Motori passo-passo e servomotori

Stepper e servo possono essere utilizzati con gli attuatori Bimba OLE. Sono la migliore tecnologia di motore per il controllo della posizione. La scelta di quale utilizzare dipende da velocità, coppia, prezzo e spesso tempi di consegna. La discussione seguente spiega le differenze tra le due tecnologie.

Progettazione del motore passo-passo

I motori passo-passo sono chiamati "motori digitali" perché si muovono a passi, come le lancette di un orologio. Quando la prima bobina viene eccitata, i denti del rotore si allineano con i denti nel primo avvolgimento dello statore e mantengono la posizione. Quando il secondo avvolgimento viene eccitato, i denti nel rotore si muovono leggermente e si allineano con il secondo avvolgimento dello statore e mantengono la posizione. Il movimento totale in questo esempio è un passo completo.

In genere ci sono 200 passi per rivoluzione a 1,8 gradi per passo. Lo sviluppo di controller elettronici per motori passo-passo ha reso possibili i motori passo-passo. I dispositivi elettronici devono alimentare gli avvolgimenti al momento giusto con la tensione e la corrente giuste, nella fase giusta e nel giusto ordine. I controller si sono evoluti per essere in grado di muovere i motori passo-passo fino a 20,000 passi per rivoluzione, fornendo un movimento 100 volte più fine (0,018 gradi per passo).

Componenti del sistema del motore passo-passo

Per comprendere le prestazioni dei motori passo-passo, è utile conoscere i componenti di un sistema basato su motori passo-passo.

Motore e attuatore:Considerate il motore e l'attuatore insieme come l'equivalente di un braccio. Non si muoverà senza potenza.

• Output: la spinta e la velocità del carico in movimento.
• Ingresso: alimentazione dal driver passo-passo.

Attuatore:Il dispositivo che fornisce al muscolo il movimento del braccio è chiamato attuatore.

• Uscita: gli avvolgimenti del motore sono alimentati con la giusta quantità e nella giusta sequenza per muovere il "braccio" dell'attuatore nella direzione desiderata. Gli attuatori richiedono una fonte di alimentazione, come un alimentatore CC. La tensione in uscita dell'alimentatore CC viene trasmessa direttamente agli avvolgimenti del motore tramite l'attuatore. La corrente e la tensione attraverso gli avvolgimenti del motore sono proporzionali alla coppia in uscita del motore e quindi proporzionali alla spinta in uscita dell'attuatore. In generale, più sono alti la tensione e la corrente, più è alta la spinta. Oltre un certo punto, un aumento della corrente aumenterà solo la temperatura dell'avvolgimento del motore, non la coppia in uscita.
• INPUT: accetta impulsi stepper e comandi di direzione dal controller. Ogni impulso stepping elettronico modifica il modo in cui vengono energizzati gli avvolgimenti del motore, il che a sua volta fa sì che il motore ruoti di un passo, il che sposta l'attuatore.

Titolare del trattamento:pensate al controller come al cervello che dirige i muscoli.

• Uscite: impulsi di step e direzione vengono forniti all'azionamento. Vengono inoltre fornite varie uscite al PLC, tra cui comunicazioni tramite bus (RS232, RS485, Ethernet IP, Profibus, ecc.), segnali in loco, allarmi e uscite di errore.
• Input: gestione intelligente e sistematica degli input provenienti da diverse fonti.

Interruttori magnetici

Sensori in altre parti della macchina
Uscite del controllore programmabile
Comunicazioni bus dai PLC
Segnali encoder dai motori

Codificatore:L'encoder è l'"occhio" del sistema. Comunica al controller se i suoi comandi sono stati eseguiti. Il controller confronta gli impulsi stepper che invia all'azionamento con gli impulsi che riceve dall'encoder. Se gli impulsi che invia sono uguali a quelli che riceve, il controller sa che il suo comando è stato eseguito. Se non sono uguali, il controller regola il motore finché non riceve il numero corretto di impulsi dell'encoder.

Per facilitare la discussione, lo schema a blocchi del sistema separa opportunamente tutti i componenti funzionali. È comune per i produttori combinare le funzioni. Ad esempio, i controller hanno spesso azionamenti integrati e alcuni hanno alimentatori integrati. Alcuni motori hanno encoder integrati e alcuni hanno azionamenti e controller integrati. Alcuni PLC hanno controller integrati.

Prestazioni del motore passo-passo
I motori passo-passo hanno un vantaggio intrinseco:

• I motori passo-passo rappresentano la tecnologia di controllo della posizione meno costosa.
• I motori passo-passo possono essere utilizzati in circuito aperto senza bisogno di un encoder.
• I motori passo-passo forniscono una coppia molto elevata a basse velocità.
• Le dimensioni del telaio NEMA sono disponibili con diametri di montaggio e albero standardizzati.

I motori passo-passo presentano degli svantaggi intrinseci:

• Mentre i motori passo-passo forniscono una coppia elevata a basse velocità, la coppia in uscita diminuisce rapidamente con l'aumentare della velocità.
• I motori passo-passo possono desincronizzarsi, ovvero non sincronizzarsi con gli impulsi passo-passo provenienti dal controller. In altre parole, gli impulsi passo-passo provenienti dal controller vengono convertiti in energia elettrica per gli avvolgimenti del motore, ma il motore non ruota. Ciò accade quando la coppia richiesta per spostare un carico supera la capacità di coppia del motore alla velocità desiderata. Per evitare questo problema:
• Aumentare le dimensioni del motore. Dimensionare il motore in modo da fornire il doppio della coppia massima richiesta.
• Ridurre la velocità fino al punto in cui la coppia del motore è sufficiente.
• Aumentare la tensione sugli avvolgimenti del motore (grande alimentatore).
• Aumentare la corrente agli avvolgimenti del motore (grande alimentatore).
• Utilizzare un encoder per monitorare la posizione e correggere i passaggi saltati.
• Difficile da sincronizzare perché la correzione degli errori avviene alla fine della corsa e non in modo continuo e in tempo reale.
   

Progettazione del servomotore
Per definizione, un servo è qualsiasi dispositivo con feedback. I servomotori hanno bobine sullo statore che vengono energizzate da un servo driver o amplificatore in una sequenza che fa ruotare il rotore magnetico (spin). Affinché il controller determini quale avvolgimento energizzare per primo, deve conoscere la posizione corrente del rotore. Questo rilevamento viene eseguito utilizzando sensori Hall o encoder a doppia funzione.

Componenti del sistema del servomotore
Lo schema a blocchi di un sistema servo è lo stesso di quello di un sistema di motore passo-passo, sebbene i componenti siano tecnicamente diversi. I servoamplificatori sono funzionalmente equivalenti ai driver di motori passo-passo. Come per i motori passo-passo, le funzioni sono solitamente combinate dal produttore.

Prestazioni del servomotore
I servi hanno un vantaggio intrinseco:

• Ad alta velocità
• Alta accelerazione
• Alta precisione
• Coppia più elevata a velocità più elevate
• Più motori possono essere facilmente sincronizzati (correzione degli errori in tempo reale)

I servi presentano degli svantaggi intrinseci:

• Sistema più complesso dei motori passo-passo
• Il motore deve essere regolato per prestazioni ottimali
• Sistema più costoso dei motori passo-passo
• Minore coppia alle velocità più basse rispetto ai motori passo-passo
• Geometria di montaggio non standard (varia a seconda del produttore) e diametro dell'albero
• Minore coppia a basse velocità rispetto ai motori passo-passo di dimensioni equivalenti
   

Implicazioni per l'uso con attuatori elettrici
Qualunque sia la tecnologia utilizzata, questa deve essere adattata alla progettazione dell'attuatore.

• Un servo a bassa velocità potrebbe non raggiungere le stesse prestazioni di un attuatore a bassa velocità di un motore passo-passo.
• Sostituire un motore passo-passo con un servo sullo stesso attuatore non produrrà necessariamente più spinta a velocità più elevate, poiché altri componenti dell'attuatore potrebbero limitarne le prestazioni.

A seconda dell'applicazione, ci sono vantaggi per ciascuna delle due tecnologie di motore. La seguente tabella può essere utilizzata come guida.