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Impatto della velocità sulle prestazioni di coppia del motore passo-passo

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L'effetto della velocità sulle prestazioni di coppia del motore passo-passo

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I motori passo-passo sono generalmente scelti per applicazioni che richiedono un posizionamento preciso, una coppia di mantenimento e una coppia dinamica a bassa velocità. Sono stati utilizzati anche per fornire una coppia relativamente elevata a velocità elevate, anche se ciò è certamente poco comune a causa del funzionamento del motore passo-passo. Le prestazioni del motore si misurano in termini di velocità e coppia dinamica generata in determinate condizioni di guida (tensione/corrente di ingresso). La coppia generata nei motori passo-passo è proporzionale alla corrente fornita alle bobine, fino al limite di saturazione; in altre parole, maggiore è la corrente nella bobina, maggiore è la coppia. Tuttavia, l'induttanza (L) e la resistenza (R) dell'avvolgimento limitano la corrente nella bobina, limitando così la generazione della coppia.

Capire la costante di tempo elettrica

I motori passo-passo hanno due avvolgimenti di fase montati su statori separati. Un circuito elettrico per una fase del motore può essere rappresentato da un semplice circuito come mostrato nella Figura 1. (Fare clic sul link per vedere la figura sul nostro sito web).

Nei motori passo-passo, la corrente viene fornita in passi/impulsi. Idealmente, l'impulso di corrente a gradini è un'onda quadra, cioè con tempo di salita e discesa nullo. Tuttavia, come mostrato nella Figura 2, la corrente mostra una risposta esponenziale dipendente dal tempo a causa dell'induttanza e della resistenza della bobina. Osservando l'equazione della corrente e la Figura 2, è chiaro che la corrente impiega un certo tempo per raggiungere il valore massimo nella bobina.

La costante di tempo (τ) del circuito LR è data da L/R. La costante di tempo elettrica è definita come il tempo necessario affinché la corrente nell'avvolgimento raggiunga il 63% del suo valore nominale. Ad esempio, se la corrente nominale del motore passo-passo è di 2 A per fase e dopo una costante di tempo la corrente nell'avvolgimento è di 1,264A, anche la coppia di uscita del motore corrispondente sarà proporzionalmente inferiore alla coppia nominale alla corrente nominale.

Perché i motori passo-passo erogano meno coppia a velocità più elevate?

Per ottenere la coppia nominale in uscita dal motore, la corrente nella bobina deve raggiungere il valore nominale. Quando il motore funziona a velocità inferiori, la corrente nella bobina ha tutto il tempo di raggiungere il valore nominale. Ciò significa che a velocità inferiori un motore passo-passo può fornire la coppia nominale. A velocità più elevate, invece, la costante di tempo gioca un ruolo fondamentale. Quando un motore passo-passo funziona a velocità elevate, il numero di impulsi forniti al motore in un determinato lasso di tempo è molto elevato, il che significa che il tempo a disposizione per la corrente per raggiungere il valore nominale è minore. Il valore nominale della corrente non può essere raggiunto in un avvolgimento di fase prima che la corrente venga fornita alla fase successiva e, poiché la corrente non è in grado di raggiungere il valore nominale, un motore passo-passo non può generare la coppia nominale e le prestazioni diminuiscono alle alte velocità.

Possiamo comprendere questo fenomeno osservando il motore 42M048D1B di Portescap.

La costante di tempo per il motore selezionato è di 0,807 ms; ciò significa che la corrente raggiungerà il 63% del suo valore nominale in 0,807 ms. Il tempo necessario alla corrente per raggiungere il suo valore nominale equivale a 5τ. In questo esempio, questo tempo sarà di 4 ms, che corrisponde a 250 PPS. Se la corrente negli avvolgimenti raggiunge il valore nominale, allora possiamo ottenere la coppia nominale dal motore.

È possibile superare questa limitazione e utilizzare il motore passo-passo per ottenere la coppia richiesta ad alta velocità utilizzando uno dei due metodi seguenti:

Utilizzo di un driver chopper. Un driver chopper utilizza la tecnica di attivare e disattivare rapidamente la tensione di uscita al motore (chopping) per controllare la corrente negli avvolgimenti del motore. Il driver chopper applica una tensione molto elevata al motore passo-passo a ogni passo, provocando un rapido aumento della corrente. Poiché il chopper driver mantiene una corrente costante negli avvolgimenti del motore anche ad alta velocità, è possibile ottenere la coppia richiesta dai motori passo-passo ad alta velocità.

Mantenimento di una costante di tempo elettrica inferiore. Se l'applicazione richiede una coppia elevata dai motori passo-passo ad alta velocità, l'avvolgimento deve essere personalizzato per mantenere il rapporto L/R il più basso possibile. I progettisti di Portescap possono personalizzare il progetto del motore per queste applicazioni, al fine di ottenere la coppia richiesta alla velocità desiderata.

Volete maggiori informazioni sull'utilizzo dei motori passo-passo in applicazioni ad alta velocità e coppia elevata? Contattate Portescap qui: saremo lieti di aiutarvi!