Motore stepper: è possibile ottenere una coppia elevata ad alte velocità?

Le caratteristiche più significative per quanto riguarda le prestazioni di un motore passo passo sono il posizionamento preciso, la buona coppia di stallo e la buona coppia a basse velocità. Ma in alcuni casi i parametri applicativi necessitano della produzione di una coppia elevata a velocità elevate, mentre i vincoli di progettazione o di controllo impongono l’utilizzo di un motore passo passo. Sebbene i motori passo passo non siano noti per la loro capacità di produrre una coppia elevata a velocità elevate, in alcune applicazioni è possibile raggiungere entrambe.

Perché i motori passo passo hanno problemi a produrre una coppia elevata a velocità elevate?

A causa del design tipico del motore passo passo, possiamo affermare che la coppia erogata è direttamente proporzionale alla corrente che attraversa gli avvolgimenti del motore: maggiore è la corrente, maggiore è la coppia prodotta. Gli avvolgimenti hanno tuttavia due proprietà che limitano la corrente e, di conseguenza, la produzione della coppia. La prima è l’induttanza (L), grazie alla quale gli avvolgimenti resistono a qualsiasi variazione nella corrente che li attraversa. L’altra è la resistenza (R) che limita la quantità massima di corrente che può essere trasportata dall’avvolgimento.

Insieme, queste due proprietà determinano la costante di tempo elettrica (τe) del motore, vale a dire il tempo necessario affinché la corrente nell’avvolgimento raggiunga il 63% del suo valore nominale (massimo).

Quando la frequenza degli impulsi di tensione forniti agli avvolgimenti (e quindi la velocità del motore) è bassa, gli avvolgimenti hanno tempo a sufficienza per raggiungere la loro corrente nominale e il motore può produrre la sua coppia nominale. Ma quando la frequenza degli impulsi di tensione (velocità del motore) è alta, la corrente negli avvolgimenti non ha tempo a sufficienza per raggiungere il suo valore nominale, il che compromette la produzione della coppia.

Un altro fattore che limita la produzione della coppia del motore passo passo ad alte velocità è il tasso di aumento della corrente negli avvolgimenti (dI/dt), che è direttamente proporzionale alla tensione applicata (V) e inversamente proporzionale all’induttanza del motore (L).

Per migliorare il tasso di aumento della corrente, è necessario ridurre l’induttanza degli avvolgimenti (L) oppure aumentare la tensione (V) applicata.

Per ridurre l’induttanza degli avvolgimenti è necessaria una variazione della configurazione del motore e/o dei metodi di produzione. Effettivamente, alcuni produttori hanno apportato delle modifiche ai loro processi di costruzione e produzione dei motori e ora offrono motori passo passo con caratteristiche di coppia-velocità più elevate rispetto alle configurazioni tradizionali. Esempi di tali modifiche includono configurazioni magnetiche migliorate che aumentano il flusso tra il rotore e lo statore, aumentando il numero di coppie di poli nel motore e la densità degli avvolgimenti.

Ma per i costruttori di macchine e gli utenti finali, la produzione di coppia per un determinato motore passo passo può essere spesso migliorata utilizzando un azionamento chopper.

Frazionando la tensione dell’azionamento si ottengono migliori caratteristiche di coppia-velocità

Gli azionamenti chopper forniscono al motore un alto livello di tensione (spesso fino a otto volte la tensione nominale) che, secondo la legge di Ohm (corrente = tensione ÷ resistenza), risulta in una maggiore corrente attraverso gli avvolgimenti.

Quando l’azionamento rileva che la corrente ha raggiunto un valore predeterminato, l’alimentazione di tensione viene disattivata o “frazionata”. E quando la corrente scende al di sotto di un certo livello, l’alimentazione di alta tensione viene riattivata. Questo metodo di frazionamento della tensione migliora inoltre il tasso di aumento della corrente (dI/dt). Quindi, aumentando la tensione di azionamento, gli avvolgimenti possono raggiungere un livello di corrente più alto, anche quando la frequenza degli impulsi è elevata, il che significa che viene prodotta una coppia superiore a velocità superiore.

Gli azionamenti chopper vengono talvolta denominati azionamenti a corrente costante, perché producono una corrente (relativamente) costante negli avvolgimenti, rispetto al metodo di azionamento tradizionale che fornisce una tensione costante al motore. Questo metodo di “frazionare” la corrente permette inoltre il controllo microstepping per i motori passo passo.