Guida completa ai motori stepper: tipi, caratteristiche e modalità

Motori Stepper

Lo scopo dei motori stepper è quello di ruotare formando un angolo preciso per poi arrestarsi.

In questi motori la velocità e la coppia sono secondari.

I motori stepper di dividono in:

Caratteristiche dei motori PM

• Permanent motor (PM): Hanno un’alta coppia, ma una scarsa risoluzione angolare.

Gli stepper PM sono simili ai motori brushless inrunner:

• Non hanno spazzole o commutatori meccanici;

• Il rotore è posto all’interno della struttura con magneti permanenti sul perimetro;

• Lo statore è posto esternamente con elettromagneti nelle slot;

• Il controller alimenta gli avvolgimenti con impulsi di corrente continua.

Caratteristiche dei motori VR

• Variable Reluctance (VR): Hanno un’ottima risoluzione angolare, ma presentano una coppia minima. In uno stepper VR il rotore ruota con un angolo specifico per ridurre al minimo la riluttanza tra gli avvolgimenti. Strutturalmente somigliano agli stepper PM, ma si differenziano in:

• Il rotore non ha magneti permanenti, ma un disco di ferro con piccoli denti;

• Il controller eccita ogni coppia di avvolgimenti opposti.

Vi è però un problema, perché gli stepper VR hanno poca coppia e quindi non riescono a girare con carichi significativi.

Caratteristiche degli hybrid stepper

• Hybrid Stepper (HY): Come uno stepper PM, il suo rotore ha magneti permanenti che garantiscono una buona coppia, invece, come un stepper VR, il rotore ha un disco di ferro con dei denti che migliorano la risoluzione angolare.

Gli Hybrid motors presentano però due svantaggi: possono essere molto costosi e risultano eccessivamente pesanti.

Il rotore di questi stepper hanno due meccanismi rotanti collegati tra loro, chiamati poli del rotore.

I poli del rotore sono magnetizzati in modo tale da comportarsi come un polo nord e un polo sud e ogni polo ha i suoi denti orientati tra loro.

Lo statore ha denti uguali a quelli nel rotore. Se un avvolgimento viene energizzato per produrre un polo nord, i suoi denti attireranno i denti del polo sud del rotore.

La peculiarità di questi motori è che possono avere più fasi, una per ogni coppia di avvolgimenti.

Modalità di controllo dei motori stepper

I motori stepper possono essere comandati con diverse modalità:

1) Modalità Full-step (una fase): Ogni segnale di controllo energizza un avvolgimento, in questo modo il rotore gira per allinearsi con l’avvolgimento energizzato.

2) Modalità Full-step (due fasi): Ogni segnale di controllo energizza due avvolgimenti alla volta, in questo modo il rotore gira posizionandosi in mezzo ad essi, migliorando nettamente la coppia del dispositivo.

3) Modalità Half-step: Ad ogni segnale di controllo vi potrà essere l’energizzazione di uno o più avvolgimenti in modo alternato. È una combinazione tra le due precedenti modalità. Il controllor alterna l’attivazione di un avvolgimento o di due, in questo modo l’angolo di passo viene ridotto della metà.

Lo svantaggio di questa modalità di controllo è che quando viene eccitato un singolo avvolgimento il rotore gira con il 20% in meno di coppia.

4) Modalità Microstep: Lo scopo è quello di avere il passo più semplice e preciso possibile. L’impulso di controllo viene diviso facendo ricevere ai diversi avvolgimenti una versione ritardata del segnale sinusoidale. In questa modalità la coppia e la velocità di rotazione viene ridotta del 30% proprio per garantire un’alta precisione angolare.