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Motori passo-passo ad anello aperto contro sistemi di motori passo-passo ad anello chiuso

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DOMANDE E RISPOSTE

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I sistemi di motori passo-passo sono un pilastro dell'industria del controllo del movimento. Esamineremo le differenze tra sistema ad anello aperto e sistema ad anello chiuso e spiegheremo gli ultimi sviluppi che rendono i sistemi di motori passo-passo ancora più veloci, silenziosi ed efficienti dal punto di vista energetico.

I sistemi di motori passo-passo hanno fatto molta strada rispetto ai primi tempi degli azionamenti in tensione e dello stepping completo. Prima sono arrivati gli azionamenti PWM e il microstepping, poi i processori di segnale digitale (DSP) e gli algoritmi anti-risonanza. Ora la nuova tecnologia stepper ad anello chiuso garantisce che i motori passo-passo continuino a essere una pietra miliare del settore del controllo del movimento per gli anni a venire.

Che il movimento sia lineare o rotatorio, le due considerazioni principali che determinano quali siano i motori e i sistemi di azionamento più adatti sono la coppia e l'efficienza. Questo vale sia che l'applicazione finale sia un sistema di assemblaggio automatizzato, una macchina per la movimentazione dei materiali, una stampante 3D, un posizionatore cartesiano, una pompa peristaltica o una delle innumerevoli altre applicazioni in cui i motori passo-passo sono la tecnologia preferita.

L'ultimo sviluppo nei sistemi passo-passo è l'applicazione di dispositivi di retroazione a basso costo e ad alta risoluzione e di DSP avanzati per chiudere l'anello del movimento passo-passo. Tali controlli aumentano le prestazioni degli stepper ad anello chiuso, superando i sistemi ad anello aperto. Come vedremo, uno di questi sistemi ad anello chiuso si basa su un progetto di motore integrato che comprende un dispositivo di retroazione, schede di pilotaggio e controllo, elettronica di alimentazione, comunicazione e I/O e connettori di sistema sul lato e sul retro del motore.

Sistemi passo-passo ad anello aperto e ad anello chiuso
Per prima cosa analizziamo come i sistemi stepper ad anello chiuso ad alte prestazioni si confrontano con i tradizionali sistemi stepper ad anello aperto in termini di coppia ed efficienza.

Le prestazioni dei sistemi stepper ad anello chiuso sono superiori a quelle dei sistemi ad anello aperto, come dimostrano i risultati dei test di laboratorio che confrontano l'accelerazione (coppia), l'efficienza (consumo energetico), l'errore di posizione (precisione), la generazione di calore e i livelli di rumore dei due sistemi. Basti pensare alla relazione tra coppia e accelerazione. Le curve coppia-velocità mostrano le gamme di coppia di picco e continua di un sistema stepper ad anello chiuso e la gamma di coppia utilizzabile di un sistema stepper ad anello aperto. Molto spesso, nel mondo reale, la coppia si traduce in accelerazione: i motori con una coppia maggiore possono accelerare più velocemente un determinato carico.

Per testare questa differenza di prestazioni di coppia in laboratorio, i sistemi di motori passo-passo ad anello aperto e chiuso di pari dimensioni ricevono carichi inerziali identici. La programmazione comanda ai due sistemi di eseguire profili di movimento identici, con la differenza che la velocità di accelerazione e la velocità massima vengono aumentate lentamente in ciascun sistema fino a quando non commettono errori di posizionamento.

Supponiamo che il sistema ad anello aperto ottenga una velocità di accelerazione massima di 1.000 giri/sec2 e una velocità massima di 10 giri/sec (600 giri/min). Questa velocità massima di 10 giri/sec corrisponde al punto in cui termina la parte piatta della curva coppia-velocità. Il sistema ad anello chiuso (grazie alla sua maggiore capacità di produrre coppia) ottiene un'accelerazione massima di 2.000 giri/sec2 e una velocità massima di 20 giri/sec (1.200 giri/min). Si tratta di prestazioni doppie rispetto al sistema ad anello aperto e dimezza quasi il tempo di movimento, da 110 msec a 60 msec.

Per le applicazioni che richiedono un'elevata produttività (come l'indicizzazione, il posizionamento di guide per bordi e i sistemi pick-and-place) il sistema ad anello chiuso offre un chiaro vantaggio in termini di prestazioni.

Efficienza ad anello aperto vs. efficienza ad anello chiuso
Per misurare l'efficienza relativa di un sistema ad anello aperto rispetto a quello ad anello chiuso, ipotizziamo di ripetere lo stesso test con gli stessi due motori di pari dimensioni. Questa volta facciamo lavorare fianco a fianco i motori ad anello chiuso e quelli ad anello aperto con gli stessi carichi inerziali, ma eseguiamo una programmazione che mantiene costanti e uguali i profili di spostamento, in modo che entrambi i sistemi eseguano la stessa quantità di lavoro.

Mentre i due motori indicizzano ripetutamente lo stesso profilo di movimento, viene misurato l'assorbimento di corrente dall'alimentatore CC che alimenta i due sistemi e viene calcolato il consumo energetico. Come si può vedere nei grafici dei valori, il consumo medio di energia del sistema stepper ad anello aperto è di 43,8 watt, mentre quello del sistema ad anello chiuso è solo di un terzo - 14,2 watt in media. Questa differenza notevole nel consumo di energia dimostra chiaramente la maggiore efficienza del sistema ad anello chiuso. Tutti gli utenti che desiderano aumentare l'efficienza del proprio sistema stepper ad anello aperto possono ora considerare un semplice aggiornamento a un sistema ad anello chiuso e aspettarsi un consumo significativamente inferiore.

Come affrontare il problema del riscaldamento del motore
Un'estensione naturale dei test sul consumo di energia è l'indagine sul riscaldamento del motore. I sistemi stepper ad anello aperto sono semplici. È sufficiente impostare l'azionamento per la corrente nominale del motore e l'azionamento farà del suo meglio per fornire quella corrente al motore in ogni momento, indipendentemente dal fatto che la coppia risultante sia necessaria o meno. Questo spesso causa la generazione di calore invece che di energia per la funzione dell'applicazione ed è il motivo per cui i sistemi stepper ad anello aperto funzionano tipicamente più caldi delle controparti ad anello chiuso. Ciò significa anche che i progettisti delle macchine devono adottare misure aggiuntive per gestire questo calore, spesso includendo protezioni speciali intorno ai motori passo-passo che funzionano in prossimità di operatori umani, o installando sistemi di raffreddamento aggiuntivi come le ventole.

Consideriamo i risultati di un test di riscaldamento del motore condotto in laboratorio utilizzando gli stessi sistemi ad anello aperto e ad anello chiuso di cui sopra. Anche in questo caso, i due sistemi producono la stessa quantità di lavoro azionando gli stessi carichi inerziali e vengono lasciati funzionare fino al raggiungimento dell'equilibrio termico. Il sistema ad anello aperto raggiunge una temperatura della cassa di 76,0° C, mentre il sistema ad anello chiuso raggiunge l'equilibrio termico a una temperatura della cassa di soli 36,9° C, meno della metà di quella del sistema ad anello aperto. Questa significativa riduzione del riscaldamento del motore può tradursi in una riduzione dei costi dei componenti per i costruttori di macchine, che possono così rinunciare ai sottosistemi di protezione e raffreddamento.

Niente più motori rumorosi
Un'altra lamentela comune sui sistemi stepper ad anello aperto è che sono noti per la loro rumorosità. In alcuni ambienti, come laboratori, ospedali e uffici, questo rumore può rappresentare un vero problema per i progettisti di macchine.

Il rumore emesso dai motori passo-passo deriva dall'alta frequenza elettrica e dalle rapide variazioni di flusso nei denti dello statore, e dal fatto che i sistemi ad anello aperto funzionano alla massima corrente nominale, indipendentemente dal carico. I sistemi passo-passo ad anello chiuso, invece, forniscono al motore la corrente sufficiente per controllare il carico e questo comporta un rumore molto meno udibile.

Per ottenere i risultati dei test mostrati nel grafico del rumore acustico che accompagna questo articolo, il rumore acustico di ciascun sistema viene misurato in una camera insonorizzata. Il sistema ad anello chiuso è nettamente più silenzioso dell'opzione ad anello aperto a velocità comprese tra 0 e 20 giri/sec. Questo intervallo di velocità coincide con la gamma di velocità reali delle applicazioni in cui i sistemi di motori passo-passo sono più spesso utilizzati, il che significa che la stragrande maggioranza delle applicazioni con motori passo-passo potrebbe beneficiare di una riduzione del rumore del motore se passasse a sistemi ad anello chiuso.

Migliore precisione del motore per eliminare gli errori di posizione
I sistemi di motori passo-passo ad anello aperto sono apprezzati per la loro capacità di posizionare con precisione i carichi senza un meccanismo di retroazione o un sistema di controllo ad anello chiuso, ma solo se il sistema ad anello aperto ha un margine di coppia sufficiente per evitare errori di posizione durante il normale funzionamento. Per una maggiore accuratezza e per un progetto di sistema più robusto, la chiusura dell'anello di posizione del servo attorno al feedback dell'encoder ad alta risoluzione consente ai sistemi ad anello chiuso di compensare automaticamente gli aumenti della richiesta di coppia che altrimenti porterebbero a errori di posizione nei sistemi ad anello aperto. Ciò migliora notevolmente l'accuratezza complessiva del sistema, in particolare per le applicazioni altamente dinamiche come i sistemi pick-and-place e le stampanti 3D, dove sono necessari movimenti brevi e veloci e frequenti cambi di direzione.

Aggiornamento dei sistemi passo-passo esistenti
Tra i componenti di un sistema integrato di motori passo-passo, il motore, l'amplificatore di potenza e i costi di comunicazione in genere non aumentano quando si passa dall'anello aperto all'anello chiuso. L'elettronica di controllo può richiedere un po' più di potenza di elaborazione centrale o di memoria per il servocontrollo del motore, ma in genere non incidono sui prezzi di listino. Gran parte della differenza di costo tra i sistemi stepper ad anello aperto e quelli ad anello chiuso risiede nell'aggiunta di un dispositivo di retroazione ad alta risoluzione, ma i miglioramenti nella produzione hanno reso questi dispositivi sempre più accessibili. Attualmente, i sistemi stepper ad anello chiuso mantengono i vantaggi di costo dei sistemi stepper ad anello aperto rispetto ad altri tipi di sistemi di posizionamento, come i servo tradizionali, ma con prestazioni notevolmente superiori sotto quasi tutti i punti di vista. In genere, il risparmio energetico e la maggiore produttività di un sistema ad anello chiuso ripagano rapidamente il leggero aumento di costo del dispositivo di retroazione.

Oltre a un aumento minimo dei costi, l'aggiornamento da un sistema stepper ad anello aperto a un sistema ad anello chiuso è semplificato dalle offerte di dimensioni del telaio NEMA. Un motore passo-passo NEMA 23 ad anello chiuso ha le stesse dimensioni del telaio, lo stesso diametro pilota, la stessa circonferenza dei fori per i bulloni e lo stesso diametro dei fori per i bulloni di un motore passo-passo NEMA 23 ad anello aperto, quindi le staffe di montaggio rimangono le stesse. La maggiore coppia disponibile dal sistema ad anello chiuso significa che il diametro dell'albero del motore a gradini ad anello chiuso può essere maggiore, ma questo problema può essere risolto facilmente con una semplice modifica dell'accoppiamento dell'albero.