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Motore passo passo: cos’è e come funziona

Cos’è un motore passo passo (stepper) e a cosa serve?

I motori passo passo sono motori elettrici sincroni senza spazzole (Brushless) alimentati in corrente continua.

I comuni motori brushless, se alimentati, cominciano a far girare il rotore. I motori passo-passo invece, se alimentati, mantengono il rotore fermo in una certa posizione. Se si vuole far ruotare il motore passo passo in un verso o nell’altro, è necessario inviare una sequenza ben definita di impulsi.

I motori passo-passo, chiamati anche stepper in inglese, hanno la particolarità di poter ruotare l’albero del rotore di alcuni gradi in modo molto preciso e senza l’auslio di sensori che ne rilevino la posizione angolare. In poche parole, un giro completo del motore può essere suddiviso in un certo numero di passi (step). Il numero di step è determinato dall’ampiezza degli stessi (questo dato è riportato nelle specifiche tecniche).

L’esempio del motore 17HS4401

Per aiutarci a capire come funziona un motore passo passo, ricorreremo ad un esempio pratico. In questo caso analizzeremo il motore 17HS4401, molto utilizzato in piccoli progetti di robotica come ad esempio per la realizzazione di piccoli robottini, stampanti 3D, incisori laser ecc..

Ecco alcuni dati elettrici presi dal Datasheet:

  • Fasi: 2
  • Angolo Step (Step angle): 1.8°
  • Corrente (Rated Current): 1.7A
  • Fili (Lead Wire): 4 fili
  • Resistenza fase: 1.5ohm
  • Induttanza fase: 2.8mH

E altri dati di natura meccanica:

  • Dimensioni (H x L x P): 42mm x 42mm x
  • Holding Torque Min: 40N.cm
  • Detent Torque Max: 2.2N.cm
  • Inerzia rotore (Rotor Inertia): 54g.cm^2
  • Peso (Motor Weight): 280g

 

Step del motore passo passo

Una delle proprietà più importanti del motore passo passo, è l’ampiezza dello step. L’ampiezza è espressa in gradi. Nel nostro esempio il valore è 1.8°. Ciò significa che: dato un angolo giro di 360°, se si divide questo valore per 1.8° si troveranno 200 passi (step).
Quindi, se si intende far ruotare il motore di 180°, nel caso del modello 17hs4401 si dovrà far girare il rotore di 100 step. Allo stesso modo, avanzando con 50 impulsi, si avrebbe una rotazione di 90°.

 

Fasi di un motore stepper

All’interno di un motore stepper ci sono diversi avvolgimenti/bobine disposte in modo circolare sullo statore che operano come delle elettrocalamite. Il numero di fasi dichiarate dal costruttore, corrisponde al numero di gruppi di bobine elettricamente connesse tra loro. All’interno di ogni raggruppamento, si trovano in parallelo, diverse coppie di bobine. Ogni coppia di bobine è disposta e connessa elettricamente in modo speculare rispetto allo statore. La disposizione delle coppie di bobine è tale da intervallare le fasi. Quindi alimentando una fase, alimentiamo più bobine all’interno del motore. Nel nostro esempio il costruttore del motore 17HS4401 ha dichiarato che ci sono 2 fasi.

 

Motori unipolari e bipolari

In base a come sono connesse le bobine all’interno del motore, e al numero di fasi, troviamo un certo numero di fili in uscita dal motore.
In un motore passo passo con 2 fasi, possiamo trovare ad esempio 4 o 6 fili. il numero di conduttori dipende da come è configurato il circuito elettrico che collega le coppie di bobine di ogni singola fase.
La configurazione unipolare é la più semplice ed è caratterizzata da un circuito composto da due conduttori per fase. I conduttori (fili) entrano nel motore e alimentano le coppie di bobine della fase. Le bobine sono disposte in serie.
La configurazione bipolare invece utilizza 3 conduttori per fase. La configurazione è simile a quella unipolare però con la differenza che viene aggiunto un conduttore in più tra una bobina e l’altra (sempre disposte in serie)

Come riconoscere le fasi

La soluzione più semplice è quella di utilizzare il Datasheet (specifiche tecniche) del motore. Solitamente nel motore sono riportate le sigle e con una semplice ricerca su internet si possono trovare diversi siti che offrono i manuali. In caso di un motore senza documentazione è possibile aiutarsi in primo luogo contando il numero di fili che escono dal motore. Infatti se sono 4 conduttori dovrebbero essere motori unipolari, se troviamo 6 fili potrebbe essere un motore bipolare.

Nel caso del motore unipolare basterà trovare la coppia di fili che ha una resistenza bassa per trovare una fase. Una lettura sul tester di un valore di resistenza altissima o infinita significa che i conduttori non sono connessi tra loro. Trovata la fase va trovata la polarità provando a collegare il motore a un driver per motori passo passo e verificando il corretto avanzamento in entrambi i sensi di marcia.

Nel caso del motore bipolare è un pò più complicato perchè abbiamo 3 fili per fase. Individuata una fase, ovvero individuati i 3 conduttori che presentano una resistenza bassa, dobbiamo intuire qual’è il conduttore centrale e quali gli altri due. infine va trovata la polarità corretta.

 

Come alimentare un motore passo passo

I motori passo passo sono alimentati in corrente continua ma necessitano di un circuito digitale di controllo. Infatti, a differenza dei comuni motori brushless che durante il funzionamento hanno gli statori alimentati, i motori passo passo sono manovrati con degli impulsi elettrici che alimentano in sequenza,una parte degli statori. La sequeza con la quale vengono eccitati gli statori, determina il verso di rotazione.
Gli impulsi possono provenire da una sorgente digitale come un computer o da un microcontrollore. Il micronontrollore solitamente non è collegato direttamente al motore ma troviamo un circuito elettronico intermedio chiamato driver.

Stepper driver

Il driver ha il compito di ricevere i deboli segnali del microcontrollore e di reagire presentando in uscita degli impulsi di potenza congrui e diretti al motore passo-passo.
Continuando con l’esempio del motore 17HS4401, va cercato un driver che supporti una corrente superiore a quella dichiarata dal costruttore del motore. In questo caso è possibile usare ad esempio il driver DRV8825, progettato per motori stepper bipolari con corrente massima di 2,2A

Leggendo il datasheet del driver DRV8825 si possono trovare diverse informazioni utili come:

  • Corrente massima pilotabile: 2,5A
  • Corrente di controllo regolabile con un semplice potenziometro (quanta corrente erogare al motore)
  • Tensione di alimentazione: da 8,2 a 45V
  • Il circuito si alimenta con un regolatore integrato, connesso alla tensione di alimentazione.
  • Possibilità di collegamento diretto con microcontrollori a 3,3 e 5V (quindi compatibili sia con i livelli degli Esp8266, Esp32, Arduino..)
  • Possibilità di usare i microstep, da 1 a 1/32 di step
  • Protezione da sovracorrenti, surriscaldamenti, tensioni basse.

Tra i dati di targa qui sopra elencati è stata riportata anche l’informazione riguardante i microstep, argomento non trattato in questo tutorial. Ad ogni modo esistono tecniche di pilotaggio dei motori passo passo che permettono di muovere il rotore anche di frazioni di step (da qui il nome microstep), aumentandone notevolmente la risoluzione e portando altri iteressanti benefici.

 

Pregi e difetti di un motore passo passo

Segue un elenco dei pregi e difetti dei motori passo-passo.
Pregi:

  • Essendo motori brushless, non hanno le spazzole, quindi non necessitano di sostituzioni di componenti che si deteriorano facilmente e che quindi richiederebbero manutenzioni periodiche più frequenti.
  • Possono lavorare a velocità molto basse senza la necessità di riduttori.
  • E’ possibile comandare un motore passo-passo con un circuito digitale come ad esempio un microcontrollore o un PC con grande facilità e precisione, senza richiedere dispositivi che ne rilevino la posizione angolare.

Difetti:

  • Il coso dei motori passo-passo sono più elevati rispetto a motori con analoghe prestazioni (ad esempio un comune motore a spazzole)
  • E’ necessario un circuito di controllo che invii degli impulsi con una certa sequenza (non basta più un semplice interruttore per accendere e spegnere il motore.)
  • Avanzando di uno step ad ogni impulso, genero delle vibrazioni (esistono tecniche di pilotaggio avanzato che riducono il problema)
  • I motori stepper non raggiungono grandi velocità e all’aumentare di questa cala la potenza meccanica

 

Riguardo Matteo Dalle Feste

Web Designer e Developer presso una nota testata giornalistica sul turismo. Appassionato di domotica, nel tempo libero, cura la realizzazione sia hardware che software di piccoli progetti domotici fai da te.

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