I motori passo-passo funzionano, nella maggioranza dei casi,
attirando, tramite due o più solenoidi disposti in modo opportuno, un magnete permante
che è libero di ruotare.
Il vantaggio di questo tipo di motore è quello di avere un'alta precisione della
velocità di rotazione, ruotando a passi distinti, e la mancanza di contatti striscianti,
tipici dei classici motori in corrente continua.
Troviano largo impiego ad esempio nelle stampanti (scorrimento carta e posizionamento
testina), nei drive (posizionamento della testina) e in tutti quei dispositivi che
necessitano di un'elevata precisone.
Le principali categorie dei motori passo-passo sono:
- a riluttanza variabile
- a magnete permanente
- ibridi
L'angolo di rotazione del motore è proporzionale al numero degli impulsi di ingresso.
L'errore angolare per impulso è molto piccolo e non si accumula.
La risposta ai comandi (direzione, partenza, fermata) è molto veloce ed il motore
è autobloccante poichè il rotore puo' mantenere una posizione fissa senza bisogno
di freni.
La velocità di rotazione è proporzionale al tipo di passo scelto e alla frequenza
degli impulsi.
Lo statore è sempre a poli salienti e tipicamente possiede una coppia di poli in
più del rotore per agevolare l'avviamento ed il cambiamento di direzione.
Di seguito sono presenti alcune imagini che mostrano il dispositivo.
Interno del motore passo - passo.
Interno del motore passo - passo.
Schema elettrico del componente.
La figura è schematizzata rispetto al dispositivo "reale" poichè sono rappresentate
solo due coppie di solenoidi.
Di seguito verrà considerato esclusivamente il caso di un motore passo-passo a 4
poli e due fasi a magnete permanente.
Le sequenze possibili per le correnti sono:
- a fase singola se una delle correnti è sempre nulla (sviluppato in seguito)
- a due fasi, a passo intero
- a due fasi, mezzo passo
Fase singola
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i1 (corrente entrante in B1)
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i2 (corrente entrante in A1)
|
Angolo
|
|
+
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0
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0
|
|
0
|
+
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1/2 pi
|
|
-
|
0
|
pi
|
|
0
|
-
|
3/2 pi
|
Due fasi
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i1 (corrente entrante in B1)
|
i2 (corrente entrante in A1)
|
Angolo
|
|
+
|
+
|
1/4 pi
|
|
-
|
+
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3/4 pi
|
|
-
|
-
|
5/4 pi
|
|
+
|
-
|
7/4 pi
|
In questo caso la corrente totale (in modulo) è il doppio del caso precedente (controllare
la corretta dissipazione termica del motore)
Mezzo passo
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i1 (corrente entrante in B1)
|
i2 (corrente entrante in A1)
|
Angolo
|
|
+
|
0
|
0
|
|
+
|
+
|
1/4 pi
|
|
0
|
+
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1/2 pi
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|
-
|
+
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3/4 pi
|
|
-
|
0
|
pi
|
|
-
|
-
|
5/4 pi
|
|
0
|
-
|
3/2 pi
|
|
+
|
-
|
7/4 pi
|
Successivamente verrà considerata solo la sequenza a fase singola.
Si vuole realizzare un semplice circuito che sia in grado di pilotare il motore
passo-passo utilizzando la sequenza a fase singola come nell'animazione seguente.
Viene generata un' onda quadra avente la frequenza desiderata da 2 a 100 Hz circa
utilizzando l'integrato NE555
in configurazione astabile. Poichè vogliamo poter regolare tale frequenza con buona
precisione utilizziamo un potenziometro logaritmico (resistenza variabile) da 4.7
KOhm e un commutatore (esclusivo) per collegare 6 differenti capacità (47 ; 23 ;
9.4 ; 4.7 ; 1 ; 0.3 uF circa). Nello schema non è presente, ma è stata utilizzata,
una capacità di 10000 pF sempre connessa per evitare che la frequenza cresca eccessivamente
durante i cambi di selezione esclusivi del commutatore. Il filtro passa-bassom,
costituito da una resistenza da 10 Ohm ed una capavità da 0.47 uF, presente all'uscita
dell' Ne555 è utile per lo stesso motivo.
Utilizziamo un 4017b decade counter per generare le 4 fasi in modo sequenziale connettendo
l'uscita Q4 al reset attivo basso per azzerare l'integrato una volta attivate tutte
le fasi 0,1,2,3. Naturalmente collegheremo l'uscita dell' NE555 filtrata all'ingresso
del clock del 4017b.
Amplifichiamo le correnti provenienti dalle 4 uscite, a cui sono collegati 4 led
di controllo, tramite altrettanti stadi a collettore comune realizzati con dei transistori
bipolari BC547.
A questo punto, generate le 4 fasi, dobbiamo progettare uno schema che permetta
a di avere due nodi con tensioni alterate (+ / - 12 volt) considerando che in questo
caso non abbiamo vincoli di riferimenti comuni. La possibilità che questi nodi possano
essere "flottanti" ci permette di semplificare molto le cose.
Il circuito permette di far fluire la corrente nel carico (il solenoide del motore)
con un verso determinato dalla fase attiva. Cio' è possibile attivando in maniera
opportuna i vari transistori ovvero portandoli in conduzione. E' assolutamente fondamentale
pilotare in maniera opportuna i vari transistori facendo particolare attenzione
a non attivarne contemporaneamente 2 dello stesso ramo poichè verrebbe realizzato
un corto circuito che distruggerebbe quasi immediatamente i transistori.
L'animazione in basso mostra il funzionamento dinamico del circuito.
Il circuito completo è mostrato nella figura seguente: cliccare sopra l'immagine
per ingrandirla in una nuova finestra.
Come verifica del corretto funzionamento sono state effettuati dei controlli sulle
uscite utilizzando un oscilloscopio analogico.
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15 Hz (carico resistivo 50 Ohm)
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15 Hz (solenoide)
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70 Hz (carico resistivo 50 Ohm)
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70 Hz (solenoide)
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Si nota che quando si collega il solenoide, che puo' essere modellato come un induttore
ed una resistenza serie (nel caso piu' semplice), l'uscita risulta distorta. Cio'
è causato dai bruschi cambiamenti del verso della corente imposta dal circuito e
dal correnti indotte dall'altro solenoide (non monitorato).
Poichè dobbiamo pilotare carichi induttivi sono stati inseriti 8 diodi, detti di
ricircolo, per proteggere i transistori da spike che potrebbero facilmente danneggiarli.
Inoltre, a seconda della corrente con cui si vuole pilotare il motore passo-passo
bisogna utilizzare dei transistori di potenza adeguati: nel mio caso dei BD139 raffreddati
tramite un dissipatore.
Sono stati utilizzati esclusivamente transistori di tipo NPN, ma sarebbe meglio
utilizzarne 4 di tipo PNP per ottenere una dinamica migliore; tuttavia anche utilizzando
solo transistori di tipo NPN non si verificano problemi.
Poichè il TAB dei transistori è connesso al collettore è necessario isolare elettricamente
ogni TAB dal dissipatore servendosi di appositi set di viti e separatori isolati.
Infine deve essere inserita una capacità tra massa e alimentazione (12 Volt) di
almeno 200 uF per ridurre al minimo le interferenze tra il motore ed il circuito
di pilotaggio filtrando l'alimentazione. Il valore di questa capacità deve aumentare
al crescere della corrente (massima) che alimenta il motore.
Di seguito sono visualizzabili alcune immagini del dispositivo ultimato (e funzionante).
