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L'elettronica di pilotaggio dei motori unipolari

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Per il funzionamento del motore passo-passo è necessario applicare in opportuna sequenza e verso impulsi di corrente attraverso l'uso di interruttori elettronici. Per ciascuno dei tipi di motore (unipolare o bipolare) esiste uno specifico schema di funzionamento.

I motori unipolari sono piuttosto facili da pilotare, perlomeno se non sono richieste elevate prestazioni, in quanto è sufficiente usare quattro interruttori opportunamente connessi in modo da far passare la corrente nelle fasi secondo l'ordine corretto. La contropartita deriva dal fatto che avere quattro avvolgimenti porta il motore unipolare ad avere uno scarso rapporto peso/potenza ed in definitiva utilizzabile solo per le applicazioni più semplici.

Come ho già detto le fasi sono in parte internamente collegate e ciò fa si che i fili uscenti in genere non sono 8 (due per fase) ma 5 o 6.

Pilotaggio dei motori unipolari

Qui sopra ho rappresentato lo schema del collegamento elettrico di un motore unipolare; nel caso rappresentato ho usato un motore a 6 fili ma se fossero solo cinque, semplicemente significa che la connessione che nello schema ho fatto esternamente in corrispondenza della tensione di alimentazione è interna al motore. Se fossero otto significa che esce una coppia di fili per ciascuna fase e che quindi tutti i collegamenti devo essere effettuati esternamente.

Senza alimentazione il motore ruota liberamente anche se, provando a far girare l'albero a mano, si nota un certo funzionamento a scatti.

Facendo passare corrente in una sola delle fasi il motore rimane bloccato in una posizione di equilibrio: in questo modo il motore offre una notevole coppia che si oppone a qualunque spostamento. La rotazione è ottenuta cambiando in opportuna sequenza la fase (o le fasi) a cui la corrente è applica; la corrente che deve attraversare una fase è costante sia in modulo che in verso e viene indicata come corrente nominale. In genere è indicata sul contenitore del motore; in alternativa possiamo trovare indicata la resistenza degli avvolgimenti e la tensione di alimentazione.

La sequenza con cui la corrente è applicata alle fasi può essere di vari tipi diversi:

Wavemode: è il sistema base di funzionamento; con esso la corrente è applicata ad una sola delle fasi alla volta, secondo la tabella seguente (Ph indica ciascuna delle quattro fasi, I indica la corrente nominale in ciascuna fase, 0 indica l'assenza di corrente).

Spesso la fase in cui scorre corrente è indicata come "energizzata".

Passo Ph1 Ph3 Ph2 Ph4
1 I 0 0 0
2 0 I 0 0
3 0 0 I 0
4 0 0 0 I

Questo metodo è a volte chiamato anche "One-phase-on full step" o "passo intero" per evidenziare il fatto che una sola fase alla volta è energizzata; la distanza angolare tra passi successivi è pari a quanto indicato sui dati di targa del motore.

Da notare che, nelle tabelle, le fasi non sono elencate in ordine numerico: la cosa ha però solo un interesse speculativo in quanto difficilmente si conosce la corrispondenza tra numero della fase e fili effettivamente uscenti.

Per ottenere la rotazione del motore è necessario scorrere le righe della tabella, cambiando la fase in cui la corrente scorre. E' necessario tener presente che la tabella deve essere vista come circolare: dopo l'ultima riga, ritroviamo infatti la prima.

Two phase-on: la corrente è applicata contemporaneamente a due fasi. In questo modo il rotore è trattenuto in posizioni di equilibrio intermedie a quelle tipiche del funzionamento wavemode.

La coppia disponibile è circa 1,4 volte maggiore di quella ottenuta con una sola fase attiva alla volta: le due forze applicate contemporaneamente possono essere infatti viste come tra loro perpendicolari e, per chi ricorda qualcosa di trigonometria, non è difficile comprendere da dove nasce quel "radice di due".

Il consumo di corrente e quindi il riscaldamento raddoppiano. Questo fatto potrebbe creare problemi in alcuni motori non adatti a questo tipo di pilotaggio.

Passo Ph1 Ph3 Ph2 Ph4
1 I I 0 0
2 0 I I 0
3 0 0 I I
4 I 0 0 I

Half-step (mezzo passo): è in pratica l'alternarsi delle configurazioni dei due metodi appena visti e si basa sulla constatazione che tra le posizioni di equilibrio dello due sequenze precedentemente viste è presente uno sfasamento di esattamente mezzo passo.

Passo Ph1 Ph3 Ph2 Ph4
1 I 0 0 0
2 I I 0 0
3 0 I 0 0
4 0 I I 0
5 0 0 I 0
6 0 0 I I
7 0 0 0 I
8 I 0 0 I

Il vantaggio è che raddoppia il numero di passi disponibile per un certo motore. Lo svantaggio è una discreta irregolarità nella coppia (che per ogni passo cambia da 1 a 1.4 o viceversa) e nel consumo di potenza (che, sempre per ogni passo, cambia da 1 a 2), ambedue mediamente intermedi rispetto agli altri due metodi.

Questo metodo è a volte indicato come half-step senza controllo di coppia per sottolineare come la coppia meccanica sia variabile. In alternativa è possibile adottare tecniche capaci di rendere omogenea la coppia ma, per i motori unipolari, questa non è una scelta conveniente a causa della complessità del circuito da realizzare in rapporto agli effetti utili; è invece una via praticabile per i motori bipolari e quindi ne parlerò solo nel paragrafo successivo.

Le sequenze indicate nelle precedenti tre tabelle sono relative alla rotazione del motore in un verso: applicando continuamente la sequenze 1-2-3-4-1-2-3… si ottiene la rotazione dell'albero in un verso; per invertire il senso di rotazione basta invertire l'ordine con il quale sono lette le righe delle tabelle: 4-3-2-1-4-3… (non va quindi cambiato il verso delle correnti, che rimane invariato).

Da notare che non esiste nessuna corrispondenza tra il numero delle righe delle tabelle sopra riportate ed il numero di posizioni angolari che il motore assume: in genere è necessario "scorrere" molte volte la tabella per ottenere la rotazione dell'albero di 360°. Per esempio in un motore con quattro fasi e 200 passi/giro è necessario applicare per 200 volte (400 volte per l'half-step) gli impulsi di corrente per ottenere la rotazione di un giro dell'albero: in pratica occorre scorrere 50 volte la tabella.

Purtroppo, malgrado qualche tentativo di standardizzazione, esiste una forte anarchia nell'assegnazione dei colori ai vari fili che escono da un motore passo-passo: l'unica soluzione è quella di misurare la resistenza degli avvolgimenti (le fasi sono tra loro identiche e presentano quindi esattamente la stessa resistenza, in genere da pochi a poche decine di ohm) e quindi collegare i fili all'elettronica di pilotaggio in base a quest'unica informazione: pur essendo tante le combinazioni possibili, metà di queste funzionano correttamente (o meglio: nel 25% dei casi il motore ruota in un verso, in un altro 25% nel verso opposto, nel 50% dei casi non ruota ma vibra con piccoli movimenti angolari). Nel caso di errore di connessione basta invertire i collegamenti di una sola coppia di fili. Se il motore ruota nel verso errato e non si vuole intervenire sull'elettronica occorre invertire i collegamenti di entrambe le coppie.

Il circuito di potenza necessario per il pilotaggio è piuttosto semplice: sopra ho già riportato uno schema di principio in cui sono usati come interruttori quattro MOS. Attenzione però: non utilizzarlo in quanto, così come è, danneggerebbe i transistor, come di seguito spiegato.

La logica di pilotaggio

Osservando le tabelle riportate si vede come, per far ruotare un motore passo-passo, sia necessario generare un'opportuna sequenza di segnali logici. Questo può essere ottenuti in vari modi:

Sul mercato sono disponibili anche schede molto complesse per la gestione dei motori passo-passo, con cui basta semplicemente impostare i parametri di un intero profilo, scrivendo comandi in alcuni registri oppure attraverso un linguaggio di programmazione ad alto livello. Ma difficilmente sono accessibili all'hobbista.

Il diodo di ricircolo

Come ho detto più sopra i circuiti di pilotaggio che ho disegnato sono solo di principio: infatti quando si pilotano carichi induttivi è sempre necessario inserire il cosiddetto "diodo di ricircolo", pena la repentina distruzione del transistor di potenza a causa delle tensioni elevate generate da motore.

Vediamo di spiegarne il motivo.

Ciascun avvolgimento del motore passo-passo è sostanzialmente in induttore, cioè un oggetto che tende a mantenere costante la corrente che in esso scorre. Quando un transistor si apre, la corrente istantaneamente dovrebbe andare a zero; l'induttore tende però ad impedire questa repentina diminuzione e per fare questo tende a far salire la tensione sul collettore del transistor (immaginate il transistor che, improvvisamente, sia diventato una resistenza molto elevata in cui l'induttore tenta di far passare una corrente elevata: per la legge di ohm, la tensione deve salire). La tensione arriva facilmente a centinaia di volt, danneggiando il transistor stesso. Tale tensione è spesso chiamata "di fly-back".

Per evitare questo fenomeno distruttivo viene inserito in parallelo alla bobina del motore un diodo che fornisce alla corrente una via alternativa a quella del transistor nel momento in cui questo si apre.

Il diodo di ricircolo

Il catodo va connesso alla tensione di alimentazione: in pratica la corrente va "in salita". Nello schema è rappresentata a sinistra la situazione in cui il transistor è in conduzione (la corrente attraversa l'avvolgimento del motore ed il transistor; nel diodo non passa corrente in quanto polarizzato inversamente). A destra invece l'andamento della corrente subito dopo l'apertura del transistor: la stessa corrente che prima attraversava il transistor ora passa nel diodo.

Ovviamente quest'ultima situazione si esaurisce abbastanza rapidamente, mancando nella maglia generatori in grado di mantenere nel tempo il passaggio di corrente.

I diodi da utilizzare devono avere due caratteristiche fondamentali:

Per l'hobbista non è sempre facile recuperare diodi adatti ma, nel caso, meglio un 1N4001 che nulla.

Una soluzione alternativa consiste nell'utilizzo di diodi zener tra collettore ed emettitore del transistor, con l'anodo connesso a massa: pur essendo migliore da molti punti di vista (maggiore velocità di intervento, migliore dissipazione di potenza), questa soluzione richiede dispositivi capaci di gestire elevate correnti alla tensione di alimentazione del motore.

Con un motore medio da 1A per fase e 12 V di alimentazione occorrono per esempio quattro zener da 15 V ( > 12 V) capaci di gestire picchi di potenza da 15 W ( > 1 A * 15 V).

In realtà questo ragionamento è piuttosto conservativo: il diodo deve solo permettere la dissipazione dell'energia magnetica immagazzinata nelle fasi mentre io ho fatto il ragionamento sulla potenza/corrente di picco. Considerazioni di buon senso possono ridurre tale valore alla metà o anche meno se il motore viene fatto girare lentamente; occorre però che il diodo o lo zener possa sopportare il picco di corrente per il tempo necessario alla scarica.

I motori passo-passo: un tutorial


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