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Feedback sui motori passo-passo per un posizionamento e una tenuta migliori (e meno squilli)

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DOMANDE E RISPOSTE

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I motori passo-passo sono la scelta migliore per molte applicazioni di controllo del movimento e della posizione. Sono disponibili in un'ampia gamma di dimensioni e coppie nominali e sono molto meno costosi dei servomotori di fascia alta. Parliamo quindi di come aumentare le prestazioni dei motori passo-passo rispetto a quelle dei servomotori aggiungendo dispositivi di retroazione. I motori passo-passo dotati di retroazione non sostituiscono completamente i servomotori, ma possono rappresentare un'alternativa affidabile per molte applicazioni reali. Queste soluzioni per la progettazione del movimento migliorano le prestazioni della macchina senza spendere troppo.

Vantaggi e svantaggi dei motori passo-passo da affrontare
I motori passo-passo sono motori elettrici CC senza spazzole che si muovono a passi discreti anziché con un movimento rotatorio continuo. Questi movimenti a gradini sono guidati da spostamenti del campo magnetico da parte di serie di bobine elettromagnetiche nello statore. Il funzionamento dei motori passo-passo dipende da un controllore, un dispositivo elettronico che alimenta la corrente alle bobine dello statore del motore in una sequenza che determina il movimento a gradini. Le capacità del controllore hanno un impatto significativo sulle prestazioni del motore.

Esistono diversi tipi di motori passo-passo, ma quelli più comuni offrono una buona risoluzione (200 passi per giro o meglio), una coppia a bassa velocità di tutto rispetto, una struttura robusta, una lunga durata e un costo relativamente basso. Tuttavia, hanno dei limiti. La coppia in uscita diminuisce a velocità di rotazione più elevate e (con semplici controllori) i motori passo-passo possono essere soggetti a ringing - vibrazioni ad alta frequenza. Lo svantaggio maggiore è che, anche nelle applicazioni di posizionamento, i sistemi di base con motore passo-passo funzionano con un controllo ad anello aperto.

I motori passo-passo rispondono alle istruzioni del controllore per muoversi di un certo numero di passi, ma non restituiscono al controllore alcun feedback sul completamento del movimento. Pertanto, se il motore non riesce a completare i movimenti a gradini richiesti, può verificarsi una crescente discrepanza tra ciò che il controllore assume come posizione di rotazione dell'albero del motore e la posizione reale dell'albero (e di eventuali carichi o meccanismi collegati). Tali discrepanze si verificano quando la coppia del motore è insufficiente a vincere la resistenza meccanica... e in effetti, queste discrepanze possono diventare un problema significativo ad alto numero di giri, perché è in quel momento che le capacità di erogazione della coppia del motore sono limitate. Ecco perché i progettisti spesso sovraspecificano i motori passo-passo per evitare passi falsi, anche se questo comporta la scelta di motori passo-passo troppo grandi e pesanti per tutti i profili di movimento, tranne quelli più impegnativi.

Un altro inconveniente è che quando un motore passo-passo applicato tradizionalmente si ferma, la corrente deve passare attraverso gli avvolgimenti del motore per mantenere l'albero in posizione. Questo consuma energia elettrica e riscalda gli avvolgimenti del motore e i componenti circostanti.

Feedback sui sistemi con motore passo-passo per un posizionamento affidabile
L'aggiunta di encoder a un sistema con motore passo-passo per ottenere un feedback sulla posizione dell'albero chiude essenzialmente l'anello di controllo. L'aggiunta di questi dispositivi di retroazione aumenta il costo complessivo del sistema, ma non quanto il passaggio a un servomotore.

Un approccio per aggiungere il feedback dell'encoder è quello di operare in modalità di spostamento e verifica. In questo caso, si aggiunge un semplice encoder incrementale all'albero di coda del motore passo-passo. Quando il controllore impartisce comandi di passo al motore, l'encoder verifica continuamente al controllore che i movimenti comandati si siano verificati. Se il motore non riesce a completare il numero di passi richiesto, il controllore può richiedere altri passi finché il motore non raggiunge la posizione desiderata. I controllori più sofisticati aumentano anche la corrente di fase nel motore per incrementare la coppia necessaria a compiere quei passi in più.

Gli encoder utilizzati in queste configurazioni di spostamento e verifica hanno in genere risoluzioni che sono un multiplo di 200 posizioni per giro.

Si noti che le configurazioni che impiegano le modalità di spostamento e verifica possono ancora trarre vantaggio dall'inclusione di motori sovradimensionati, ma non sovradimensionati nella misura richiesta dai semplici sistemi ad anello aperto.

Si noti inoltre che questa modalità può aiutare i controllori intelligenti a regolare con precisione le correnti di mantenimento nel motore per migliorare leggermente l'efficienza durante l'arresto... anche se il consumo energetico complessivo tende comunque a essere elevato.

Controllo stepper ad anello chiuso con encoder assoluti
Un'altra opzione un po' più sofisticata per le applicazioni critiche di controllo della posizione è il controllo ad anello chiuso completo con encoder assoluti multigiro. Gli encoder utilizzati in questo caso si collegano all'albero di coda di un motore passo-passo per monitorare:

1. La posizione angolare del motore passo-passo e la posizione angolare del motore passo-passo
2. Il numero di giri completi del motore passo-passo.

In questa configurazione, il motore passo-passo è controllato come un motore DC brushless (bldc) ad alto numero di poli... e l'encoder fornisce continuamente un feedback di posizione al controllore. La corrente di mantenimento fornita al motore viene quindi adattata esattamente alla quantità necessaria per mantenere la posizione entro una determinata tolleranza di posizione. Un motore passo-passo controllato come un servomotore brushless è efficiente dal punto di vista energetico e meno costoso di un vero servomotore bldc. Quindi, perché non utilizzare motori passo-passo a basso costo per tutte le applicazioni servo bldc?

I motori passo-passo utilizzati nei servosistemi ad anello chiuso hanno una limitazione fisica che non si riscontra nei servomotori BLDC veri e propri. In particolare, i motori passo-passo così utilizzati funzionano essenzialmente come motori brushless a 50 poli, quindi non possono raggiungere i giri al minuto possibili con i servomotori. Inoltre, i rotori dei motori passo-passo hanno un'inerzia superiore a quella dei servomotori BLDC di pari potenza... quindi non possono fornire le stesse accelerazioni.

Quando si utilizza un motore passo-passo in modalità bldc, l'encoder svolge un ruolo fondamentale di commutazione, segnalando l'esatta posizione di rotazione dell'albero del motore... che a sua volta consente al controllore di eccitare il set appropriato di elettromagneti dello statore per la rotazione continua, come necessario. Inoltre, gli encoder assoluti di precisione possono aiutare i controllori microstepping avanzati a regolare con precisione la corrente di fase per ridurre il ringing (vibrazioni) che si verifica nei sistemi con motori passo-passo più semplici.