L'elettronica di pilotaggio dei motori bipolari

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I motori bipolari sono caratterizzati dall'avere solo quattro fili di connessione. Una categoria particolare è costituita dai motori unipolari a sei fili: è infatti sufficiente in questi motori non collegare la coppia di fili comuni tra due fasi per ottenere un motore bipolare, anche se in genere con caratteristiche peggiori di quelli che "nascono bipolari".

Per questi motori il pilotaggio è più complesso che per quelli unipolari: infatti la corrente deve attraversare gli avvolgimenti nei due versi e questo rende piuttosto complesso il circuito di pilotaggio. Il vantaggio deriva dal fatto che, essendo le fasi due anziché quattro, a parità di potenza del motore, il peso e la dimensione sono minori in quanto è necessario usare una minor quantità di rame. Inoltre, usando appositi schemi, è possibile ottenere circuiti di pilotaggio più efficienti in termini di consumo energetico e velocità di rotazione ottenibile.

Infine si rende possibile introdurre nuove modalità di pilotaggio senza appesantire in modo sostanziale le difficoltà di progettazione dell'elettronica di potenza.

Anche nel pilotaggio bipolare sono possibili diverse modalità:

WaveMode: una sola fase alla volta è attiva. Da notare che le condizioni di funzionamento per ciascuna fase sono tre: corrente in un verso, corrente nell'altro verso, assenza di corrente (situazioni indicate rispettivamente con I, -I e 0 nella tabella).

Passo	Ph1	Ph2
1	I	0
2	0	I
3	-I	0
4	0	-I

Two phase-on: la corrente è sempre presente nelle due fasi ma cambia verso. Ho già descritto nel paragrafo dedicato ai motori unipolari gli effetti sulla coppia (che aumenta di 1.4 volte) e la corrente assorbita (che raddoppia).

Passo	Ph1	Ph2
1	I	I
2	-I	I
3	-I	-I
4	I	-I

Half-step senza controllo di coppia: è l'insieme dei due metodi precedenti, con l'effetto principale di ottenere il raddoppio del numero dei passi. Ho già descritto gli effetti sulla coppia e la corrente assorbita.

Passo	Ph1	Ph2
1	I	0
2	I	I
3	0	I
4	-I	I
5	-I	0
6	-I	-I
7	0	-I
8	I	-I

Half-step con controllo di coppia: con la tecnica di pilotaggio a mezzo passo quando la corrente scorre in due fasi contemporaneamente la coppia è maggiore di quando la fase energizzata è una sola. Il problema è risolvibile riducendo la corrente che passa nelle due fasi ad un valore tale che la coppia rimanga costante. Chi ha voglia di pensarci un po' su, scoprirà che tale corrente va ridotta a 0,707 volte quella nominale.

La tabella che ne nasce è quella che riporto di seguito, dove I rappresenta la corrente nominale.

Passo	Ph1	Ph2
1	I	0
2	0,707*I	0,707*I
3	0	I
4	-0,707*I	0,707*I
5	-I	0
6	-0,707*I	0,707*I
7	0	-I
8	0,707*I	0,707*I

Se si vuole adottare questo schema di pilotaggio occorre aggiungere alla difficoltà di invertire il verso della corrente anche quella di doverne regolare il modulo. Usando le stesse tecniche normalmente necessarie per pilotare con efficienza un motore bipolare e descritte in seguito, questo problema non è insormontabile. Sarebbe invece un grosso problema per i motori unipolari, in quanto usati soprattutto quando l'obiettivo principale è la semplificazione dell'elettronica, anche a scapito delle prestazioni.

Da notare infine che permane il problema dell'irregolarità di assorbimento di corrente ma gli effetti negativi di questo fenomeno sono in genere poco rilevanti e comunque minori che nel caso di non controllo della coppia (la corrente varia da 1 a 1.4 anziché da 1 a 2).

Il microstepping: un'evoluzione del metodo di pilotaggio half-step con controllo di coppia è basato sulla considerazione che, così come posso ottenere un passo intermedio alimentando in contemporanea due fasi con corrente ridotta, posso ottenere una serie ampia a piacere di posizioni intermedie tra due step inviando due correnti di diverso modulo nelle due fasi adiacenti: il rotore si posizionerà tanto più vicino ad una posizione di equilibrio tanto maggiore sarà la corrente nella fase corrispondente rispetto a quella dell'altra.

In pratica le correnti assumono un andamento che tende ad approssimare quello sinusoidale, con uno sfasamento di 90° tra le due fasi. Ciò fa assomigliare il funzionamento del motore passo-passo a quello di un motore sincrono a due fasi, che in effetti è suo stretto parente.

Di seguito la tabella necessaria per quadruplicare il numero di passi, ampliabile a piacere semplicemente tenendo presente che la corrente assume il valore massimo in una fase quando nell'altra è zero e che la somma dei quadrati dei coefficienti delle due correnti deve sempre essere uno (in pratica una sinusoide ed una cosinusoide...).

Passo	Ph1	Ph2
1	I	0
2	0.924*I	0.383*I
3	0.707*I	0.707*I
4	0.383*I	0.924*I
5	0	I
6	-0.383*I	0.924*I
7	-0.707*I	0.707*I
8	-0.924*I	0.383*I
9	-I	0
10	-0.924*I	-0.383*I
11	-0.707*I	-0.707*I
12	-0.383*I	-0.924*I
13	0	-I
14	0.383*I	-0.924*I
15	0.707*I	-0.707*I
16	0.924*I	-0.383*I

Per regolare la corrente serve una notevole dose di "intelligenza" all'elettronica di pilotaggio in quanto è necessario inviare invece di una semplice onda quadra un segnale sinusoidale variabile in fase e frequenza: in pratica applicazioni concrete possono essere fatte solo con un processore dedicato oppure con appositi circuiti integrati.

Pur essendo teoricamente possibile un enorme aumento del numero di posizioni dell'albero (occorrerebbe però realizzare una meccanica molto precisa e quindi costosa), il vantaggio di questa tecnica è l'eliminazione praticamente totale del funzionamento a scatti, uno dei difetti più importanti di questo tipo di motore nelle applicazioni di precisione.

Anche in un motore bipolare, per invertire il senso di rotazione è necessario invertire l'ordine di applicazione della sequenza scorrendo la tabella da basso in alto.

Il circuito di pilotaggio è più complesso di quello unipolare in quanto è necessario fornire anche l'inversione del verso della corrente, normalmente attraverso il cosiddetto "ponte ad H": non solo servono il doppio dei transistor di potenza ma metà di questi hanno l'emettitore o il source non connesso a massa, con qualche complicazione nell'adattamento delle tensioni di pilotaggio.

Ponte ad H

Facendo riferimento allo schema sopra riportato, per far passare corrente in una fase devono essere attivate contemporaneamente le coppie di transistor in diagonale (per esempio M6 ed M11 per il passaggio della corrente in un verso, M7 e M10 per il passaggio nell'altro verso). Segnalo che lo schema è solo di principio.

Occorre evitare nel modo più assoluto la contemporanea conduzione dei transistor sullo stesso lato (per esempio M6 e M7): infatti si creerebbe un cortocircuito con possibile distruzione dei transistor o dell'alimentatore.

Ovviamente ulteriori complicazioni insorgono se si vuole utilizzare la tecnica di pilotaggio microstepping o a mezzo passo con controllo di coppia in quanto occorrerebbe perlomeno prevedere una resistenza (o qualcosa di simile) per la misura della corrente.

Anche per questi motori l'individuazione dei fili corrispondenti alle varie fasi va fatta con l'ausilio di un tester e provando quindi, a caso, una delle combinazioni compatibili con le resistenze misurate.

Il diodo di ricircolo

I diodi di ricircolo sono necessari anche nella connessione con ponte ad H, come rappresentato qui sopra. Essi devono permettere il passaggio di corrente "in salita" quando tutti gli interruttori sono aperti.

Ponte ad H con diodi di ricircolo

A volte, utilizzando un ponte ad H, i diodi non sono presenti come componenti discreti ma viene utilizzato il diodo del substrato sempre presente tra collettore ed emettitore (o tra drain e source per i MOS): questa scelta deve essere valutata con grande attenzione in quanto molto spesso tale diodo è troppo lento e quindi inefficace. Se occorre progettare il ponte ad H, potrebbe essere utile verificare questa caratteristica sui fogli tecnici degli switch scelti (quando questa possibilità è prevista è in genere riportata con evidenza).

Un problema legato all'uso dei diodi di ricircolo deriva dal fatto che la corrente che attraversa i diodi "ritorna" (mi si scusi il termine) verso la sorgente di alimentazione, causando a volte un aumento anche considerevole della tensione. In genere l'alimentazione è costituita da un ponte seguito da un condensatore di filtro: è opportuno che tale C, generosamente dimensionato abbia una tensione di lavoro almeno doppia di quella fornita dal ponte. In genere non è consigliabile usare, neppure per prova, alimentatori stabilizzati, troppo facili da distruggere in questo modo, anche quando "protetti".

L'elettronica di pilotaggio dei motori bipolari

Il diodo di ricircolo

I motori passo-passo: un tutorial