I motori passo-passo a circuito chiuso potrebbero essere la scelta migliore per compiti tipicamente svolti dai servomotori, poiché i motori passo-passo tradizionali non sarebbero in grado di gestirli.

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

Una delle prime domande a cui rispondere per 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 economico? O forse esiste una terza opzione intermedia da considerare?

Le risposte partono dalle esigenze specifiche dell'applicazione. 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 compiere il motore? Quanta coppia è necessaria? Qual è la velocità massima richiesta?

A queste questioni cruciali non si può rispondere semplicemente scegliendo un motore con una determinata potenza.

La potenza erogata da un motore è la combinazione di coppia e velocità, che si calcola moltiplicando velocità, coppia e una costante.

Tuttavia, data la natura di questo calcolo, esistono molte combinazioni diverse di coppia e velocità che producono una specifica potenza in uscita. 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 a quale velocità deve essere movimentato un determinato carico prima di poter scegliere con sicurezza il motore più adatto. Il lavoro da svolgere deve inoltre rientrare nella curva coppia/velocità del motore. Questa curva mostra come varia la coppia di un motore durante il funzionamento. Utilizzando ipotesi "nel caso peggiore" (ovvero, determinando i valori massimi e minimi di coppia e velocità richiesti per il lavoro), gli ingegneri possono essere certi che il motore scelto abbia una curva coppia/velocità adeguata.

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 rapporto tra l'inerzia del carico e quella del motore. Una regola empirica afferma che se l'inerzia del carico supera di 10 volte quella del rotore, la regolazione 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 dell'applicazione influirà su questa decisione. Alcuni prodotti gestiscono rapporti fino a 30:1, mentre gli azionamenti diretti arrivano fino a 200:1. Molti preferiscono non dimensionare un motore con un rapporto superiore a 10:1.

Infine, esistono limitazioni fisiche che vincolano un determinato motore a un altro? I motori sono disponibili in diverse forme e dimensioni. In alcuni casi, i motori sono grandi e ingombranti, e ci sono determinate applicazioni che non consentono l'utilizzo di motori di una certa dimensione. Prima di poter prendere una decisione informata sul tipo di motore più adatto, è necessario riconoscere e comprendere queste specifiche fisiche.

Una volta che gli ingegneri hanno risposto a tutte queste domande (velocità, coppia, potenza, inerzia del carico e limiti fisici), possono individuare la 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.

Servomotori 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 tradizionali sistemi servoassistiti, un controllore 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 tipicamente 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 e, se necessario, al controllore. L'azionamento si basa su queste informazioni per commutare correttamente il motore e per inviare dati precisi sulla posizione dinamica dell'albero motore. Pertanto, i servomotori sono considerati motori a circuito chiuso e contengono encoder integrati; i dati di posizione vengono frequentemente inviati al controllore. Questo feedback offre al controllore un maggiore controllo sul motore. Il controllore può apportare modifiche al funzionamento, in misura variabile, se qualcosa non funziona come dovrebbe. Questo tipo di informazione cruciale è un vantaggio che i motori passo-passo a circuito aperto non possono offrire.

Anche i motori passo-passo funzionano in base ai comandi inviati al loro azionamento per determinare la distanza percorsa e la velocità. Tipicamente, questo segnale è un comando di passo e direzione. Tuttavia, i motori passo-passo ad anello aperto non possono fornire feedback agli operatori, quindi i loro sistemi di controllo non possono valutare correttamente una situazione ed effettuare regolazioni per migliorare il funzionamento del motore.

Ad esempio, se la coppia di un motore non è sufficiente a gestire il carico, il motore può bloccarsi o saltare alcuni passi. In questo caso, la posizione target non verrà raggiunta. Considerando le caratteristiche a ciclo aperto del motore passo-passo, questo posizionamento impreciso non verrà trasmesso in modo adeguato al controllore, impedendogli di effettuare le opportune correzioni.

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 progettuale. Con la riduzione dei budget, è necessario prendere decisioni per tagliare i costi superflui. Questo non si riferisce solo al costo del motore stesso, ma anche alla manutenzione ordinaria e straordinaria, che tende ad essere meno costosa per i motori passo-passo rispetto ai servomotori. Pertanto, se i vantaggi di un servomotore non giustificano i suoi 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 comprendere e da configurare. La maggior parte degli operatori concorda sul fatto che, se non c'è motivo di complicare eccessivamente le operazioni, è meglio mantenere le cose semplici.

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

Nelle applicazioni a bassa velocità, i motori passo-passo si distinguono come la soluzione ideale. Non solo garantiscono un arresto preciso e ripetibile, ma sono anche progettati per funzionare a bassa velocità fornendo una coppia elevata. Per loro stessa natura, i motori passo-passo possono essere controllati e fatti funzionare fino ai loro limiti di velocità. Il limite di velocità dei tipici motori passo-passo è generalmente 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 ideale. Tuttavia, quando un motore passo-passo funziona in un circuito aperto e si verifica un problema, gli operatori potrebbero non ricevere tutti i dati necessari per risolverlo.

Risoluzione del problema a ciclo aperto

Negli ultimi decenni, sono stati proposti diversi approcci per risolvere i problemi tradizionali dei motori passo-passo ad anello aperto. Un metodo consisteva nell'indirizzare il motore verso 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 consiste nell'aggiungere un feedback per rilevare se il motore si sta bloccando o è fuori posizione. Gli ingegneri delle aziende di controllo del movimento hanno creato funzioni di "rilevamento del blocco" e "mantenimento della posizione". Alcuni approcci si sono spinti ancora oltre, trattando i motori passo-passo in modo molto simile ai servomotori, o almeno emulandoli con algoritmi sofisticati.

Nell'ampio spettro dei motori, tra i servomotori e i motori passo-passo ad anello aperto, si colloca una tecnologia relativamente nuova nota come motore passo-passo ad anello chiuso. Rappresenta la soluzione migliore e più conveniente per le applicazioni che richiedono precisione di posizionamento e basse velocità. Grazie all'utilizzo di dispositivi di feedback ad alta risoluzione per chiudere l'anello di controllo, i progettisti possono beneficiare 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 funzionalità di feedback dei servomotori. Fortunatamente, non presentano il principale svantaggio dei servomotori: il prezzo più elevato.

Il segreto sta nel funzionamento dei motori passo-passo ad anello aperto. In genere, questi motori hanno due bobine, a volte cinque, tra le quali si crea un equilibrio magnetico. Il movimento disturba questo equilibrio, causando uno sfasamento elettrico dell'albero del 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'aggiunta di un encoder al motore passo-passo, trasformandolo in un sistema ad anello chiuso, fornisce un controllo dinamico. Questo permette agli operatori di arrestare il motore in un punto preciso anche con carichi variabili.

I vantaggi derivanti dall'utilizzo di motori passo-passo a circuito chiuso in determinate applicazioni hanno incrementato notevolmente la popolarità di questi motori nel settore del controllo del movimento. In particolare, in due dei settori più importanti, quello dei semiconduttori e quello dei dispositivi medicali, si registra un netto aumento nell'impiego di motori passo-passo a circuito chiuso. Gli ingegneri di questi settori devono sapere con precisione dove i motori hanno posizionato carichi o attuatori, che si tratti di una cinghia o di una vite a ricircolo di sfere. Il feedback a circuito chiuso di questi motori passo-passo consente loro di conoscere con esattezza la posizione. Questi motori passo-passo possono inoltre offrire prestazioni migliori rispetto ai servomotori a basse velocità.

In generale, qualsiasi applicazione che necessiti di prestazioni garantite a un costo inferiore rispetto a un servomotore e della capacità di funzionare a velocità relativamente basse è una buona candidata per i motori passo-passo a circuito chiuso.

È importante ricordare che gli operatori devono assicurarsi che l'azionamento o i controlli supportino i motori passo-passo a circuito chiuso. In passato, era possibile trovare motori passo-passo con un encoder sul retro, ma l'azionamento era un azionamento standard per motori passo-passo e non supportava gli encoder. L'encoder doveva essere portato al controllore e la verifica della posizione doveva essere implementata al termine di ogni movimento. Questo non è necessario con i nuovi azionamenti per motori passo-passo a circuito chiuso. Gli azionamenti per motori passo-passo a circuito chiuso possono gestire dinamicamente e automaticamente il controllo di posizione e velocità senza l'intervento di controllori.