I motori passo-passo a circuito chiuso possono essere la scelta migliore per le attività tipicamente svolte dai servo perché gli stepper tradizionali non sono in grado di gestirli.

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

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 uno stepper low cost? O forse c'è una terza opzione a metà strada da considerare?

Le risposte iniziano dalle esigenze dell'applicazione specifica. Ci sono molti fattori da considerare prima di determinare il tipo di motore ideale per una determinata applicazione.

I requisiti

Quanti cicli al minuto deve fare il motore? Quanta coppia è necessaria? Qual è la velocità di picco richiesta?

Queste domande cruciali non possono essere affrontate semplicemente scegliendo un motore con una determinata potenza.

La potenza erogata da un motore è la combinazione di coppia e velocità che può essere calcolata moltiplicando velocità, coppia e una costante.

A causa della natura di questo calcolo, tuttavia, esistono molte combinazioni diverse di coppia e velocità che produrranno una potenza specifica. Pertanto, motori diversi con potenze simili possono funzionare in modo diverso a causa della combinazione di velocità e coppia che offrono.

Gli ingegneri devono sapere la velocità con cui deve spostarsi un carico di determinate dimensioni prima di scegliere con sicurezza un motore che funzionerà meglio. Anche il lavoro da eseguire deve rientrare nella curva coppia/velocità del motore. Questa curva mostra come varia la coppia di un motore durante il funzionamento. Utilizzando le ipotesi del “caso peggiore” (in altre parole, determinando la quantità massima/minima di coppia e velocità richiesta dal lavoro), 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 relativo alla scelta di un motore. È necessario calcolare il rapporto di inerzia, che è il confronto tra l'inerzia del carico e l'inerzia del motore. Una regola pratica dice che se l'inerzia del carico supera 10 volte quella del rotore, la messa a punto del motore potrebbe essere più difficile e le prestazioni potrebbero risentirne. Ma questa regola varia non solo da tecnologia a tecnologia, ma da fornitore a fornitore e persino da prodotto a prodotto. Anche la criticità di un'applicazione influenzerà questa decisione. Alcuni prodotti gestiscono rapporti fino a 30:1, mentre gli azionamenti diretti funzionano fino a 200:1. A molte persone non piace dimensionare un motore che superi il rapporto 10 a 1.

Infine, ci sono limitazioni fisiche che limitano un determinato motore rispetto a un altro. I motori sono disponibili in diverse forme e dimensioni. In alcuni casi, i motori sono grandi e ingombranti e vi sono alcune operazioni che non possono ospitare un motore di determinate dimensioni. Prima di poter prendere una decisione informata sul miglior tipo di motore, queste specifiche fisiche dovrebbero essere riconosciute e comprese.

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 delle due opzioni per la maggior parte delle applicazioni: un servomotore o un motore passo-passo ad anello aperto.

Servi e stepper

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 è ideale per una determinata applicazione.

Nei servosistemi 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 fa affidamento su queste informazioni per commutare correttamente il motore e inviare buone informazioni sulla posizione dinamica dell'albero motore. Pertanto, i servomotori sono considerati motori a circuito 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 alle operazioni, a vari livelli, 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.

I motori passo-passo funzionano anche su comandi inviati all'azionamento del motore per dettare la distanza spostata e la velocità. Tipicamente, questo segnale è un comando passo-direzione. Tuttavia, gli stepper a circuito aperto non possono fornire feedback agli operatori, quindi i loro controlli non sono in grado di valutare correttamente una situazione e apportare modifiche per migliorare il funzionamento del motore.

Ad esempio, se la coppia di un motore non è sufficiente per gestire il carico, il motore può bloccarsi o saltare alcuni passaggi. Quando ciò accade, la posizione target non verrà raggiunta. Tenendo presente le caratteristiche ad anello aperto del motore passo-passo, questo posizionamento impreciso non verrà adeguatamente ritrasmesso al controller in modo che possa apportare modifiche.

Il servomotore sembra avere chiari vantaggi in termini di efficienza e prestazioni, quindi perché qualcuno dovrebbe scegliere un motore passo-passo? Ci sono un paio di ragioni. Il più comune è il prezzo; i budget operativi sono considerazioni importanti nel prendere qualsiasi decisione di progettazione. Con la riduzione dei budget, è necessario prendere decisioni per ridurre i costi non necessari. Ciò non si riferisce solo al costo del motore stesso, ma la manutenzione ordinaria e di emergenza tende ad essere meno costosa per i motori passo-passo rispetto ai servo. Pertanto, se i vantaggi di un servomotore non ne giustificano i costi, 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 più facile da configurare. La maggior parte del personale concorderebbe sul fatto che, se non vi è motivo di complicare eccessivamente le operazioni, è necessario mantenere le cose semplici.

I vantaggi offerti dai due diversi tipi di motore sono molto diversi. I servomotori sono ideali se hai bisogno di un motore con velocità superiori a 3.000 giri al minuto e coppia elevata. Tuttavia, per un'applicazione che richiede solo velocità di poche centinaia di giri al minuto o meno, un servomotore non è sempre la scelta migliore. I servomotori possono essere eccessivi per le applicazioni a bassa velocità.

Le applicazioni a bassa velocità sono quelle in cui i motori passo-passo brillano come 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 fornendo allo stesso tempo una coppia elevata. Per la natura stessa di questo design, i motori passo-passo possono essere controllati e funzionare fino ai limiti di velocità. Il limite di velocità dei tipici motori passo-passo è solitamente inferiore a 1.000 giri al minuto, mentre i servomotori possono avere velocità nominali fino a 3.000 giri al minuto e superiori, a volte anche superiori a 7.000 giri al minuto.

Se uno stepper è dimensionato correttamente, può essere la scelta perfetta. Tuttavia, quando un motore passo-passo funziona con una configurazione ad anello aperto e qualcosa va storto, gli operatori potrebbero non ottenere tutti i dati necessari per risolvere il problema.

Risolvere il problema del circuito aperto

Negli ultimi decenni sono stati offerti diversi approcci per risolvere i problemi tradizionali con gli stepper a circuito aperto. Un metodo era indirizzare il motore a un sensore all'accensione, o anche più volte durante un'applicazione. Anche se semplice, questo rallenta le operazioni e non rileva i problemi che insorgono durante i normali processi operativi.

Un altro approccio è l'aggiunta di feedback per rilevare se il motore è in stallo o fuori posizione. Gli ingegneri delle società di controllo del movimento hanno creato funzionalità di “rilevamento dello stallo” e “mantenimento della posizione”. Ci sono stati anche alcuni approcci che vanno oltre e trattano i motori passo-passo in modo molto simile ai servo, o almeno li imitano con algoritmi fantasiosi.

Nel vasto spettro dei motori, tra i servo e i motori passo-passo ad anello aperto, si trova una tecnologia alquanto nuova nota come motore passo-passo ad anello chiuso. È il modo migliore e più economico per risolvere il problema delle applicazioni che richiedono precisione di posizionamento e basse velocità. Applicando dispositivi di feedback ad alta risoluzione per chiudere il ciclo, gli ingegneri possono godere del “meglio di entrambi i mondi”.

I motori passo-passo ad anello chiuso offrono tutti i vantaggi dei motori passo-passo: facilità d'uso, semplicità e capacità di funzionare costantemente a basse velocità con arresto accurato. Inoltre, offrono ancora le funzionalità di feedback dei servomotori. Fortunatamente, non deve necessariamente avere il più grande svantaggio di un servo: il prezzo più alto.

La chiave è sempre stata nel modo in cui funzionano i motori passo-passo ad anello aperto. Solitamente hanno due bobine, a volte cinque, con un atto di bilanciamento magnetico in corso tra di loro. Il movimento disturba questo equilibrio, causando la caduta elettrica dell'albero del motore, ma l'operatore non può sapere quanto rimane indietro. Il punto di arresto è ripetibile per gli stepper ad anello aperto ma non per tutti i carichi. Mettere un encoder sullo stepper e renderlo un anello chiuso fornisce un controllo dinamico. Ciò consente agli operatori di fermarsi in un punto esatto sotto carichi variabili.

Questi vantaggi derivanti dall'utilizzo di motori passo-passo a circuito chiuso per determinate applicazioni hanno aumentato notevolmente la popolarità di questi motori nella comunità del controllo del movimento. Nello specifico, in due dei settori più importanti, quello dei produttori di semiconduttori e di dispositivi medici, si registra un chiaro aumento nell'utilizzo di motori passo-passo a circuito chiuso. Gli ingegneri di questi settori devono sapere esattamente dove i motori hanno posizionato i carichi o gli attuatori, sia che alimentano una cinghia o una vite a ricircolo di sfere. Il feedback a circuito chiuso in questi stepper consente loro di sapere esattamente dove si trova. Questi stepper possono anche fornire prestazioni migliori rispetto ai servi a velocità inferiori.

In generale, 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.

Tieni presente che gli operatori devono garantire che l'azionamento o i controlli supportino i motori passo-passo a circuito chiuso. Storicamente, è possibile ottenere uno stepper con un encoder sul retro, ma l'unità era un'unità stepper standard e non supportava gli encoder. L'encoder doveva essere riportato al controller e la verifica della posizione doveva essere implementata alla fine di un determinato movimento. Ciò 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 della posizione e della velocità senza coinvolgere i controller.