I sistemi con motori passo-passo sono un pilastro fondamentale del settore del controllo del movimento. Analizzeremo le differenze tra sistemi ad anello aperto e sistemi ad anello chiuso e illustreremo gli ultimi sviluppi che rendono i sistemi con motori passo-passo ancora più veloci, silenziosi ed efficienti dal punto di vista energetico.

I sistemi con motori passo-passo hanno fatto molta strada dai primi azionamenti a tensione e a passo intero. Prima sono arrivati ​​gli azionamenti PWM e il microstepping, poi i processori di segnale digitale (DSP) e gli algoritmi anti-risonanza. Ora, la nuova tecnologia a circuito chiuso per i motori passo-passo garantisce che questi continuino a essere un pilastro dell'industria del controllo del movimento per gli anni a venire.

Che il movimento sia lineare o rotatorio, due considerazioni fondamentali che determinano la scelta del motore e del sistema di azionamento più adatti sono la coppia e l'efficienza. Questo vale sia per i sistemi di assemblaggio automatizzati, sia per le macchine per la movimentazione dei materiali, le stampanti 3D, i posizionatori cartesiani, le pompe peristaltiche o le innumerevoli altre applicazioni in cui i motori passo-passo rappresentano la tecnologia preferita.

L'ultimo sviluppo nei sistemi stepper consiste nell'applicazione di dispositivi di feedback a basso costo e ad alta risoluzione, nonché di DSP avanzati, per chiudere l'anello di controllo del movimento del motore stepper. Tali controlli migliorano le prestazioni dei sistemi stepper a circuito chiuso, superando quelle dei sistemi a circuito aperto. Come vedremo, un sistema a circuito chiuso di questo tipo si basa su un design integrato del motore che include un dispositivo di feedback, schede driver e controller, elettronica di alimentazione, comunicazione e I/O, e connettori di sistema sul lato e sul retro del motore.

Sistemi stepper ad anello aperto vs. ad anello chiuso
Innanzitutto, analizziamo come i sistemi stepper ad alte prestazioni a circuito chiuso si confrontano con i tradizionali sistemi stepper a circuito aperto in termini di coppia ed efficienza.

I sistemi stepper a circuito chiuso offrono prestazioni superiori rispetto alle configurazioni a circuito aperto, come dimostrato dai risultati dei test di laboratorio che confrontano accelerazione (coppia), efficienza (consumo energetico), errore di posizione (precisione), generazione di calore e livelli di rumorosità dei due sistemi. Basti pensare alla relazione tra coppia e accelerazione. Le curve coppia-velocità mostrano i valori di coppia di picco e continua di un sistema stepper a circuito chiuso, insieme all'intervallo di coppia utilizzabile di un sistema stepper a circuito aperto. Molto spesso, nella pratica, la coppia si traduce in accelerazione: quindi i motori con una coppia maggiore possono accelerare un determinato carico più rapidamente.

Per testare in laboratorio questa differenza nelle prestazioni di coppia, sistemi di motori passo-passo ad anello aperto e ad anello chiuso di dimensioni uguali vengono sottoposti a carichi inerziali identici. I comandi di programmazione impongono ai due sistemi di eseguire profili di movimento identici, con la sola eccezione che il tasso di accelerazione e la velocità massima vengono aumentati gradualmente in ciascun sistema fino a quando non si verificano errori di posizionamento.

Supponiamo che il sistema ad anello aperto raggiunga un tasso di accelerazione massimo di 1.000 giri/sec.²e una velocità massima di 10 giri/sec (600 giri/min). Questa velocità massima di 10 giri/sec corrisponde al punto in cui termina la parte piatta della curva coppia-velocità. Il sistema a circuito chiuso (grazie alla sua maggiore capacità di produrre coppia) raggiunge un tasso di accelerazione massimo di 2.000 giri/sec.²e una velocità massima di 20 giri/sec (1.200 giri/min). Ciò rappresenta il doppio delle prestazioni del sistema a circuito aperto e riduce il tempo di movimento quasi della metà, da 110 ms a 60 ms.

Per le applicazioni che richiedono un'elevata produttività (come l'indicizzazione, il posizionamento delle guide laterali e i sistemi pick-and-place), il sistema a circuito chiuso offre un netto vantaggio in termini di prestazioni.

Efficienza a ciclo aperto vs. a ciclo chiuso

Per misurare l'efficienza relativa di un sistema a circuito aperto rispetto a un sistema a circuito chiuso, supponiamo di ripetere lo stesso test con gli stessi due motori di uguale potenza. Questa volta, però, facciamo funzionare i motori a circuito chiuso e a circuito aperto in parallelo con gli stessi carichi inerziali, ma con una programmazione che mantiene costanti e uguali i profili di movimento, in modo che entrambi i sistemi eseguano la stessa quantità di lavoro.

Mentre i due motori indicizzano ripetutamente lo stesso profilo di movimento, viene misurata la corrente assorbita dall'alimentatore CC che alimenta i due sistemi e viene calcolato il consumo energetico. Come si può osservare nei grafici, il consumo energetico medio del sistema stepper ad anello aperto è di 43,8 watt, mentre quello del sistema ad anello chiuso è solo un terzo, ovvero 14,2 watt in media. Questa notevole differenza di consumo energetico dimostra chiaramente la maggiore efficienza del sistema ad anello chiuso. Chiunque desideri aumentare l'efficienza del proprio sistema stepper ad anello aperto può ora valutare un semplice aggiornamento a un sistema ad anello chiuso e aspettarsi un consumo energetico significativamente inferiore.

Come affrontare il problema del surriscaldamento del motore

Un'estensione naturale dei test sul consumo energetico è l'analisi del riscaldamento del motore. I sistemi stepper ad anello aperto sono dispositivi semplici. Basta impostare l'azionamento sulla corrente nominale del motore e l'azionamento farà del suo meglio per fornire tale corrente al motore in ogni momento, indipendentemente dal fatto che la coppia risultante sia necessaria o meno. Questo spesso causa la generazione di calore anziché di energia per la funzione applicativa, ed è il motivo per cui i sistemi stepper ad anello aperto in genere si surriscaldano di più rispetto alle controparti ad anello chiuso. Ciò significa anche che i progettisti di macchine devono adottare ulteriori misure per gestire questo calore, spesso includendo protezioni speciali attorno ai motori passo-passo che funzioneranno in prossimità degli operatori umani, o installando sistemi di raffreddamento aggiuntivi come le ventole.

Consideriamo i risultati di una prova di riscaldamento del motore condotta in laboratorio utilizzando gli stessi sistemi a circuito aperto e a circuito chiuso descritti in precedenza. In questa prova, i due sistemi producono nuovamente la stessa quantità di lavoro azionando gli stessi carichi inerziali e vengono lasciati funzionare fino al raggiungimento dell'equilibrio termico. Il sistema a circuito aperto raggiunge una temperatura del carter di 76,0 °C, mentre il sistema a circuito chiuso raggiunge l'equilibrio termico a una temperatura del carter di soli 36,9 °C, meno della metà rispetto al sistema a circuito aperto. Questa significativa riduzione del riscaldamento del motore può tradursi in minori costi dei componenti per i costruttori di macchine, poiché possono omettere sottosistemi di protezione e raffreddamento aggiuntivi.

Motori rumorosi addio

Un altro inconveniente comune dei sistemi stepper ad anello aperto è la notevole rumorosità che producono. In determinati ambienti, come laboratori, ospedali e uffici, questo rumore può rappresentare un vero problema per i progettisti di macchine.

Il rumore emesso dai motori passo-passo deriva dall'elevata frequenza elettrica e dalle rapide variazioni di flusso nei denti dello statore, nonché dal fatto che i sistemi ad anello aperto funzionano alla corrente nominale massima indipendentemente dal carico. I sistemi a circuito chiuso, invece, alimentano il motore con la corrente sufficiente a controllare il carico, con conseguente riduzione significativa del rumore udibile.

Per ottenere i risultati dei test mostrati nel grafico del rumore acustico che accompagna questo articolo, il rumore acustico di ciascun sistema viene misurato in una camera insonorizzata. Il sistema a circuito chiuso è notevolmente più silenzioso rispetto all'opzione a circuito aperto a velocità comprese tra 0 e 20 giri/sec. Questo intervallo di velocità coincide con l'intervallo di velocità reale delle applicazioni in cui i sistemi con motore passo-passo sono più frequentemente utilizzati, il che significa che la stragrande maggioranza delle applicazioni con motori passo-passo potrebbe beneficiare di una riduzione del rumore del motore passando a sistemi a circuito chiuso.

Maggiore precisione del motore per eliminare gli errori di posizione.

I sistemi a motore passo-passo ad anello aperto sono apprezzati per la loro capacità di posizionare con precisione i carichi senza un meccanismo di feedback o un sistema di controllo ad anello chiuso, ma solo se il sistema ad anello aperto ha un margine di coppia sufficiente a evitare errori di posizionamento durante il normale funzionamento. Per una maggiore precisione e per una progettazione del sistema più robusta, chiudere l'anello di controllo del posizionamento del servomotore attorno al feedback dell'encoder ad alta risoluzione consente ai sistemi ad anello chiuso di compensare automaticamente gli aumenti della richiesta di coppia che altrimenti porterebbero a errori di posizionamento nei sistemi ad anello aperto. Ciò migliora notevolmente la precisione complessiva del sistema, in particolare per applicazioni altamente dinamiche come i sistemi pick-and-place e le stampanti 3D, dove sono necessari movimenti brevi e rapidi e frequenti cambi di direzione.

Aggiornamento dei sistemi stepper esistenti

In un sistema integrato con motore passo-passo, i costi del motore, dell'amplificatore di potenza e della comunicazione generalmente non aumentano passando da un sistema ad anello aperto a uno ad anello chiuso. L'elettronica di controllo potrebbe richiedere una maggiore potenza di elaborazione centrale o una maggiore memoria per il controllo servoassistito del motore, ma questi aspetti in genere non incidono sul prezzo di listino. Gran parte della differenza di costo tra i sistemi a motore passo-passo ad anello aperto e ad anello chiuso è dovuta all'aggiunta di un dispositivo di feedback ad alta risoluzione, ma i progressi nella produzione hanno reso questi dispositivi sempre più accessibili. Pertanto, i sistemi a motore passo-passo ad anello chiuso mantengono i vantaggi in termini di costi dei sistemi ad anello aperto rispetto ad altri tipi di sistemi di posizionamento, come ad esempio un servomotore tradizionale, ma con prestazioni notevolmente superiori in quasi tutti gli ambiti. In genere, il risparmio energetico e la maggiore produttività di un sistema ad anello chiuso compensano rapidamente il leggero aumento di costo del dispositivo di feedback.

Oltre a un aumento minimo dei costi, il passaggio da un sistema a circuito aperto a un sistema a circuito chiuso è semplificato grazie alla disponibilità di telai NEMA di diverse dimensioni. Un motore passo-passo NEMA 23 a circuito chiuso ha le stesse dimensioni del telaio, diametro del perno, circonferenza dei fori di fissaggio e diametro dei fori di fissaggio di un motore passo-passo NEMA 23 a circuito aperto, quindi le staffe di montaggio rimangono invariate. La maggiore coppia disponibile nel sistema a circuito chiuso implica che il diametro dell'albero del motore passo-passo a circuito chiuso possa essere maggiore, ma questo problema può essere solitamente risolto facilmente con una semplice sostituzione del giunto dell'albero.