Quale soluzione è più adatta alla tua applicazione? Analizziamo i principali criteri di scelta, 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 ospita gli avvolgimenti. Quando la corrente scorre attraverso gli avvolgimenti dello statore, genera una distribuzione di flusso magnetico che interagisce con la distribuzione del campo magnetico del rotore, applicando 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. Aggiungere un riduttore di velocità 10:1 a un motore passo-passo da 1.200 giri/minuto potrebbe aumentare la coppia di un ordine di grandezza, ma ridurrebbe anche la velocità a 120 giri/minuto. Se il motore viene utilizzato per azionare un attuatore a vite a ricircolo di sfere o simile, probabilmente non fornirà una velocità sufficiente a soddisfare le esigenze dell'applicazione.

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

Anche i motori passo-passo presentano dei limiti prestazionali. Si può pensare a un motore passo-passo come a un sistema massa-molla. Il motore deve superare l'attrito per iniziare a ruotare e spostare il carico, momento in cui il rotore non è completamente controllato. Di conseguenza, un comando per avanzare di cinque passi potrebbe tradursi in una rotazione effettiva del motore di soli quattro passi, o addirittura sei.

Se il comando di azionamento ordina a un motore di avanzare di 200 passi, lo farà con una precisione di pochi passi, che a quel punto rappresenta un errore di pochi punti percentuali. Sebbene comandiamo i motori passo-passo con una risoluzione tipica compresa tra 25.000 e 50.000 impulsi per giro, poiché il motore è un sistema massa-molla sotto carico, la nostra risoluzione tipica è di 2.000-6.000 impulsi per giro. Tuttavia, anche a queste risoluzioni, uno spostamento di 200 passi corrisponde a una frazione di grado.

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

Servomotori

Come i motori passo-passo, anche i servomotori hanno diverse implementazioni. Consideriamo il design più comune, che prevede un rotore con magneti permanenti e uno statore fisso con gli avvolgimenti. Anche in questo caso, la corrente crea una distribuzione di 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 funzionare in circuito chiuso.

Il funzionamento a circuito chiuso consente al controllore/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 con coppia a velocità zero dipende dal dimensionamento corretto del motore per controllare il carico e impedire oscillazioni attorno alla posizione comandata.

I servomotori utilizzano in genere magneti in terre rare, mentre i motori passo-passo impiegano più frequentemente magneti convenzionali, meno costosi. I magneti in terre rare consentono di sviluppare una coppia maggiore in dimensioni più compatte. I servomotori beneficiano inoltre di un vantaggio in termini di coppia grazie alle loro dimensioni fisiche complessive. I diametri dei servomotori variano in genere da NEMA 17 fino a 220 mm. Grazie a questi fattori combinati, i servomotori possono erogare coppie fino a 250 piedi-libbra.

La combinazione di velocità e coppia consente ai servomotori di offrire un'accelerazione superiore rispetto ai motori passo-passo. Inoltre, grazie al funzionamento a circuito chiuso, garantiscono una maggiore precisione di posizionamento.

Considerazioni finali

I servomotori offrono un innegabile vantaggio in termini di prestazioni. Tuttavia, in termini di ripetibilità, i motori passo-passo possono essere molto competitivi. Questo punto solleva un equivoco comune sui motori passo-passo, ovvero il mito del movimento perso. Come abbiamo discusso in precedenza, la natura massa-molla di un motore passo-passo può comportare la perdita di alcuni passi. Tuttavia, poiché il driver comanda al motore passo-passo di spostarsi in una posizione angolare, i passi persi non vengono trasmessi da una rotazione all'altra. Da una rotazione all'altra, i motori passo-passo sono altamente ripetibili. Approfondiremo questo argomento in un prossimo articolo del blog.

La discussione precedente ci porta a un'ultima differenza fondamentale tra assi passo-passo e assi servoassistiti: il costo. I motori passo-passo in genere non richiedono feedback, 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 costare fino a un ordine di grandezza in meno rispetto a un servomotore comparabile.

In sintesi, i motori passo-passo sono una buona soluzione per applicazioni con requisiti di bassa velocità, bassa accelerazione e bassa precisione. I motori passo-passo tendono anche ad essere compatti ed economici. Questo li rende adatti ad applicazioni in ambito medico, biotecnologico, di sicurezza e difesa e nella produzione di semiconduttori. I servomotori sono una scelta migliore per sistemi che richiedono alta velocità, alta accelerazione e alta precisione. Il compromesso è rappresentato da costi e complessità maggiori. I servomotori sono tipicamente utilizzati in applicazioni di confezionamento, trasformazione, lavorazione di materiali in bobina e simili.

Se la tua applicazione non presenta particolari difficoltà ma il budget è limitato, considera un motore passo-passo. Se invece le prestazioni sono l'aspetto più importante, un servomotore può fare al caso tuo, ma preparati a spendere di più.