stare comodamente adagiato su una monetina, che ha un diametro di soli 17,9 mm!
Assemblaggi di motori stepper collegati in rete
La moderna fabbrica automatizzata utilizza celle multiple distribuite in tutto il reparto produzione, gestite da controller programmabili che comunicano tramite un protocollo di rete, come Fieldbus, Ethernet o CAN. La rete permette di accedere facilmente ai dati critici e sensibili al fattore tempo e alle informazioni tra i vari controlli distribuiti, per raggiungere una cella del sistema di controllo altamente coesiva, ma indipendente.
Nella ricerca incessante di una maggiore efficacia, fili più semplici, scalabilità modulare, risoluzione dei problemi più facile e dimensioni più piccole, la tendenza è quella di spingere il più avanti possibile l'intelligenza artificiale verso la catena del segnale, che ha portato allo sviluppo di soluzioni integrate con il motore stepper e che comprendono il motore stepper, l'encoder (se necessario per funzionamento a circuito chiuso), driver del motore e un'interfaccia di rete in una singola unità.
Un motore stepper tradizionale—insieme agli encoder, driver e controller—può avere bisogno di 20 collegamenti elettrici o più, aumentando la probabilità di errore. Il nuovo approccio genera numerosi benefici per l'OEM, ivi comprese un'installazione più rapida, rumore elettrico ridotto, un ingombro ridotto, costi di installazione inferiori e risoluzione dei problemi più facile. Per l'utente finale i benefici comprendono una maggiore affidabilità, facile sostituzione, maggiore operatività e maggiore produttività.
Tuttavia, ci sono alcuni inconvenienti. Il costo iniziale di un motore stepper integrato è maggiore rispetto al costo di sostituzione, dato che l'intera unità dovrà essere sostituita anche se un solo componente è difettoso. Molti produttori di motori stepper integrati declassano anche leggermente i motori per ridurre il calore generato, che è una delle principali cause di guasto elettronico. In aggiunta, è probabile che la scelta di motori stepper integrati sia più limitata di quella delle loro controparti disaggregate.
La progettazione finalizzata alla tolleranza ai guasti
Molti motori stepper funzionano con applicazioni di sicurezza critiche, nelle quali eventuali guasti possono determinare un malfunzionamento catastrofico del sistema. Esempi di ciò si possono trovare nel settore aerospaziale, medico, dei trasporti, militare e nucleare. Esistono diversi metodi per ridurre la possibilità di un tale guasto, ivi compresi i concetti della progettazione finalizzata alla tolleranza ai guasti—un sistema può continuare a funzionare bene in seguito al guasto di uno dei suoi componenti—e la progettazione ridondante, dove ogni operazione critica viene eseguita su due o più sistemi duplicati.
Per le installazioni su larga scala è possibile ricorrere ai sistemi duplicati, ma ciò può non essere fattibile in molte applicazioni in spazi ridotti. Dal punto di vista del motore stepper la tolleranza ai guasti implica caratteristiche, quali:
- Una ridondanza superiore usando segmenti nel motore identici sullo stesso albero,
- Fasi elettricamente isolate per prevenire il corto circuito fase-fase,
- Avvolgimenti magneticamente disaccoppiati per evitare una riduzione delle prestazioni in caso di mancanza delle altre fasi e
- Fasi isolate fisicamente per prevenire la propagazione del guasto nelle fasi attigue e per aumentare l'isolamento termico.
Un recente progresso in questo settore è lo sviluppo di un motore stepper bifase, tollerante ai guasti, in miniatura, che presenta quattro avvolgimenti che sono indipendenti l'uno dall'altro, ma normalmente collegati per impostazione predefinita. In una progettazione finalizzata alla tolleranza ai guasti, tuttavia, i quattro avvolgimenti sono separati elettricamente l'uno dall'altro, cosa che crea due motori stepper bifase con fasi isolate fisicamente ed elettricamente.
Gli avvolgimenti sono solo parzialmente accoppiati magneticamente; la configurazione ridondante determina una riduzione della coppia di circa il 30 per cento rispetto ad una configurazione standard; aumentando la corrente di fase si può ovviare a ciò. Molti motori in miniatura sono destinati ad applicazioni, quali apparecchiature mediche, aerospazio e fotonica.
Circuiti integrati per il controllo del motore stepper
Arrow offre numerose soluzioni per il controllo dei motori stepper. Texas Instruments, per esempio, ha il nuovo DRV8800—un driver del motore stepper a 2A con indicizzazione a micropassi di 1/16 e caratteristica di Auto-Tune, che automaticamente regola i motori stepper per un'ottimale regolazione della corrente e compensa le variazioni di velocità del motore e gli effetti dell’invecchiamento.
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Microchip ha anche un vasto assortimento, ivi compresi i kit di sviluppo del driver del motore stepper, quali la scheda di sviluppo dsPICDEM MCSM, che è destinata al controllo sia dei motori stepper unipolari che bipolari nella modalità a circuito aperto o circuito chiuso. Il software richiesto per il funzionamento dei motori in un circuito aperto o chiuso con micro passi variabili o completi è fornito in dotazione, come pure GUI per il controllo di comandi passo-passo, ingressi parametri motore e modalità di funzionamento è fornita di serie.