Qual è la soluzione giusta per la tua applicazione? Analizziamo i criteri decisionali chiave, tra cui velocità, accelerazione e obiettivi di prezzo.

Motori passo-passo

I motori passo-passo sono costituiti da un rotore con magneti permanenti e da uno statore fisso che contiene gli avvolgimenti. Quando la corrente attraversa gli avvolgimenti dello statore, genera una distribuzione di flusso magnetico che interagisce con la distribuzione del campo magnetico del rotore per applicare una forza di rotazione. I motori passo-passo presentano un numero di poli molto elevato, in genere 50 o più. Il driver del motore passo-passo alimenta ciascun polo in sequenza in modo che il rotore ruoti con una serie di incrementi, o passi. Grazie all'elevato numero di poli, il movimento appare continuo.

In teoria, un riduttore potrebbe essere utilizzato per aumentare la coppia, ma è qui che la bassa velocità dei motori passo-passo diventa un problema. L'aggiunta di un riduttore 10:1 a un motore passo-passo da 1.200 giri/min potrebbe aumentare la coppia di un ordine di grandezza, ma ridurrà anche la velocità a 120 giri/min. Se il motore viene utilizzato per azionare un attuatore a vite a sfere o simile, probabilmente non fornirà una velocità sufficiente a soddisfare le esigenze dell'applicazione.

I motori passo-passo generalmente non sono disponibili in taglie superiori a NEMA 34, e la maggior parte delle applicazioni rientra nelle taglie NEMA 17 o NEMA 23. Di conseguenza, è raro trovare motori passo-passo in grado di generare una coppia superiore a 1.000-2.000 once-pollici.

Anche i motori passo-passo presentano limitazioni prestazionali. Si può pensare a un motore passo-passo come a un sistema molla-massa. Il motore deve rompere l'attrito per iniziare a ruotare e spostare il carico, e a quel punto il rotore non è completamente controllato. Di conseguenza, un comando di avanzamento di cinque passi potrebbe far ruotare il motore solo di quattro passi, o sei.

Tuttavia, se l'azionamento comanda a un motore di avanzare di 200 passi, lo farà con un margine di errore di pochi passi, il che a quel punto rappresenta un errore di qualche punto percentuale. Sebbene comandiamo motori passo-passo con una risoluzione tipicamente compresa tra 25.000 e 50.000 conteggi per giro, poiché il motore è un sistema molla-massa sotto carico, la nostra risoluzione tipica è compresa tra 2.000 e 6.000 conteggi per giro. Tuttavia, a queste risoluzioni, anche uno spostamento di 200 passi corrisponde a una frazione di grado.

L'aggiunta di un encoder consentirà al sistema di tracciare con precisione il movimento, ma non sarà in grado di superare la fisica di base del motore. Per applicazioni che richiedono maggiore precisione e risoluzione di posizionamento, i servomotori offrono una soluzione migliore.

Servomotori

Come i motori passo-passo, i servomotori hanno numerose implementazioni. Consideriamo il design più comune, che incorpora un rotore con magneti permanenti e uno statore stazionario con gli avvolgimenti. Anche in questo caso, la corrente crea una distribuzione del campo magnetico che agisce sul rotore per generare coppia. I servomotori, tuttavia, hanno un numero di poli significativamente inferiore rispetto ai motori passo-passo. Di conseguenza, devono essere azionati in anello chiuso.

Il funzionamento a circuito chiuso consente al controller/azionamento di comandare che il carico rimanga in una posizione specifica, e il motore effettuerà continue regolazioni per mantenerlo in quella posizione. Pertanto, i servomotori possono fornire di fatto una coppia di mantenimento. Si noti, tuttavia, che lo scenario di coppia a velocità zero dipende dal dimensionamento del motore per controllare il carico e impedire oscillazioni attorno alla posizione comandata.

I servomotori utilizzano tipicamente magneti in terre rare, mentre i motori passo-passo utilizzano più frequentemente magneti convenzionali meno costosi. I magneti in terre rare consentono di sviluppare una coppia più elevata in un contenitore più piccolo. I servomotori ottengono anche un vantaggio in termini di coppia grazie alle loro dimensioni fisiche complessive. I diametri dei servomotori variano tipicamente da NEMA 17 fino a 220 mm. Grazie a questi fattori combinati, i servomotori possono fornire coppie fino a 250 piedi per libbra.

La combinazione di velocità e coppia consente ai servomotori di fornire un'accelerazione migliore rispetto ai motori passo-passo. Offrono inoltre una migliore precisione di posizionamento grazie al funzionamento a circuito chiuso.

Considerazioni finali

I servomotori offrono un innegabile vantaggio in termini di prestazioni. In termini di ripetibilità, tuttavia, i motori passo-passo possono essere piuttosto competitivi. Questo punto solleva un equivoco comune sui motori passo-passo, ovvero il mito del movimento perso. Come discusso in precedenza, la natura massa-molla di un motore passo-passo può causare la perdita di alcuni passi. Poiché l'azionamento comanda al motore passo-passo di spostarsi in una posizione angolare, i passi persi non vengono tuttavia trasferiti da una rotazione all'altra. Rotazione dopo rotazione, i motori passo-passo sono altamente ripetibili. Una discussione più approfondita su questo argomento sarà disponibile in un futuro articolo del blog.

Quanto detto sopra ci porta a un'ultima distinzione fondamentale tra assi passo-passo e servoassi: il costo. I motori passo-passo in genere non richiedono retroazione, utilizzano magneti meno costosi e raramente incorporano riduttori. Grazie all'elevato numero di poli e alla loro capacità di generare coppia di mantenimento, consumano meno energia a velocità zero. Di conseguenza, un motore passo-passo può essere fino a un ordine di grandezza più economico di un servomotore comparabile.

In sintesi, i motori passo-passo rappresentano ottime soluzioni per applicazioni con requisiti di bassa velocità, bassa accelerazione e bassa precisione. I motori passo-passo tendono anche a essere compatti ed economici. Questo li rende adatti ad applicazioni mediche, biotecnologiche, di sicurezza e difesa e di produzione di semiconduttori. I servomotori rappresentano una scelta migliore per i sistemi che richiedono alta velocità, alta accelerazione e alta precisione. Il compromesso è un costo e una complessità maggiori. I servomotori sono tipicamente utilizzati nel packaging, nella conversione, nella lavorazione di nastri e in applicazioni simili.

Se la tua applicazione è flessibile ma il tuo budget non lo è, prendi in considerazione un motore passo-passo. Se le prestazioni sono l'aspetto più importante, un servomotore andrà bene, ma preparati a pagare di più.