2 Oct 2014

Stepper Motor - 04 ( Capire i dati caratteristici )

Submitted by Max

Ogni costruttore ha un suo modo di documentare le caratteristiche dei motori passo-passo, ma in tutti i fogli tecnici si incontrano i seguenti termini che è bene comprendere per utilizzare al meglio e nel modo appropriato il motore passo-passo.

  • NEMA, indica le dimensioni della flangia del motore.
  • Holding Torque (Coppia statica), è la coppia massima offerta dal motore alimentato alla corrente nominale con rotore fermo.
  • Detent Torque (Coppia residua), è la coppia resistente che il motore offre quando non è alimentato.
  • Rated Current (Corrente nominale), indica il valore di corrente che genera la Holding Torque (vedi sopra).
  • Phase Inductance (Induttanza di fase), è il valore di induttanza di ciascuna fase del motore.
  • Phase Resistance (Resistenza di fase), è il valore di resistenza di ciascuna fase del motore.
  • Rotor Inertia (Inerzia del rotore), indica l’inerzia del rotore del motore.
  • Step Angle (Angolo di passo), è lo spostamento che il rotore compie quando esegue un passo intero.
  • Step Angle Accuracy (Accuratezza dell’angolo di passo), indica la differenza massima tra la posizione meccanica del rotore e la posizione elettrica (posizione comandata).
  • Max temperature (Temperatura massima), è la massima temperatura a cui il motore può funzionare.
  • Axial Load (Carico assiale), è il massimo carico che è possibile applicare in direzione assiale all’albero del motore.
  • Radial Load (Carico radiale), è il massimo carico che è possibile applicare in direzione radiale all’albero del motore.

NEMA

I motori passo-passo ibridi a magnete permanente sono per la maggior parte prodotti in accordo alle flange definite dallo standard NEMA.

Le più diffuse in ambito industriale sono lo standard NEMA17 (42x42mm), NEMA23 (57x57mm), NEMA34 (86x86mm) e NEMA42 (108x108), mostrate nell'immagine sottostante.

Stepper Motor - 04

Mantenendo la medesima flangia i produttori spesso offrono motori di differente lunghezza, che corrisponde ad una differente potenza.
In altre parole è spesso possibile aumentare o ridurre la potenza del motore semplicemente variando la lunghezza dello statore, senza la necessità di modificare il fissaggio meccanico.

Esistono anche altre dimensioni (ad esempio 60x60mm) ma sono poco diffuse e con scarsa disponibilità di modelli, pertanto è preferibile scegliere prodotti conformi agli standard più diffusi sopra enunciati.

Holding Torque – Coppia statica

È la coppia di tenuta, ossia la coppia resistente offerta dal motore a rotore fermo, quando il motore è alimentato alla corrente nominale.

Si osservi che la corrente nominale è normalmente espressa in corrente efficace Arms.
Se si utilizza un azionamento con frazionamento del passo (ad esempio 1/8 di passo, 1/10 di passo, ecc.) è buona norma verificare che sia in grado di erogare il valore di corrente efficace richiesto dal motore, diversamente non otterrete dal motore la coppia indicata dal produttore.

Non è raro infatti trovare azionamenti caratterizzati in Ampere di picco o Ampere massimi (Apk, Amax, Ipk o Imax) che limitano le prestazioni del motore passo-passo.
Ciò è facilmente verificabile confrontando la curva di coppia del motore abbinato all’azionamento, con i dati presenti nel data sheet del produttore del motore.
Se la coppia statica (Holding Torque) riportata nel data sheet è maggiore dalla coppia iniziale del motore, come mostrato nell’immagine sottostante, significa che l’azionamento in questione non è in grado di erogare la corrente nominale richiesta dal motore con conseguente penalizzazione della prestazioni.

Stepper Motor - 04

Tipicamente la coppia di un motore passo-passo è espressa in N-m (Newton-metro) oppure oz-in (Once-pollice). Per convertire il valore da un’unità all’altra è sufficiente applicare le seguenti formule:

N-m = oz-in / 141.6

oz-in = N-m x 141.6

A parità di dimensione di flangia la coppia di un motore passo-passo può essere variata variando la lunghezza dello statore (chiamato anche stack).
È buona norma verificare che per la flangia scelta esistano modelli di motore con più e meno coppia rispetto alla scelta iniziale in modo da avere la possibilità di cambiare con facilità il motore senza dovere intervenire sui fissaggi meccanici.

Detent Torque – Coppia residua

È la coppia resistente che il motore offre quando non è alimentato.

Essa è prodotta dal magnete permanente contenuto nel rotore le cui linee di campo si richiudono attraversando lo statore (realizzato in materiale ferromagnetico) e si oppongono al movimento generando coppia resistente.

Normalmente la coppia residua non è molto elevata (circa 0,1Nm per un motore passo-passo NEMA34 di media lunghezza) ma spesso è sufficiente per tenere in posizione il carico anche in assenza di alimentazione. Questo è uno dei vantaggi che hanno i motori passo-passo rispetto ad altre tipologie di motore.

Esiste una falsa credenza che suggerisce di cortocircuitare le fasi del motore per mantenere il carico in posizione quando il motore è disalimentato; non solo ciò non è vero, in quanto il carico si muove comunque (anche se più lentamente), ma questa pratica può danneggiare permanentemente il motore in quanto in caso di movimento forzato la corrente nella fasi, generata dalla forza controelettromotrice, è fuori controllo e può facilmente superare i valori massimi previsti dal costruttore. È pertanto altamente sconsigliato cortocircuitare gli avvolgimenti del motore passo-passo.

Rated Current – Corrente di fase nominale

Indica il valore di corrente efficace che, applicato alle fasi del motore, produce la coppia statica.

Questo è il valore che normalmente deve essere impostato nell’azionamento.
Si faccia attenzione che purtroppo alcuni azionamenti non sono caratterizzati in corrente efficace (Irms o Arms) ma in corrente di picco o massima (Ipk, Imax o Apk, Amax). In questo caso se si imposta sull’azionamento il medesimo valore di corrente dichiarato dal costruttore del motore in valore efficace, la coppia erogata a micro passo sarà inferiore.
La corrente sinusoidale di picco è infatti inferiore del 30% circa rispetto alla corrente efficace.

Con un azionamento che fornisce corrente in valore efficace (Irms o Arms) la copia erogata dal motore sarà sempre quella dichiarata dal costruttore e soprattutto costante indipendentemente dal frazionamento del passo scelto.

Il grafico sottostante mostra come varia la coppia di un motore con corrente nominale di 3A quando è pilotato in micropasso da un azionamento tarato a 3Apk (curva rossa) e da un secondo azionamento tarato invece a 3Arms (curva blu).

Stepper Motor - 04

A volte lo stesso motore (inteso come dimensioni meccaniche e coppia) è prodotto con diversi valori di corrente di fase nominale.
Questo è possibile perché il flusso magnetico prodotto dallo statore dipende sia dalla corrente che attraversa gli avvolgimenti che dal numero di spire di cui ogni avvolgimento è composto. È evidente quindi che è possibile ottenere lo stesso flusso magnetico con una corrente inferiore a patto di aumentare il numero di spire nel motore e viceversa.

Ma allora perché non si realizzano avvolgimenti con un elevato numero di spire in modo da mantenere bassa la corrente ? Oppure; che senso ha realizzare un motore che richiede una corrente superiore e che fornisce la medesima coppia statica di un motore con corrente inferiore ?

Queste domande trovano immediata risposta se si pensa che ad un maggior numero di spire corrisponde anche un’induttanza di fase maggiore ed una maggiore forza controelettromotrice.

Entrambe queste grandezze giocano a sfavore della coppia erogata dal motore man mano che la velocità aumenta. Ne consegue che due motori con la medesima coppia statica e diverse correnti di fase avranno anche un diverso comportamento in velocità (curve di coppia diverse).
In particolare un avvolgimento con meno spire, e quindi corrente di fase elevata, permette al motore di mantenere maggiormente costante la coppia erogata a differenza di un avvolgimento con tante spire che causano al motore una riduzione repentina della coppia all’aumentare della velocità.

In conclusione possiamo affermare che per le applicazioni ad elevate velocità è preferibile scegliere avvolgimenti ad alta corrente, mentre se la velocità di utilizzo del motore è modesta si può fare uso di un motore con corrente di fase inferiore.

Phase Inductance – Induttanza di fase

Tipicamente l’induttanza di fase è espressa in mH (milli-Henry) e dipende dal numero di spire dello statore, dalla geometria dello stesso e dai materiali ferromagnetici impiegati.

L’induttanza di fase si oppone alla variazione di corrente che opera l’azionamento per ottenere la rotazione del motore ed è una delle cause che genera la riduzione della coppia erogata dal motore all’aumentare della velocità.
Possiamo quindi affermare che è preferibile utilizzare motori con un basso valore di induttanza.

Per i motori che consentono un collegamento parallelo o serie degli avvolgimenti si tenga presente che in quest'ultimo caso l'induttanza di fase aumenta di ben 4 volte.

Alcuni azionamenti funzionano in modo ottimale solo se l’induttanza del motore rientra in un particolare range di valori dichiarato dal costruttore dell’azionamento. Normalmente questo range è indicato nel manuale tecnico del prodotto.

Phase Resistance – Resistenza di fase

La resistenza di fase di un motore passo-passo dipende principalmente dal numero di spire con cui è realizzato l’avvolgimento e dalla sezione del filo utilizzato.

La resistenza di fase non è un parametro fondamentale da considerare in quanto i moderni azionamenti che controllano la corrente di fase mediante tecnica chopper o similare sono in grado di compensare ampie differenze di resistenza.

In generale è comunque preferibile utilizzare motori con bassa resistenza di fase perché ciò riduce, a parità di corrente di fase, la potenza dissipata sul motore.

Rotor Inertia – Inerzia del rotore

Questo dato è spesso trascurato, mentre riveste un'importanza fondamentale.

L'inerzia del rotore deve essere assolutamente considerata quando si sceglie un motore passo-passo perché ha impatto sulla stabilità dell'intero sistema.

Una buona regola, valida per i motori passo-passo da 200 passi/giro (1,8°), afferma che l'inerzia del rotore non deve essere mai inferiore ad un decimo dell’inerzia del carico vista dal motore, altrimenti il funzionamento può divenire instabile.
In altre parole deve essere sempre vero:

10 x Inerzia del rotore > Inerzia del carico

L’inerzia del rotore è normalmente espressa in g-cm2 (grammi-centimetro quadrato) oppure oz-in2 (Once-pollice quadrato).
Per convertire il valore da un’unità all’altra è sufficiente applicare le seguenti formule:

g-cm2= oz-in2 x 182.9

oz-in2= g-cm2 / 182.9

Step Angle – Angolo di passo

Indica lo spostamento angolare del rotore corrispondente all’esecuzione di un passo intero.

Normalmente questo valore è di 1,8° (motori da 200passi/giro) ma esistono anche motori con angoli di passo diversi.

La tabella sottostante mostra le divisioni più comuni con i corrispondenti angoli.

Numero di divisioni del giro Angolo del passo intero
48 7,5°
100 3,6°
200 (più comune) 1,8°
400 0,9°

I motori passo-passo possono eseguire posizionamenti con risoluzione superiore a quella del passo intero quando sono abbinati ad azionamenti capaci di frazionare elettronicamente il passo meccanico del motore.

In commercio esistono azionamenti in grado di dividere il passo interno in 2, 4, 5 o più parti. Gli azionamenti più evoluti sono in grado di dividere in 128 parti il passo intero raggiungendo la notevole risoluzione di 25.600 micropassi per giro. Questa tecnica è indicata con il nome di pilotaggio a micropasso (microstepping).

Le posizioni intermedie tra un passo intero e l'altro sono ottenute modulando opportunamente la corrente di fase (solitamente con andamento sinusoidale).
Quando si fa uso di questa tecnologia è molto importante assicurarsi che il valore efficace della corrente resti invariato tra un micro passo ed il successivo, diversamente la coppia erogata dal motore non sarà costante. Questa informazione è solitamente riportata nel manuale d’uso dell’azionamento o in alternativa potete chiederla al produttore dello stesso.

Step Angle Accuracy – Precisione dell’angolo di passo

È un valore, normalmente espresso in gradi o percentuale dell’angolo di passo, che indica l’errore massimo di posizionamento che il rotore può compiere nell’esecuzione di un passo intero. Il dato è valido in assenza di carico applicato al motore (la presenza del carico può aumentare considerevolmente l'errore).

Normalmente un buon motore passo-passo offre una precisione migliore del 5% dell’angolo di passo intero, che significa che un motore da 200 passi/giro ha un errore di posizionamento inferiore a 0,09° ( (360/200)*5/100 ).

È importante notare che l’errore del motore è indipendente dalla risoluzione utilizzata sull’azionamento.

Essendo l’errore una percentuale dell’angolo di passo intero è possibile diminuirlo solo aumentando il numero di divisioni a giro. Se ad esempio usiamo un motore da 400 passi/giro, con una precisione dell’angolo di passo del 5% potremo apprezzare fino a 0,045°.

Si osservi infine che l’errore non è cumulativo ma si annulla ad ogni passo. In pratica l’errore indicato è il massimo errore che ci si può aspettare dopo un passo intero, dopo l’esecuzione di un quarto di giro, due giri o mille giri.

Max Temperature – Massima Temperatura

Indica la massima temperatura a cui il motore può operare continuativamente.

Normalmente la temperatura massima di esercizio di un motore passo-passo è compresa tra 70°C e 100°C.

Alcuni produttori esprimono la temperatura in °F (gradi Fahrenheit) anziché in °C (gradi Celsius). Di seguito sono riportate le formule utili per convertire la temperatura da un’unità di misura all’altra.

°C = (°F − 32) × 5⁄9

°F = °C × 9⁄5 + 32

Se nella vostra applicazione il motore passo-passo vi sembra eccessivamente caldo, per prima cosa verificate che ci sia un buon accoppiamento termico tra la flangia del motore e la struttura metallica di sostegno; è infatti la struttura che ha il compito di smaltire il calore generato dal motore.

Il montaggio del motore passo-passo su distanziali o su supporti termicamente isolati è altamente sconsigliato.

I costruttori normalmente caratterizzano i motori passo-passo montandoli su una piastra di superficie infinita (cioè molto grande) ed è pertanto normale che un motore in aria (non fissato sulla struttura) superi la massima temperatura ammessa, anche se alimentato alla corrente nominale indicata dal costruttore.

Il riscaldamento del motore dipende, oltre dalla corrente con cui è alimentato (riducendo la corrente la temperatura si riduce), dalla velocità di rotazione; maggiore è la velocità di rotazione e maggiore è il riscaldamento del motore.
Il carico applicato ha invece una minima influenza sul riscaldamento. In altre parole il motore a vuoto scalda pressappoco quanto il motore a pieno carico. Questo non deve sorprendere perché abbiamo visto nelle pagine precedenti che i motori passo-passo sono attuatori a corrente impressa che viene applicata al motore indipendente dal carico.

Se malgrado un corretto montaggio la temperatura del motore passo-passo resta elevata potete ricorrere ad una ventilazione forzata o all’applicazione di un dissipatore di calore.

Si rammenti infine che anche in assenza di rotazione il motore è percorso da corrente. Se a motore fermo non è richiesta coppia di mantenimento è possibile agire sull’azionamento di controllo per ridurre la corrente applicata ed ottenere così una riduzione del calore generato dal motore passo-passo.

Axial/Radial Load – Massimo carico assiale e radiale

Indica il massimo carico che è possibile applicare all’albero del motore in direzione radiale o assiale.

Il superamento dei valori indicati dal costruttore, anche se apparentemente sembra non danneggiare il motore, provoca un’usura prematura dei cuscinetti, con conseguente formazione di gioco meccanico e blocco del rotore.

Il carico radiale deve essere applicato il più possibile vicino alla flangia del motore per minimizzare la flessione dell’albero. Il data sheet del motore oltre a riportare il valore della forza, solitamente espresso in N, indica anche il punto dove tale valore è tollerato. Se ad esempio il costruttore del motore indica un carico massimo radiale di 10N a 20mm dalla flangia significa che non potremo gravare con più di 1Kg circa l’albero del motore passo-passo nel punto che dista 20mm dalla flangia. Se il punto di applicazione della forza è più lontano dalla flangia il massimo carico tollerato si ridurrà, mentre avvicinandosi ad essa sarà possibile applicare un carico radiale maggiore.

Un accoppiamento rigido del motore con il carico non perfettamente in asse può generare forze radiali di valore molto alto. Per questo motivo è sempre preferibile utilizzare un giunto elastico, in grado di compensare piccoli disassamenti tra l’albero ed il carico.

Il carico assiale deve rimanere rigorosamente all’interno della specifica del costruttore in quanto in un motore passo-passo standard i cuscinetti interni non sono di tipo reggispinta ed una forza assiale continua li danneggia in breve tempo.

All’interno del motore passo-passo è presente una molla di precarica (solitamente alloggiata nella flangia posteriore) che annulla il gioco assiale del rotore mantenendolo sempre a contatto con la flangia (solitamente la flangia anteriore).
Se il carico applicato assialmente all’albero è in direzione opposta alla forza esercitata dalla molla di precarica, e di intensità superiore, il rotore e l’albero arretreranno all’interno del motore, con un gioco meccanico anche di alcuni mm.

 

References

http://www.motoripassopasso.it/MotoriPassoPasso_DatiTecnici.aspx