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Differenza tra azionamenti bipolari e unipolari per motori passo-passo

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Lavorare su uno sviluppo motorizzato richiede una certa conoscenza dei motori e dei controllori.

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Questo articolo si concentra sui motori passo-passo che è un tipo di motore DC senza spazzole con un alto numero di poli. Questa tecnologia è generalmente guidata in anello aperto senza alcun sensore di feedback, il che significa che la corrente è tipicamente applicata sulle fasi senza conoscere la posizione del rotore. Il rotore si muove per essere allineato con il flusso magnetico dello statore, quindi la corrente può essere fornita alla fase successiva.

Considereremo due modi per fornire corrente nella bobina: modo bipolare e modo unipolare. In questo articolo, spiegheremo le differenze dei motori bipolari e unipolari e i metodi di guida. Mostreremo i vantaggi e i limiti di entrambe le tecnologie.

Prendiamo l'esempio di un motore passo-passo a magneti permanenti a quattro passi (vedi figura 1). Il rotore è fatto con un magnete a una coppia di poli, e lo statore è composto da due fasi, la fase A e la fase B.

In unipolare: la corrente scorre sempre nella stessa direzione. Ogni bobina è dedicata a una direzione di corrente, il che significa che viene alimentata o la bobina A+ o la bobina A-. Le bobine A+ e A- non sono mai alimentate insieme.

In bipolare: la corrente può fluire in entrambe le direzioni in tutte le bobine. Le fasi A+ e A- sono alimentate insieme.

Un motore bipolare richiede almeno una bobina per fase e un motore unipolare richiede almeno due bobine per fase. Esaminiamo entrambe le opzioni in modo più dettagliato.

COSTRUZIONE DEL MOTORE

UNIPOLARE

Nella configurazione unipolare, ogni fase del motore è composta da due avvolgimenti. Con un motore bifase composto dalle fasi A e B, il motore ha quattro avvolgimenti (vedi figura 2).

La fase A è composta da A+, A-

La fase B è composta da B+, B-

Per ogni bobina, la corrente può scorrere in una sola direzione. Ecco perché lo chiamiamo unipolare.

Nel caso dell'azionamento in tensione, il sistema di controllo è molto semplice perché c'è un transistor (interruttore) per ogni bobina. Quando il transistor è chiuso, la bobina è alimentata. Per commutare, i transistor sono alternativamente chiusi e aperti.

I transistor Q1 e Q2 non possono essere chiusi allo stesso tempo. Per alimentare la fase A, chiudiamo o il transistor Q1 o Q2, a seconda della direzione della corrente che vogliamo far funzionare (vedi figura 3).

Con il controllo unipolare, solo metà della fase è alimentata alla volta, il che significa che la corrente usa solo metà del volume di rame. In genere, con l'azionamento in tensione si applicano resistenze seriali per diminuire la costante di tempo elettrica (vedi maggiori dettagli qui sotto).

BIPOLARE

I motori bipolari hanno bisogno di un solo avvolgimento per fase. Lo chiamiamo bipolare perché la corrente può andare in entrambe le direzioni per bobina. Per il controllo, sono necessari otto transistor con due ponti H (vedi figura 4).

Per fare la commutazione, i transistor sono alternativamente chiusi e aperti come mostrato di seguito (vedi figura 5).

Il vantaggio di un azionamento bipolare è che viene utilizzato tutto il rame per fase.

Tali azionamenti bipolari sono utilizzati sia in azionamento di tensione che in sorgente di corrente. In caso di fonte di corrente, di solito la corrente in ogni fase è controllata con una modulazione di larghezza d'impulso (PWM).

VANTAGGI E LIMITI

AZIONAMENTO IN TENSIONE

In caso di pilotaggio in tensione, il controllo dei motori unipolari è molto facile perché richiede una semplice elettronica con quattro transistor. Si tratta di una soluzione molto economica. Gli ingegneri erano interessati a questo tipo di soluzione molti anni fa, quando i componenti elettronici erano più costosi di oggi.

I motori bipolari possono essere pilotati con un azionamento in tensione; richiede 2 ponti H.

AZIONAMENTO IN CORRENTE

Per l'azionamento in corrente, si consiglia di scegliere una modalità bipolare. Lavorare in azionamento in corrente con la tecnologia unipolare richiede una soluzione elettronica più complessa per prestazioni del motore inferiori a quelle di un azionamento bipolare.

PRECAUZIONI DA PRENDERE CON UN AZIONAMENTO IN TENSIONE

A causa dell'effetto dell'induttanza, la corrente ha bisogno di un certo tempo per salire nella bobina. Sia con unipolare che bipolare, si può aggiungere una resistenza seriale per diminuire la costante di tempo elettrica (L/R).

Aggiungendo una resistenza esterna, la corrente diminuisce (i= U/(R+r)). In sintesi, con la resistenza addizionale per la stessa potenza fornita, avremo:

A bassa velocità, una coppia inferiore. La corrente è inferiore a causa della potenza joule dissipata nella resistenza esterna, poiché la coppia è proporzionale alla corrente, il motore fornirà meno coppia.

Ad alta velocità, una coppia maggiore. Anche se un po' di potenza joule viene dissipata nella resistenza esterna, il motore sarà in grado di fornire più coppia grazie alla costante di tempo elettrica più bassa che permette alla corrente di salire più velocemente nella bobina.

Nota: se aumentiamo la tensione di alimentazione, possiamo compensare la minore corrente, ma l'efficienza energetica complessiva sarà diminuita. La coppia viene migliorata ad alta velocità e mantenuta uguale a bassa velocità.

TENUTA DI COPPIA

La coppia di mantenimento è la coppia massima che il motore può mantenere allo stallo. La coppia di mantenimento è proporzionale alla costante di coppia e alla corrente nella fase.

Si può generare una coppia più elevata aumentando il numero di giri della bobina o aumentando il flusso di corrente.

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