Guida completa ai Motori passo passo

Il motore passo paso è un tipo di motore a Corrente Continua sincrono senza spazzole che, diversamente dagli altri tipi standard di motori elettrici, non ruota in continuazione per un numero arbitrario di giri fino a che non viene interrotto il flusso di corrente continua.

Al contrario, i motori passo passo sono dispositivi con controllo digitale delle sorgenti in input e in output, per l'avvio e l'arresto di precisione. Sono costruiti in modo tale che la corrente che li attraversa passi in una serie di bobine disposte in fase, che possono essere attivate o disattivate in rapida sequenza.

Questo permette al motore di girare una frazione di rotazione alla volta, ed è a ciascuno di questi predeterminati passi (step in inglese) che il motore deve il suo nome (motore stepper).

Un motore passo passo è costruito in modo da suddividere una singola rotazione completa in un numero di gran lunga minore di rotazioni parziali essenzialmente uguali. Ai fini pratici questa caratteristica permette di ordinare al motore passo passo di muoversi entro gradi e angolazioni di rotazione impostati.

Il risultato finale è che un motore passo passo può trasferire movimenti minuziosamente accurati a parti meccaniche che richiedono elevati gradi di precisione.

I motori passo passo sono generalmente controllati digitalmente e funzionano come componenti chiave in sistemi di controllo ad anello-aperto (noti anche con il termine inglese open-loop).

Sono principalmente impiegati in applicazioni di mantenimento o posizionamento dove la loro abilità di assumere posizioni di rotazione, velocità e torsioni molto più definite li rendono ideali per compiti che richiedono un controllo dei movimenti estremamente rigoroso.

In un normale motore a spazzole a corrente continua, il voltaggio viene applicato ai terminali, che, a turno, provocano la rotazione di una bobina all’interno dello statore, un alloggiamento magnetico fisso.

In questo meccanismo, il rotore, ovvero la bobina che ruota, diventa a tutti gli effetti un elettromagnete e gira rapidamente al centro del motore secondo il famoso principio dell’attrazione/repulsione magnetica.

Una combinazione di spazzole (contatti elettrici) e commutatore (un interruttore elettrico rotante) permettono una veloce alternanza della corrente che attraversa la bobina. Questo crea una rotazione continua unidirezionale del rotore che prosegue fino a che il motore viene alimentato con corrente sufficiente.

Un potenziale svantaggio di questa tipologia di motori è che ruota continuamente e per un numero arbitrario di rotazioni fintantoché viene alimentato. Questo rende molto difficile controllare l’esatto punto in cui si fermerà il motore, rendendolo, di fatto, inadatto a tutte quelle applicazioni che richiedono maggior precisione dei controlli.

Controllare manualmente il flusso di corrente al motore tramite l’interruttore, infatti, non può fornire la precisione di avvio-arresto richiesta per eseguire movimenti minuziosamente accurati.

In un motore passo passo l’impostazione è decisamente diversa. Invece della rotazione di una bobina (rotore) all’interno dell’involucro magnetico (statore), i motori passo passo sono costruiti in modo da avere uno statore fisso disposto attorno a una serie di elettromagneti "dentati" che ruotano al centro.

Il motore passo passo converte la corrente elettrica a impulsi, controllata da un controller per motori passo passo, in una serie di movimenti a singolo passo.

Ognuno di questi impulsi muove il motore passo passo attraverso un incremento preciso e fisso di un giro completo. Nel momento in cui la corrente passa tra le bobine collegate in sequenza all’esterno dello statore, il rotore può completare le rotazioni o parti di esse, in base alle esigenze, oppure può essere arrestato bruscamente a qualsiasi passo.

In definitiva, il reale vantaggio di un motore passo passo, rispetto ad un normale motore CC a spazzole, consiste nel fatto che può rapidamente collocarsi in una precisa e ripetibile posizione o intervallo, e mantenere la posizione per tutto il tempo necessario.

Questo li rende estremamente utili, come abbiamo detto, in applicazioni estremamente delicate e precise, come la robotica o la stampa.

Gli esperti di Learn Engineering hanno creato il video che trovi qui sotto che mostra come funziona un motore passo passo:

Ci sono numerosi tipi di motore passo passo in vendita e sapere in cosa ciascuno differisce dagli altri ti aiuterà a comprendere quale modello risulta essere più indicato all’applicazione che hai in mente.

Motori passo passo bipolari

Un motore passo passo bipolare presenta un driver integrato che impiega un circuito con ponte H per invertire il flusso di corrente attraverso ciascuna fase. Alimentando le fasi mentre si alterna la polarità, tutte le bobine possono essere messe in funzione e ruotare il motore.

In termini pratici questo significa che le bobine sono impiegate al meglio in un motore passo passo bipolare che in un motore unipolare (il quale utilizza, infatti, solo il 50% delle bobine alla volta), rendendo complessivamente i motori passo passo bipolari più potenti ed efficienti.

Nonostante i motori passo passo bipolari siano tecnicamente più complessi da mettere in funzione, essi tendono a essere venduti con un chip driver incorporato che gestisce la maggior parte delle istruzioni e dei comportamenti necessari.

L’aspetto negativo è che i motori passo passo bipolari presentano, solitamente, un costo iniziale maggiore rispetto a quelli unipolari. Infatti, i motori passo passo unipolari non necessitano una inversione del flusso di corrente per eseguire funzioni di stepping: questo rende la loro elettronica interna più semplice ed economica da costruire.

 

Motori passo passo ibridi

I motori passo passo ibridi permettono una maggior precisione attraverso tecniche come l’half stepping e il microstepping.Il micro-stepping è un modo per aumentare il numero fisso di passi che può coprire un motore: basta programmare il driver in modo che mandi alle bobina forme d’onda alternate di seno/coseno. Ciò significa che il motore passo passo può essere programmato per funzionare più regolarmente e velocemente rispetto ad una configurazione standard.

I motori passo-passo ibridi di solito hanno denti sfalsati rispetto alla parte esterna del rotore. Ciò significa anche che i passi e le rotazioni possono essere controllati con maggiore precisione, oltre a offrire un funzionamento più silenzioso, coppia più elevata e velocità maggiore rispetto ai motori passo-passo standard.

I motori passo passo hanno una ampia gamma di applicazioni in numerosi campi industriali e discipline. Gli usi più comuni sono i seguenti:

• Elaborazione dati
• Robotica
• Foto e videocamere
• Stampanti e scanner, incluse stampanti 3D
• Automazione di vari processi e macchinari per l’imballaggio
• Posizionamento di stadi delle valvole pilota nei sistemi di controllo dei fluidi
• Attrezzature di posizionamento di precisione

In questo paragrafo, andremo a dare uno sguardo ravvicinato ad alcune di queste applicazioni più comuni.

Motori passo passo per stampanti 3D

Le liste dei componenti più comuni delle stampanti 3D includono quasi sempre un motore passo passo di qualsiasi tipologia. Questo perché l’impiego di un motore passo passo in una stampante 3D è un modo estremamente accurato e economico per riuscire a eseguire azioni e rotazioni molto precise mentre la stampante è coinvolta nel processo di traduzione delle informazioni da scansioni digitali a oggetti fisici tridimensionali.

I motori passo passo e i rispettivi driver nelle stampanti 3D permettono di eseguire piccoli movimenti estremamente controllati lungo gli assi X, Y e Z, separatamente o contemporaneamente. Questo comporta una estrema accuratezza dei movimenti e dei posizionamenti senza la necessità di ricorrere a encoder o altri software o sensori aggiuntivi.

La maggior parte delle stampanti 3D incorporano più di un motore passo passo: possono essere collocati sia nelle piattaforme di costruzione stesse che negli estrusori di filamenti, dove sono impiegati per aiutare a tirare il filamento e controllare la fornitura uniforme e costante di materiale alla macchina per tutta la durata del processo di stampa.

 

Motori passo passo per machine a controllo numerico (CNC)

I motori passo-passo sono un'opzione alternativa ai servomotori per alimentare la maggior parte dei macchinari CNC.

Le applicazioni CNC includono una vasta gamma di processi produttivi in cui il software pre-programmato controlla il funzionamento e il movimento fisico delle macchine utensili.

Mentre i motori passo passo per macchine a controllo numerico sono spesso visti come l’alternativa più economica ai servomotori, si tratta di una eccessiva semplificazione che si basa sulla conoscenza delle tecnologie datate e non sempre si dimostra essere accurata oggi.

I motori passo passo, infatti, sono indubbiamente più economici dei servomotori a parità di potenza, ma le versioni moderne tendono ad essere altrettanto versatili. Di conseguenza, i motori passo-passo si trovano con più facilità e si trovano in una più ampia gamma di macchinari e sistemi, dalle macchine utensili ai computer desktop alle automobili.

I motori stepper CNC hanno anche un vantaggio fondamentale rispetto ai servomotori in quanto non richiedono un encoder. I servomotori sono intrinsecamente più complessi da comprendere e far funzionare rispetto alle versioni stepper, e parte di questa complessità è dovuta al fatto che includono un encoder, che risulta essere maggiormente incline ai guasti rispetto alla maggior parte delle componenti degli altrimenti affidabili servomotori. I motori passo passo non necessitano di un encoder, cosa che conferisce loro, almeno teoricamente, un'affidabilità ancor maggiore rispetto ai servomotori.

Inoltre, il fatto che i motori passo passo non abbiano spazzole (diversamente dai servomotori) li porta a non richiedere una sostituzione periodica, a condizione che i cuscinetti rimangano in buone condizioni.

 

Motori passo passo e Raspberry Pi

I motori passo-passo sono una periferica estremamente comune da aggiungere ai moduli di elaborazione a scheda singola Raspberry Pi per gli utenti appassionati che imparano i fondamenti di base di programmazione.

I kit di partenza del Raspberry Pi sono tipicamente venduti in configurazioni decisamente spoglie, basate sull’idea che siano gli utenti stessi ad aggiungere qualsiasi componente addizionale al proprio sistema nell'ordine in cui si sceglie di impararli.

Nella comunità di utenti del Raspberry Pi, imparare a manipolare e controllare piccoli ed economici motori passo passo è comunemente visto come un passo logico successivo dopo aver imparato a controllare i cicli di accensione/spegnimento dei LED e altri semplici tipologie di interruttori o pulsanti. In effetti, andando a collegare in sequenza un paio di motori stepper, gli appassionati possono iniziare a creare un semplice robot programmabile.

Sul mercato italiano sono disponibili numerose tipologie di motori passo passo particolarmente indicati per questa precisa applicazione, a partire da versioni 5V estremamente economiche, che sono estremamente facili da gestire con le intestazioni della scheda madre del Raspberry Pi.

 

Motori passo passo per le fotocamere e videocamere

I motori passo passo sono ampiamente impiegati in una vasta gamma di applicazioni nelle tecnologie di fotocamere e videocamere di fascia alta. Sono impiegati sia per controllare gli interni ad elevata precisione, come le impostazioni di messa a fuoco automatica e apertura dell'obiettivo, sia gli involucri e le meccaniche esterne delle videocamere di sorveglianza e i sistemi di monitoraggio a distanza.

In particolare i motori passo passo e i cursori motorizzati delle videocamere permettono un funzionamento molto fluido degli impianti di posizionamento della telecamera.

Ciò significa che le riprese degli apparecchi di sicurezza possono essere mantenute libere da distorsioni potenzialmente problematiche causate dal movimento fisico della telecamera attorno al suo campo visivo. I motori passo passo offrono molte altre caratteristiche interessanti per l'uso in sistemi di posizionamento di videosorveglianza, come torsioni complete ad arresto, tempi di risposta agli ordini di movimento estremamente precisi ed immediati, consistente ripetibilità di movimenti predeterminati e semplici controlli ad anello aperto definiti da passi fissi.

I motori passo-passo sono un modo incredibilmente versatile, affidabile, economico e accurato di controllare movimenti precisi del motore, permettendo a chi li usa di aumentare la destrezza e l’efficacia dei movimenti programmati in una vasta gamma di applicazioni e settori. Pertanto, costituiscono un importante e ampiamente diffuso sottoinsieme della più vasta categoria di automazione e apparecchiature di controllo.

Con una tale vastità di marche di motori passo passo, dimensioni, valori di coppia, design e applicazioni specifiche in vendita sul mercato italiano e in tutto il mondo, è fondamentale capire precisamente quale configurazione si adatta meglio a quale tipo di applicazione nel momento in cui si sta pianificando l’acquisto.