I motori passo-passo a circuito chiuso potrebbero rappresentare la scelta migliore per le attività solitamente svolte dai servocomandi, poiché i motori passo-passo tradizionali non sono in grado di gestirle.

Una delle decisioni più cruciali che gli ingegneri possono prendere nella progettazione di qualsiasi tipo di processo di controllo del movimento è la scelta del motore. Ottenere il motore giusto, sia in termini di tipologia che di dimensioni, è fondamentale per l'efficienza operativa della macchina finale. Inoltre, garantire che il motore non superi il budget è sempre una priorità assoluta.

Una delle prime domande a cui rispondere nel prendere una decisione è: quale tipo di motore sarebbe il migliore? L'applicazione richiede un servomotore ad alte prestazioni? Sarebbe meglio un motore passo-passo a basso costo? O forse c'è una terza opzione, intermedia, da considerare?

Le risposte partono dalle esigenze dell'applicazione specifica. Sono molti i fattori da considerare prima di determinare il tipo di motore ideale per una determinata applicazione.

I requisiti

Quanti cicli al minuto deve compiere il motore? Quanta coppia è necessaria? Qual è la velocità massima richiesta?

Non è possibile rispondere a queste domande cruciali semplicemente scegliendo un motore con una determinata potenza.

La potenza in uscita di un motore è la combinazione di coppia e velocità e può essere calcolata moltiplicando velocità, coppia e una costante.

Tuttavia, data la natura di questo calcolo, esistono molte diverse combinazioni di coppia e velocità che producono una potenza specifica. Pertanto, motori diversi con potenze nominali simili possono funzionare in modo diverso a seconda della combinazione di velocità e coppia che offrono.

Gli ingegneri devono sapere quanto velocemente deve muoversi un carico di una certa dimensione prima di scegliere con sicurezza il motore più adatto. Il lavoro da svolgere deve anche rientrare nella curva coppia/velocità del motore. Questa curva mostra come varia la coppia di un motore durante il funzionamento. Utilizzando ipotesi del "caso peggiore" (in altre parole, determinando la quantità massima/minima di coppia e velocità che il lavoro richiederà), gli ingegneri possono essere certi che il motore scelto abbia una curva coppia/velocità sufficiente.

L'inerzia del carico è un altro fattore da considerare prima di addentrarsi nel processo decisionale per la scelta di un motore. È necessario calcolare il rapporto di inerzia, ovvero il confronto tra l'inerzia del carico e l'inerzia del motore. Una regola empirica afferma che se l'inerzia del carico supera di 10 volte quella del rotore, la messa a punto del motore potrebbe risultare più complessa e le prestazioni potrebbero risentirne. Tuttavia, questa regola varia non solo da tecnologia a tecnologia, ma anche da fornitore a fornitore e persino da prodotto a prodotto. Anche la criticità di un'applicazione influirà su questa decisione. Alcuni prodotti gestiscono rapporti fino a 30:1, mentre gli azionamenti diretti arrivano fino a 200:1. Molti non gradiscono dimensionare un motore con un rapporto superiore a 10:1.

Infine, esistono limitazioni fisiche che limitano l'utilizzo di un motore rispetto a un altro? I motori sono disponibili in diverse forme e dimensioni. In alcuni casi, i motori sono grandi e ingombranti, e in determinate attività non è possibile installare un motore di determinate dimensioni. Prima di prendere una decisione informata sul tipo di motore più adatto, è necessario conoscere e comprendere queste specifiche fisiche.

Una volta che gli ingegneri hanno risposto a tutte queste domande – velocità, coppia, potenza, inerzia del carico e limitazioni fisiche – possono concentrarsi sulla dimensione del motore più efficiente. Tuttavia, il processo decisionale non si ferma qui. Gli ingegneri devono anche capire quale tipo di motore si adatta meglio all'applicazione. Per anni, la scelta del tipo si è ridotta a una di due opzioni per la maggior parte delle applicazioni: un servomotore o un motore passo-passo ad anello aperto.

Servocomandi e motori passo-passo

I principi di funzionamento dei servomotori e dei motori passo-passo ad anello aperto sono simili. Tuttavia, esistono differenze fondamentali tra i due che gli ingegneri devono comprendere prima di decidere quale motore sia ideale per una determinata applicazione.

Nei sistemi servo tradizionali, un controller invia comandi all'azionamento del motore tramite impulsi e direzione o un comando analogico relativo a posizione, velocità o coppia. Alcuni controlli possono utilizzare un metodo basato su bus, che nei controlli più recenti è in genere un metodo di comunicazione basato su Ethernet. L'azionamento invia quindi la corrente appropriata a ciascuna fase del motore. Il feedback del motore ritorna all'azionamento del motore e, se necessario, al controller. L'azionamento si basa su queste informazioni per commutare correttamente il motore e inviare informazioni attendibili sulla posizione dinamica dell'albero motore. Pertanto, i servomotori sono considerati motori ad anello chiuso e contengono encoder integrati, e i dati di posizione vengono spesso inviati al controller. Questo feedback offre al controller un maggiore controllo sul motore. Il controller può apportare modifiche al funzionamento, in varia misura, se qualcosa non funziona come dovrebbe. Questo tipo di informazioni cruciali è un vantaggio che i motori passo-passo ad anello aperto non possono offrire.

Anche i motori passo-passo funzionano in base ai comandi inviati all'azionamento del motore per determinare la distanza percorsa e la velocità. In genere, questo segnale è un comando passo-passo e direzione. Tuttavia, i motori passo-passo ad anello aperto non possono fornire feedback agli operatori, quindi i loro controlli non possono valutare correttamente una situazione e apportare modifiche per migliorare il funzionamento del motore.

Ad esempio, se la coppia di un motore non è sufficiente a gestire il carico, il motore potrebbe andare in stallo o saltare determinati passi. In questo caso, la posizione target non verrà raggiunta. Considerando le caratteristiche ad anello aperto del motore passo-passo, questo posizionamento impreciso non verrà trasmesso in modo adeguato al controller, in modo che possa apportare le opportune modifiche.

Il servomotore sembra offrire chiari vantaggi in termini di efficienza e prestazioni, quindi perché scegliere un motore passo-passo? Ci sono un paio di motivi. Il più comune è il prezzo; i budget operativi sono considerazioni importanti in qualsiasi decisione di progettazione. Con il restringersi dei budget, è necessario prendere decisioni per ridurre i costi superflui. Questo non si riferisce solo al costo del motore stesso, ma anche alla manutenzione ordinaria e straordinaria che tende a essere meno costosa per i motori passo-passo rispetto ai servomotori. Pertanto, se i vantaggi di un servomotore non ne giustificano il costo, un motore passo-passo standard potrebbe essere sufficiente.

Da un punto di vista puramente operativo, i motori passo-passo sono notevolmente più facili da usare rispetto ai servomotori standard. Il funzionamento di un motore passo-passo è molto più semplice da capire e da configurare. La maggior parte del personale concorderebbe sul fatto che, se non c'è motivo di complicare eccessivamente le operazioni, sia meglio semplificarle.

I vantaggi offerti dai due diversi tipi di motore sono molto diversi. I servomotori sono ideali se si necessita di un motore con velocità superiori a 3.000 giri/min e coppia elevata. Tuttavia, per un'applicazione che richiede solo velocità di poche centinaia di giri/min o inferiori, un servomotore non è sempre la scelta migliore. I servomotori potrebbero risultare eccessivi per applicazioni a bassa velocità.

Le applicazioni a bassa velocità sono quelle in cui i motori passo-passo si dimostrano la migliore soluzione possibile. I motori passo-passo non solo sono ripetibili in termini di arresto, ma sono anche progettati per funzionare a bassa velocità pur fornendo una coppia elevata. Grazie alla natura stessa di questo design, i motori passo-passo possono essere controllati e utilizzati fino ai loro limiti di velocità. Il limite di velocità tipico dei motori passo-passo è solitamente inferiore a 1.000 giri/min, mentre i servomotori possono raggiungere velocità nominali fino a 3.000 giri/min e oltre, a volte anche superiori a 7.000 giri/min.

Se dimensionato correttamente, un motore passo-passo può essere la scelta perfetta. Tuttavia, quando un motore passo-passo funziona in una configurazione ad anello aperto e si verifica un problema, gli operatori potrebbero non ricevere tutti i dati necessari per risolvere il problema.

Risolvere il problema del ciclo aperto

Negli ultimi decenni, sono stati proposti diversi approcci per risolvere i problemi tradizionali dei motori passo-passo ad anello aperto. Un metodo era quello di far tornare il motore a un sensore all'accensione, o anche più volte durante un'applicazione. Sebbene semplice, questo metodo rallenta le operazioni e non rileva i problemi che si presentano durante i normali processi operativi.

Un altro approccio è quello di aggiungere un feedback per rilevare se il motore è in stallo o fuori posizione. Gli ingegneri delle aziende di controllo del movimento hanno creato funzioni di "rilevamento dello stallo" e "mantenimento della posizione". Ci sono stati anche alcuni approcci che si sono spinti oltre, trattando i motori passo-passo in modo molto simile ai servocomandi, o almeno imitandoli con algoritmi sofisticati.

Nell'ampio spettro di motori – tra i servocomandi e i motori passo-passo ad anello aperto – si colloca una tecnologia relativamente nuova, nota come motore passo-passo ad anello chiuso. Rappresenta il modo migliore e più conveniente per risolvere il problema delle applicazioni che richiedono precisione di posizionamento e basse velocità. Applicando dispositivi di feedback ad alta risoluzione per chiudere l'anello, gli ingegneri possono godere del "meglio di entrambi i mondi".

I motori passo-passo a circuito chiuso offrono tutti i vantaggi dei motori passo-passo: facilità d'uso, semplicità e capacità di funzionare in modo costante a basse velocità con un arresto preciso. Inoltre, offrono le stesse capacità di feedback dei servomotori. Fortunatamente, non devono necessariamente avere a che fare con il principale svantaggio di un servo: il prezzo più elevato.

La chiave è sempre stata nel funzionamento dei motori passo-passo ad anello aperto. In genere hanno due bobine, a volte cinque, con un bilanciamento magnetico tra di esse. Il movimento disturba questo equilibrio, causando un ritardo elettrico dell'albero motore, ma l'operatore non può sapere di quanto. Il punto di arresto è ripetibile per i motori passo-passo ad anello aperto, ma non per tutti i carichi. L'installazione di un encoder sul motore e la sua configurazione ad anello chiuso forniscono un certo controllo dinamico. Questo consente agli operatori di arrestarsi in un punto preciso al variare del carico.

Questi vantaggi derivanti dall'utilizzo di motori passo-passo a circuito chiuso per determinate applicazioni hanno notevolmente aumentato la popolarità di questi motori nella comunità del controllo del movimento. In particolare, in due dei settori più importanti, quello dei produttori di semiconduttori e di dispositivi medicali, si sta registrando un netto aumento dell'utilizzo di motori passo-passo a circuito chiuso. Gli ingegneri in questi settori devono sapere esattamente dove i motori hanno posizionato carichi o attuatori, che si tratti di azionare una cinghia o una vite a sfere. Il feedback a circuito chiuso di questi motori passo-passo consente loro di sapere esattamente dove si trovano. Questi motori passo-passo possono anche offrire prestazioni migliori rispetto ai servomotori a velocità inferiori.

In genere, qualsiasi applicazione che richieda prestazioni garantite a un costo inferiore rispetto a un servomotore e la capacità di funzionare a velocità relativamente basse è un buon candidato per i motori passo-passo a circuito chiuso.

È importante tenere presente che gli operatori devono assicurarsi che l'azionamento o i controlli supportino i motori passo-passo a circuito chiuso. In passato, si poteva acquistare un motore passo-passo con un encoder sul retro, ma l'azionamento era un azionamento passo-passo standard e non supportava gli encoder. L'encoder doveva essere riportato al controller e la verifica della posizione doveva essere implementata al termine di un movimento. Questo non è necessario con i nuovi azionamenti passo-passo a circuito chiuso. Gli azionamenti passo-passo a circuito chiuso possono gestire dinamicamente e automaticamente il controllo di posizione e velocità senza coinvolgere i controller.