Motori stepper: tipologie, esempi e azionamento

Motori stepper_tipologie, esempi e azionamenti

I motori stepper, noti anche come motori passo-passo, sono motori elettrici sincroni in corrente continua che devono la loro denominazione al particolare tipo di rotazione, suddivisa in un numero specifico di passi. Potendo suddividere la rotazione in passi discreti, i motori stepper possono garantire un posizionamento accurato, fino a frazioni di grado, un aspetto fondamentale in settori come la produzione di precisione e la robotica. Inoltre, con la loro capacità di produrre coppie elevate a basse velocità, minimizzando le vibrazioni, sono ideali per applicazioni che richiedono un posizionamento rapido su una breve distanza.

Motori stepper: quali tipologie considerare

Gli stepper possono essere classificati sia in base alla modalità costruttiva sia in base il numero di fasi necessarie per l’alimentazione delle bobine. Nel primo caso, si distinguono i motori passo-passo a magneti permanenti (stepper PM) da quelli a riluttanza variabile.

I motori passo-passo a magneti permanenti, come suggerisce il nome, utilizzano magneti permanenti per generare il campo magnetico necessario per il funzionamento. Ciò garantisce un flusso magnetico a coppia costante ed elevata, un aspetto che rende queste unità particolarmente adatte per applicazioni che richiedono un elevato carico e una bassa velocità, si pensi ad esempio a stampanti, plotter, macchine per la lavorazione del legno e robot industriali.

I motori passo-passo a riluttanza variabile si basano su un principio leggermente diverso. In questo caso, il rotore è costituito da un materiale con alta permeabilità magnetica, ma senza magnetismo permanente. Lo statore, invece, è dotato di avvolgimenti che generano un campo magnetico variabile. Poiché la riluttanza magnetica varia, il rotore è attratto verso le posizioni di minore riluttanza, determinando il movimento. Questi motori sono noti per la loro elevata efficienza energetica e la possibilità di raggiungere velocità elevate. Per questo motivo, sono spesso impiegati in applicazioni che richiedono un’elevata dinamica, ad esempio nell’ambito dell’automazione industriale, della robotica collaborativa o delle macchine utensili CNC 

Se parliamo invece di alimentazione, gli stepper possono essere classificati in motori unipolari o bipolari o ibridi.

  • Gli stepper unipolari hanno di norma quattro avvolgimenti per fase e sono più facili da controllare. Per questo motivo, sono spesso utilizzati in dispositivi di automazione domestica e piccoli robot.
  • I motori bipolari presentano una doppia polarità e pertanto lavorano con un flusso di corrente a direzione variabile. Sono comunemente utilizzati in applicazioni che richiedono precisione, come stampanti 3D e CNC.
  • Gli stepper ibridi combinano caratteristiche dei motori bipolari e unipolari per essere più versatili e performanti in termini di risoluzione, affidabilità, coppia, coppia di tenuta e velocità, caratteristiche che li rendono preferibili in una vasta gamma di applicazioni industriali.

 

Motori stepper: i vantaggi sul piano del controllo 

Lavorando mediante la conversione di impulsi elettrici in movimento meccanico, gli stepper offrono numerosi vantaggi a livello di controllo. Il funzionamento è infatti già “controllato” dagli impulsi elettrici che l’azionamento converte nella corrente che passa attraverso gli avvolgimenti del motore. A ogni impulso, in pratica, corrisponde un “passo” del motore. In questo modo, i motori passo-passo possono fornire un controllo preciso della posizione e della velocità anche senza la necessità di dispositivi di feedback: motore più azionamento diventano così un sistema di controllo a basso costo, preciso e semplice.

Qualora sia necessario un controllo più affidabile del motore – ad esempio per raggiungere velocità elevate mantenendo la coppia e la capacità del motore di mantenere il carico applicato – si può invece ricorrere a un controllo ad anello chiuso (closed-loop). In questo caso, il sistema utilizza un feedback per verificare e correggere eventuali discrepanze tra la posizione desiderata e quella effettivamente raggiunta.

Una tecnica avanzata spesso impiegata nel controllo dei motori passo-passo è il cosiddetto microstepping, che consente di dividere ulteriormente il passo del motore, consentendo un movimento più fluido e preciso. Mentre nei motori passo-passo tradizionali, un passo corrisponde a un angolo fisso di rotazione, con il microstepping, è possibile frazionare ulteriormente questo angolo, consentendo un maggiore livello di precisione e riducendo le vibrazioni e il rumore. Il controllo del movimento può essere integrato direttamente nell’azionamento in varie modalità; si va dai drive semplici che soddisfano le classiche applicazioni a basso costo con comando Step&Direzione, a prodotti più avanzati con motion control integrato ed i principali Bus di comunicazione, come il EtherCat, Profinet, CANopen, Ethernet/IP, ModBus TCP o RTU.

Dove vengono impiegati i motori stepper

Gli stepper sono componenti fondamentali in una vasta gamma di settori. Nell’ambito dell’automazione industriale, sono impiegati per il posizionamento preciso di macchinari e attuatori grazie alla capacità – innata – di muoversi secondo incrementi discreti. Questo aspetto consente quel controllo accurato dei movimenti essenziale per garantire la qualità e l’efficienza dei processi produttivi guidati dai robot industriali, ad esempio, o nelle macchine CNC e nei sistemi di picking e packing. Per le stesse motivazioni gli stepper risultano particolarmente apprezzati in tutte quelle applicazioni di distribuzione nelle quali si richiede una corretta erogazione del servizio, riducendo al minimo gli errori e le interruzioni, si pensi ad esempio ai bancomat, ai distributori automatici di bevande o alle cassettiere automatiche.

Di particolare interesse sono anche le applicazioni nell’industria tessile, un settore che fa largo uso di motori passo-passo soprattutto per il controllo del movimento di macchinari per la tessitura, la lavorazione e il taglio dei tessuti. Il vantaggio risiede soprattutto nella capacità di eseguire movimenti precisi e ripetibili in modo da garantire la qualità e la coerenza del prodotto finito, riducendo gli scarti e aumentando l’efficienza produttiva.

Nell’illuminazione professionale, i motori passo-passo sono utilizzati per regolare la direzione e l’intensità della luce in sistemi di illuminazione complessi. Possono essere impiegati in teste mobili per luci da palcoscenico, sistemi di illuminazione architetturale e luci di sicurezza, consentendo un controllo preciso del fascio luminoso e dei movimenti della testa. Esigenze di precisione sono alla base anche delle applicazioni di ispezione e ottica: qui motori passo-passo consentono il posizionamento preciso di sensori e dispositivi ottici per l’analisi e la misurazione di oggetti e sono pertanto impiegati in macchine di controllo qualità, sistemi di visione artificiale e apparecchiature diagnostiche, garantendo una risoluzione elevata e una riproducibilità affidabile delle misurazioni.

Nei settori della strumentazione medica e dentale, i motori passo-passo possono diventare essenziali per controllare il movimento di strumenti chirurgici, scanner e attuatori nei dispositivi di imaging. Il livello di precisione e controllo è tale da permettere agli operatori di eseguire interventi chirurgici e procedure diagnostiche con la massima precisione e sicurezza, riducendo al minimo il rischio per i pazienti.

 

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