Il principio di funzionamento

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Il motore passo passo ha una serie di caratteristiche interessanti:

E' possibile realizzare azionamenti di precisione controllati da computer in catena aperta, cioè senza utilizzare sensori di posizione o di velocità. I circuiti possono essere relativamente semplici sia dal punto di vista realizzativo che progettuale e non è richiesta particolare potenza di calcolo al controllore
Hanno un'elevata robustezza meccanica ed elettrica: infatti non esistono contatti elettrici striscianti e, se necessario, possono essere realizzati anche in esecuzione completamente stagna
E' facile far compiere all'albero piccole rotazioni angolari arbitrarie in ambedue i versi e bloccarlo in una determinata posizione
La velocità di rotazione può essere molto bassa anche senza l'uso di riduttori meccanici

Ovviamente hanno anche difetti:

Richiedono sempre circuiti elettronici per il pilotaggio cioè non possono essere alimentati direttamente da una batteria o un trasformatore
Hanno un funzionamento a scatti e e spesso producono forti vibrazioni, soprattutto ai bassi regimi di rotazione e quanto si adottano le tecniche di pilotaggio più semplici
Il loro rendimento energetico è basso e, in genere, la coppia, la velocità e di conseguenza la potenza meccanica sono piccole
Hanno un costo elevato, relativamente ad altri tipi di motore con analoghe prestazioni
Raggiungono velocità di rotazione non particolarmente elevate

I motori passo-passo sono motori che, a differenza di tutti gli altri, hanno come obiettivo quello di mantenere fermo l'albero in una posizione di equilibrio: se semplicemente alimentati si limitano infatti a bloccarsi in una ben precisa posizione.

Solo indirettamente è possibile ottenerne la rotazione: occorre inviare al motore una serie di impulsi di corrente, secondo un'opportuna sequenza, in modo tale da far spostare, per passi successivi, la posizione angolare di equilibrio. E' così possibile far ruotare l'albero nella posizione e alla velocità voluta semplicemente contando gli impulsi ed impostando la loro frequenza, visto che le posizioni di equilibrio dell'albero sono determinate meccanicamente con precisione.

La costruzione elettromeccanica

I motori passo-passo si dividono tradizionalmente in tre grandi gruppi: motori a magnete permanente, motori a riluttanza variabile e motori ibridi; questi ultimi sono i migliori. In realtà la quasi totalità di quelli oggi reperibili (sia sul mercato dell'usato che tra i materiali nuovi) sono proprio del terzo tipo, per cui mi limiterò a descrivere brevemente la struttura interna di questi ultimi.

Occorre dire che, dal punto di vista dell'utilizzatore hobbistico, non esistono praticamente differenze d'uso tra i tre tipi, soprattutto tenendo conto che si è nell'impossibilità pratica di reperire tutte le caratteristiche elettromeccaniche dei motori che già si possiedono. Cambiano invece le prestazioni ma per chi recupera materiale di scarto questo è un problema secondario.

Un motore ibrido è costituito da un rotore e da uno statore; nella fotografia seguente riporto un esemplare non particolarmente recente ma in cui si vede chiaramente la struttura.

Uno stepper aperto

Il rotore appare come una coppia di ruote dentate massicce e identiche tra loro, affiancate e solidali all'albero costituite da un nucleo magnetico; le due ruote sono permanentemente magnetizzate, una come NORD, l'altra come SUD; le coppette - i "denti" delle ruote - sono in materiale ferromagnetico. Il numero di denti è variabile ma 50 è in assoluto il più frequente. Tra le due ruote è presente uno sfasamento esattamente pari ad 1/2 del passo dei denti: il dente di una delle due sezione corrisponde quindi alla valle dell'altra. Nel rotore non sono presenti fili elettrici e quindi manca completamente ogni connessione elettrica tra la parte in movimento e quella fissa. In genere il rotore è montato su cuscinetti a sfera, anche nei modelli economici.

Lo statore appare come il classico insieme di avvolgimenti ed il circuito magnetico è costituito da 4 o, più frequentemente, 8 "espansioni polari" (otto in quello mostrato fotografia). All'interno dello statore sono presenti piccoli denti che si affacciano esattamente a quelli del rotore. O meglio, sono esattamente affacciati al rotore solo il gruppo di denti appartenenti ad una espansione polare e a quella opposta; le altre coppie sono sfalsate rispettivamente di 1/4, 1/2 e 3/4 del passo dei denti. Avvolti intorno ai poli magnetici dello statore ci sono i fili che, opportunamente percorsi da corrente, generano il campo magnetico.

All'esterno sono evidentemente presenti le alimentazioni dei vari avvolgimenti dello statore; in pratica le fasi possono essere avvolte secondo due schemi:

Sono presenti due soli avvolgimenti, ciascuno avvolto su più espansioni polari, e quindi all'esterno arrivano due sole coppie di fili: in questo caso si parla di motori bipolari in quanto la corrente dovrà percorrere le fasi nei due versi al fine di creare gli opportuni campi magnetici
Sono presenti quattro avvolgimenti avvolti a coppie, in antiparallelo, sulle espansioni polari; all'esterno arrivano almeno cinque fili (spesso sono infatti presenti delle connessioni interne al motore tra le varie fasi). Si parla in questo caso di motori unipolari in quanto la corrente nella singola fase ha sempre lo stesso verso. E' possibile creare due campi magnetici opposti semplicemente scegliendo in quale dei fili debba passare la corrente.

Una tipologia particolare di motore passo-passo è utilizzabile sia in configurazione unipolare che bipolare: si tratta di quelli a 6 fili. Nella figura seguente questo tipo di motore l'ho schematizzato con i quattro induttori racchiusi nel rettangolo tratteggiato.

Connessioni interne in un motore a 6 fili

I due avvolgimenti Ph1 e Ph2 sono avvolti sullo stesso nucleo in modo tale che la corrente entrante dal terminale 1 crea due campi magnetici opposti a seconda che il terminale di uscita sia A oppure B. In questo caso abbiamo uno schema equivalente ad un motore unipolare.

Se invece la corrente entra da A ed esce da B si crea un campo magnetico opposto al caso in cui la corrente entra da B ed esce da A; in questo caso, dal terminale 1 non passa corrente ed abbiamo un funzionamento come motore bipolare (ed infatti sono usati solo 4 fili: i terminali 1 e 2 non devono essere connessi). La stessa cosa succede per Ph3 e Ph4.

Analoghe considerazioni possono essere fatte per i rari motori a 8 fili.

Per distinguere i motori di tipo unipolare o bipolare, per i quali sono richieste tecniche di pilotaggio molto diverse, basta contare i fili uscenti: se sono 4 abbiamo un motore bipolare, se sono 5 un unipolare, se sono 6 o 8 possiamo scegliere il tipo di pilotaggio più opportuno.

Il numero di differenti posizioni di equilibrio presenti in una rotazione completa dell'albero è in genere indicato come passi per giro e dipende del numero dei denti del rotore e dai poli dello statore, non dal numero di fili uscenti o dal numero delle fasi. Questo numero è spesso stampato sul contenitore oppure, in alternativa, è riportato l'angolo di passo, in gradi sessagesimali. In alternativa, a motore non alimentato, è possibile far ruotare lentamente e con molta delicatezza il rotore e contare il numero di "click" necessari per compiere un giro, possibilmente aiutandosi con una tacca di riferimento sull'albero per individuare la fine di un giro. Valori normali sono 16 (solo i motori più vecchi), 100, 200 "click" per giro, numeri che hanno tutti la proprietà di essere divisibile per quattro.

Con "intenti didattici" molti testi presentano disegni che erroneamente legano il numero di passi al numero delle fasi, creando non poche confusioni a chi inizia. In realtà le fasi sono sempre due o quattro, indipendentemente dal numero degli step per giro.

Il principio di funzionamento

La costruzione elettromeccanica

I motori passo-passo: un tutorial