I motori passo passo sono sicuramente uno dei componenti più importanti per la costruzione di oggetti che prevedono parti da muovere in modo estremamente preciso e cotrollato. Per questo motivo e perchè mi hanno sempre incuriosito ho deciso di procurarmi un piccolo “stepper motor” e iniziare a sperimentare per capire come controllarlo tramite Arduino.

I motori passo passo in breve

Dunque cosa sono questi motori passo passo? Sono innanzitutto dei motori, ovvero dei dispositivi che permettono di trasformare energia, in questo caso specifico energia elettrica, in energia meccanica. Ciò che li differenzia da altri tipi di motori elettrici è la capacità di far ruotare il proprio albero a “passettini” ben definiti e di poterlo mantenere in una certa posizione opponendo una certa forza a un eventuale movimento imposto dall’esterno.

Figura 1: Come si presenta un motore passo passo

 

I parametri meccanici

Dalla definizione appena data si possono identificare immediatamente alcuni parametri fondamentali che definiscono le proprietà meccaniche del motore.

L’angolo di passo

Innanzitutto il “passo” o meglio “angolo di passo”: è un parametro che misura di quanto gira l’albero del motore a ogni passo ed è espresso in gradi (°). Un giro intero dell’albero equivale a 360°.

 

Angolo di passoFigura 2: Ad ogni passo l’albero gira di un angolo prestabilito (in rosso)

 

A seconda del modello il giro completo può essere suddiviso in un numero diverso di passi dando origine a angoli di passo differenti. Nella Tabella 1 ci sono alcuni esempi comuni di suddivisione e relativi angoli di passo.

 

Suddivisioni del giro completo Angolo di passo
100 3.6°
200 1.8°
400 0.9°

Tabella 1: Suddivisione del giro completo in passi e angoli relativi

 

Più l’angolo di passo è piccolo, più il motore consentirà spostamenti piccoli e, di conseguenza, spostamenti più precisi.

La coppia statica

L’altro parametro fondamentale che emerge immediatamente dalla definizione è la coppia statica ovvero una misura di come il motore sia in grado di mantenere fermo l’albero in una certa posizione.


Figura 3: La coppia, o meglio il momento torcente, è il prodotto F*r
( Fonte: Wikipedia – momento torcente )

 

In generale la coppia statica, o meglio il momento torcente, è il prodotto tra una forza e un braccio (Figura 3) ed è espresso solitamente in Nm (Newton per metro, cioè prodotto tra unità di misura di forza e distanza); in parole semplici il motore riesce a mantenere fermo l’albero fino a quando a quest’ultimo è applicata una forza F ad una distanza r tale per cui F*r è minore del valore di coppia statica dichiarato. Quando il prodotto F*r supera il valore della coppia statica il motore non riesce a tenere fermo l’albero, che inizierà a girare.

Per approfondire la teoria su coppia e momento torcente vi riamando agli articoli relativi su Wikipedia:

 

I parametri elettrici

Oltre che dai parametri meccanici i motori passo passo sono caratterizzati da una serie di parametri elettrici utili, ad esempio, per capire come dimensionare i circuiti di alimentazione.

Corrente nominale

E’ la corrente che si deve applicare al motore affinchè produca sull’albero una coppia pari alla coppia statica. Dal punto di vista pratico è anche la corrente che viene assorbita dagli avvolgimenti del motore quando questi vengono alimentati alla tensione nominale e l’albero è fermo e scarico.

Tensione nominale

E’ la tensione alla quale alimentare gli avvolgimenti del motore.

Induttanza

E’ il valore di induttanza degli avvolgimenti

Resistenza

E’ il valore di resistenza degli avvolgimenti

 

Tabella 2: Dati di targa del motore in prova

 

Come far muovere un motore passo passo

Uno dei primi ostacoli che si frappongono tra il progettista e un motore passo passo ben funzionante è sicuramente costituito dal capire come farlo girare.

Si, perchè a differenza dei normali motori DC non è sufficiente alimentarlo, anzi! Solitamente applicare ad un motore passo passo, o meglio a uno dei suoi avvolgimenti, una tensione continua sortisce esattamente l’effetto opposto, ovvero bloccare l’albero in posizione.

Vediamo meglio come sono collegati gli avvolgimenti all’interno del motore e qual’è quindi il modo corretto di alimentarli per determinare il comportamento desiderato dell’albero.

 

Motori unipolari e motori bipolari

Esistono pricipalmente due tipi di avvolgimenti nei motori passo passo, in funzione del  fatto che il motore sia unipolare (Figura 3, il primo e il secondo) o bipolare (Figura 3, il terzo).

Stepper unipolari e bipolari

Figura 3: Gli avvolgimenti di un motore unipolare (1° e 2°) e di un motore bipolare (3°)

 

Il nome, unipolare o bipolare, è dato dal fatto che nel primo caso gli avvoglimenti vengono attraversati da una corrente che scorre sempre nel medesimo senso (potremmo dire che la loro polarità rimane invariata, quindi avremo una polarità, cioè motore unipolare) mentre nel secondo caso la corrente dovrà scorrere negli avvolgimenti con senso alternato per far muovere correttamente l’albero (la polarità deve essere invertita, poichè ogni avvolgimento può essere polarizzato in due modi avremo due polarità, cioè motore bipolare).

Nel motore unipolare ogni fase (ce ne sono 2 nei motori che stiamo considerando) ha due avvolgimenti mente nel motore bipolare ogni fase ha un solo avvolgimento.

Un modo empirico per capire se il motore che si ha tra le mani è unipolare o bipolare è contare il numero di fili che ne escono: 5, 6 o 8 fili significa che vi trovate di fronte a un motore unipolare, 4 fili sigifica motore bipolare.

 

Fili Schema avvolgimenti (Fig. 3) Tipo motore
5 1° in cui A’ e B’ sono collegati tra loro all’interno del motore Unipolare
6 1° schema Unipolare
8 2° schema Unipolare
4 3° schema Bipolare

Tabella 3: Tipo di motore in base al numero di terminali che presenta

 

Diamo (e togliamo) tensione

Come si diceva poco sopra, per far girare un motore passo passo non è sufficiente applicare una tesione continua ai suoi terminali; è invece necessario applicare loro dei treni di impulsi che rispettino una ben precisa sequenza.

Traducendo in termini più semplici è necessario collegare gli avvolgimenti all’alimentazione non contemporaneamente e in maniera permanente, ma singolarmente e in successione (con o senza inversione di polarità in funzione del fatto che si stia utilizzando un motore unipolare o bipolare).

Esistono molti modi di alimentare gli avvolgimenti, ognuno dei quali presenta vantaggi e svantaggi; di seguito vedremo una sequanza semplice, chiamata “a passo intero”, che permette di iniziare a capire il funzionamento di base. Questa modalità deve il suo nome al fatto che l’albero gira di un angolo esattamente corrispondente all’angolo di passo con il progredire della sequenza di alimentazione.

Rimando a un prossimo post una analisi più approfondita sulle tecniche di pilotaggio più avanzate come pure l’analisi dell’elettronica necessaria a produrre le sequenze di controllo del motore.

 

Sequenza per motore unipolare

Con riferimento al primo motore rappresentato in Figura 3 la sequenza con cui andranno alimentati gli avvolgimenti è la seguente:

 

AA' -> BB' -> CA' ->DB'

 

per il secondo motore unipolare, in modo del tutto analogo:

 

AA' -> BB' -> CC' -> DD'

 

La prima lettera indica sempre il terminale al quale collegare il positivo dell’alimentazione (Vcc) mentre la seconda il terminale al quale collegare il negativo (massa).

 

Inversione del senso di marcia

Alimentando gli avvolgimenti in successione come indicato il motore inizierà a girare in un certo verso. Per invertire il senso di rotazione dell’albero sarà necessario invertire la sequenza con cui vengono alimentati gli avvolgimenti. Attenzione! Il senso di rotazione non è dato dalla polarità con cui vengono alimentati gli avvolgimenti ma solo dalla sequenza.

Quindi per invertire il senso di marcia dell’albero dei motori considerati poco sopra sarà necessario alimentare gli avvoglimenti del motore a 6 fili secondo la sequenza:

 

DB' -> CA' ->BB' -> AA'

 

e gli avvolgimenti del motore a 8 fili secondo la sequenza:

 

DD' -> CC' -> BB' -> AA'

 

Sequenza per motore bipolare

Con riferimento all’ultimo motore rappresentato in Figura 3, quello bipolare, la sequenza con cui andranno alimentati gli avvolgimenti è la seguente:

 

AC -> BD -> CA -> DB

 

Anche in questa sequenza la prima lettera indica il terminale da collegare al positivo dell’alimentazione e la seconda il terminale da collegare a massa. Si nota come l’avvolgimento 1, collegato tra i terminali A e C, viene alimentato con una polarità al passo 1 con la polarità opposta al passo 3; lo stesso vale per l’avvolgimento 2 tra i terminali B e D .

 

Inversione del senso di marcia

Allo stesso modo del motore unipolare, per invertire il senso di rotazione dell’albero si dovranno alimentare gli avvogimenti nell’ordine inverso:

 

DB -> CA -> BD -> AC

 

Conclusioni

Come più volte detto in vari punti del post, questa è solo una rapida introduzione per capire cosa siano i motori passo passo, come li si possano utilizzare, quali siano le caratteristiche meccaniche ed elettriche e come alimentarli per iniziare a farli girare.

Per ulteriori informazioni sui motori passo passo vi invito a tornare su questo blog tra qualche tempo, nel frattempo non dimenticatevi di seguirmi su twitter!!