Cos'è il motore passo-passo e come funziona

Da un semplice lettore DVD o stampante in casa a una sofisticata macchina CNC o braccio robotico, i motori passo-passo si trovano quasi ovunque. La sua capacità di eseguire movimenti precisi controllati elettronicamente ha fatto sì che questi motori trovassero applicazione in molti felidi come telecamere di sorveglianza, hard disk, macchine CNC, stampanti 3D, robotica, robot di assemblaggio, taglierine laser e molto altro. In questo articolo impariamo cosa rende speciali questi motori e la teoria alla base. Impareremo come usarne uno per la tua applicazione.

Introduzione ai motori passo-passo

Come tutti i motori, anche i motori passo-passo hanno uno statore e un rotore, ma a differenza di un normale motore DC lo statore è costituito da singole serie di bobine. Il numero di bobine sarà diverso in base al tipo di motore passo-passo, ma per ora basta capire che in un motore passo-passo il rotore è costituito da poli metallici e ogni polo sarà attratto da una serie di bobine nello statore. Lo schema seguente mostra un motore passo-passo con 8 poli dello statore e 6 poli del rotore.

Se dai un'occhiata alle bobine sullo statore, sono disposte in termini di coppie di bobine, come A e A 'forma una coppia B e B' forma una coppia e così via. Quindi ciascuna di questa coppia di bobine forma un elettromagnete e possono essere energizzate individualmente utilizzando un circuito di pilotaggio. Quando una bobina viene eccitata, funge da magnete e il polo del rotore si allinea ad esso, quando il rotore ruota per regolarsi per allinearsi con lo statore, viene chiamato come un passo. Allo stesso modo eccitando le bobine in sequenza possiamo ruotare il motore a piccoli passi per fare una rotazione completa.

Tipi di motori passo-passo

Esistono principalmente tre tipi di motori passo-passo basati sulla costruzione, che sono:

• Motore passo-passo a riluttanza variabile: hanno un rotore con nucleo in ferro che viene attratto verso i poli dello statore e fornisce il movimento con una riluttanza minima tra statore e rotore.
• Motore passo-passo a magneti permanenti: Hanno rotore a magneti permanenti e vengono respinti o attratti verso lo statore in base agli impulsi applicati.
• Motore passo-passo sincrono ibrido: sono una combinazione di riluttanza variabile e motore passo-passo a magneti permanenti.

Oltre a questo possiamo anche classificare i motori passo-passo come Unipolari e Bipolari in base al tipo di avvolgimento dello statore.

• Motore passo-passo bipolare: le bobine dello statore su questo tipo di motore non avranno un filo comune. Il pilotaggio di questo tipo di motore passo-passo è diverso e complesso e anche il circuito di pilotaggio non può essere facilmente progettato senza un microcontrollore.
• Motore passo-passo unipolare: in questo tipo di motore passo-passo possiamo prendere la presa centrale di entrambi gli avvolgimenti di fase per una massa comune o per una potenza comune come mostrato di seguito. Ciò semplifica l'azionamento dei motori, ci sono anche molti tipi di motori passo-passo unipolari

Ok, quindi a differenza di un normale motore CC, questo ha cinque fili di tutti i colori fantasiosi che ne escono e perché è così? Per capire questo dovremmo prima sapere come funziona uno stepper di cui abbiamo già discusso. Prima di tutto i motori passo-passo non ruotano, scorrono e quindi sono noti anche come motori passo-passo. Significa che si muoveranno solo un passo alla volta. Questi motori hanno una sequenza di bobine presenti in essi e queste bobine devono essere eccitate in un modo particolare per far ruotare il motore. Quando ogni bobina viene eccitata il motore fa un passo e una sequenza di eccitazione farà compiere al motore passi continui facendolo ruotare. Diamo uno sguardo alle bobine presenti all'interno del motore per sapere esattamente da dove provengono questi fili.

Come puoi vedere, il motore ha una bobina unipolare a 5 conduttori. Ci sono quattro bobine che devono essere eccitate in una sequenza particolare. I fili rossi verranno forniti con + 5V e i restanti quattro fili verranno tirati a terra per attivare la rispettiva bobina. Usiamo qualsiasi microcontrollore per eccitare queste bobine in una sequenza particolare e fare in modo che il motore esegua il numero di passaggi richiesto. Anche in questo caso ci sono molte sequenze che puoi usare, normalmente viene utilizzato un 4 fasi e per un controllo più preciso può essere utilizzato anche un controllo 8 fasi . La tabella delle sequenze per il controllo a 4 fasi è mostrata di seguito.

Passo	Bobina eccitata
Passo 1	A e B
Passo 2	B e C
Passaggio 3	C e D
Passaggio 4	D e A

Allora, perché questo motore si chiama 28-BYJ48 ? Sul serio!!! Non lo so. Non c'è alcuna ragione tecnica per cui questo motore sia stato chiamato così; forse non dovremmo immergerci molto più in profondità. Vediamo alcuni dei dati tecnici importanti ricavati dalla scheda tecnica di questo motore nella foto qui sotto.

Questa è una testa piena di informazioni, ma dobbiamo esaminarne alcune importanti per sapere quale tipo di stepper stiamo utilizzando in modo da poterlo programmare in modo efficiente. Per prima cosa sappiamo che è un motore passo-passo da 5V poiché eccitiamo il filo rosso con 5V. Quindi, sappiamo anche che si tratta di un motore passo-passo a quattro fasi poiché aveva quattro bobine. Ora, il rapporto di trasmissione è 1:64. Ciò significa che l'albero che vedete all'esterno farà una rotazione completa solo se il motore all'interno ruota per 64 volte. Ciò è dovuto agli ingranaggi che sono collegati tra il motore e l'albero di uscita, questi ingranaggi aiutano ad aumentare la coppia.

Un altro dato importante da notare è l' angolo di falcata: 5.625 ° / 64. Ciò significa che il motore, quando funziona in una sequenza di 8 fasi, si muoverà di 5,625 gradi per ogni fase e saranno necessari 64 passaggi (5,625 * 64 = 360) per completare una rotazione completa.

Calcolo dei passi per giro per motore passo-passo

È importante sapere come calcolare i passi per giro per il tuo motore passo-passo perché solo allora puoi programmarlo / guidarlo efficacemente.

Supponiamo di azionare il motore in una sequenza a 4 fasi, quindi l'angolo di falcata sarà di 11,25 ° poiché è 5,625 ° (indicato nella scheda tecnica) per la sequenza di 8 passi, sarà di 11,25 ° (5,625 * 2 = 11,25).

Passi per giro = 360 / angolo di passo Qui, 360 / 11,25 = 32 passi per giro.

Perché abbiamo bisogno di moduli driver per motori passo-passo?

La maggior parte dei motori passo-passo funzionerà solo con l'aiuto di un modulo driver. Questo perché il modulo controller (microcontrollore / circuito digitale) non sarà in grado di fornire una corrente sufficiente dai suoi pin I / O per il funzionamento del motore. Quindi useremo un modulo esterno come il modulo ULN2003 come driver del motore passo-passo. Esistono molti tipi di moduli driver e il valore di uno cambierà in base al tipo di motore utilizzato. Il principio principale per tutti i moduli driver sarà quello di generare / assorbire corrente sufficiente per il funzionamento del motore. Oltre a questo ci sono anche moduli driver che hanno la logica pre-programmata, ma non ne parleremo qui.

Se sei curioso di sapere come ruotare un motore passo-passo usando un microcontrollore e un driver IC, allora abbiamo coperto molti articoli sul suo funzionamento con diversi microcontrollori:

• Interfacciamento del motore passo-passo con Arduino Uno
• Interfacciamento del motore passo-passo con STM32F103C8
• Interfacciamento del motore passo-passo con il microcontrollore PIC
• Interfacciamento del motore passo-passo con MSP430G2
• Interfacciamento motore passo-passo con microcontrollore 8051
• Controllo motore passo-passo con Raspberry Pi

Ora credo che tu abbia abbastanza informazioni per controllare qualsiasi motore passo-passo di cui hai bisogno per il tuo progetto. Diamo uno sguardo ai vantaggi e agli svantaggi dei motori passo-passo.

Vantaggi dei motori passo-passo

Uno dei principali vantaggi del motore passo-passo è che ha un eccellente controllo della posizione e quindi può essere utilizzato per un'applicazione di controllo precisa. Inoltre ha un'ottima coppia di tenuta che lo rende una scelta ideale per applicazioni robotiche. Si ritiene inoltre che i motori passo-passo abbiano una durata elevata rispetto ai normali motori CC o servomotori.

Svantaggi dei motori passo-passo

Come tutti i motori, anche i motori passo-passo hanno i propri svantaggi, poiché ruota facendo piccoli passi non può raggiungere velocità elevate. Inoltre consuma potenza per trattenere la coppia anche quando è ideale aumentando così il consumo di energia.