{"id":5511,"date":"2017-06-23T12:14:50","date_gmt":"2017-06-23T12:14:50","guid":{"rendered":"https:\/\/servotecnica.com\/controlli-a-loop-chiusa-per-motori-stepper\/"},"modified":"2023-05-01T19:21:21","modified_gmt":"2023-05-01T19:21:21","slug":"controlli-a-loop-chiusa-per-motori-stepper","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/servotecnica.com\/it\/controlli-a-loop-chiusa-per-motori-stepper\/","title":{"rendered":"Controlli a loop chiusa per motori stepper"},"content":{"rendered":"\n<p>I motori passo-passo&nbsp;(o motori stepper) sono impiegati in applicazioni industriali ad ampio raggio. Sono poco costosi, semplici da utilizzare e offrono una coppia elevata a basse velocit\u00e0. Tuttavia, questa tipologia di motorizzazione, presenta alcuni inconvenienti che devono essere considerati in fase di progettazione; possono perdere il passo se la coppia richiesta \u00e8 maggiore di quella disponibile, la coppia cala drasticamente all\u2019aumentare della velocit\u00e0, hanno alte frequenze di risonanza e un elevato consumo energetico anche con il solo motore fermo. <a href=\"http:\/\/www.galil.com\/\" target=\"_blank\" rel=\"noreferrer noopener\">Galil<\/a>&nbsp;ha tre metodi di pilotaggio a loop chiusa per minimizzare questi inconvenienti. Correzione sul punto finale del posizionamento, controllo microstepping a loop chiusa, pilotaggio del motore come un brushless a 2 fasi.<\/p>\n\n\n<div class=\"wp-block-image\">\n<figure class=\"aligncenter size-full\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"352\" height=\"261\" src=\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/come-e-fatto-un-motore-passo-passo.jpg\" alt=\"\" class=\"wp-image-5485\"\/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Motore Stepper o Passo Passo<br>Fonte: <a href=\"http:\/\/www.vincenzov.net\/tutorial\/passopasso\/stepper.htm\" target=\"_blank\" rel=\"noreferrer noopener\">http:\/\/www.vincenzov.net\/tutorial\/passopasso\/stepper.htm<\/a>&nbsp;<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Le basi di un motore passo passo<\/h2>\n\n\n\n<p>Lo <a href=\"https:\/\/it.wikipedia.org\/wiki\/Statore\" target=\"_blank\" rel=\"noreferrer noopener\">statore<\/a>&nbsp;\u00e8 un insieme di avvolgimenti ed il circuito magnetico \u00e8 costituito da 4 o, pi\u00f9 frequentemente, 8 &#8220;espansioni polari&#8221; (otto in quello mostrato fotografia). All&#8217;interno dello statore sono presenti piccoli denti che si affacciano a quelli del rotore. Gli avvolgimenti quando sono percorsi da corrente generano un campo magnetico. All&#8217;esterno arrivano i fili di alimentazioni dei vari avvolgimenti dello statore; le fasi possono essere avvolte secondo due schemi: nei motori bipolari ci sono 2 soli avvolgimenti e escono 2 coppie di fili; nei motori unipolari ci sono 4 avvolgimenti avvolti a coppie in antiparallelo sulle espansioni polari.<\/p>\n\n\n\n<p>Il <a href=\"https:\/\/it.wikipedia.org\/wiki\/Rotore_(elettrotecnica)\" target=\"_blank\" rel=\"noreferrer noopener\">rotore<\/a>&nbsp;appare come una coppia di ruote dentate massicce e identiche tra loro, affiancate e solidali all&#8217;albero costituite da un nucleo magnetico; le due ruote sono magnetizzate, una come NORD, l&#8217;altra come SUD;&nbsp;i &#8220;denti&#8221; delle ruote sono in materiale ferromagnetico. Il numero di denti \u00e8 variabile, 50 \u00e8 il pi\u00f9 frequente. Tra le due ruote \u00e8 presente uno sfasamento esattamente pari ad 1\/2 del passo dei denti: il dente di una delle due sezione corrisponde quindi alla valle dell&#8217;altra. Per far ruotare l\u2019albero gli avvolgimenti vengono eccitati in una sequenza specifica. La Figura 2 mostra una semplificazione di questo processo in un motore bifase. Ogni sequenza corrisponde alla rotazione di uno step del rotore. Tipicamente ci sono 200 step per giro. Dal controllo escono 2 segnali, quello denominato Step che \u00e8 un segnale ad onda quadra ad ogni impulso corrisponde uno spostamento di uno step fisico del motore; il secondo segnale \u00e8 la Direzione che viene imposta dallo stato alto\/basso del segnale.<\/p>\n\n\n<div class=\"wp-block-image\">\n<figure class=\"aligncenter size-full is-resized\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/controllo-loop-chiusa-per-motori-stepper-galil-1.png\" alt=\"\" class=\"wp-image-5488\" width=\"493\" height=\"350\"\/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Fig. 2 &#8211; Sample full-step current and rotor position<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n<p>I motori passo passo non sono immuni da difetti. Il primo \u00e8 che il motore opera con la massima corrente in ogni condizione, portando a sprecare energia e aumentandone la temperatura di funzionamento. Il secondo difetto \u00e8 l\u2019introduzione di vibrazioni causate quando il rotore si sposta da uno step al successivo. Quando la frequenza di cambiamento tra step successivi equivale alla frequenza di risonanza del motore, l\u2019ampiezza delle vibrazioni aumenta portando alla perdita della posizione. Una condizione comune a tutti i motori \u00e8 la drastica diminuzione della coppia all\u2019aumento della velocit\u00e0. \u00c8 molto comune sbagliare la scelta del motore se non viene considerata questa caratteristica in fase di progettazione. Come ultimo inconveniente, nell\u2019impiego dei motori passo passo, \u00e8 la bassa <a href=\"https:\/\/it.wikipedia.org\/wiki\/Risoluzione_(metrologia)\" target=\"_blank\" rel=\"noreferrer noopener\">risoluzione<\/a>&nbsp;derivante dal numero di step per giro. Qualora si rendesse necessaria una maggiore risoluzione l\u2019impiego della tecnologia microstepping pu\u00f2 essere una valida soluzione.<\/p>\n\n\n<div class=\"wp-block-image\">\n<figure class=\"aligncenter size-full is-resized\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/controllo-loop-chiusa-per-motori-stepper-galil-2.png\" alt=\"\" class=\"wp-image-5491\" width=\"445\" height=\"298\" srcset=\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/controllo-loop-chiusa-per-motori-stepper-galil-2.png 702w, https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/controllo-loop-chiusa-per-motori-stepper-galil-2-700x468.png 700w\" sizes=\"auto, (max-width: 445px) 100vw, 445px\" \/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Fig. 3 &#8211; 24VDC Stepper MotorSpeed-Torque Curve<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Microstepping<\/h2>\n\n\n\n<p>Il pilotaggio dei motori passo passo in microstepping \u00e8 un metodo per suddividere il passo intero in incrementi pi\u00f9 piccoli. Partendo da un microinterpolazione di 2 si pu\u00f2 arrivare a 256 microinterpolazioni per passo intero, il che significa che un motore da 200 passi giro pu\u00f2 avere una risoluzione sino a 51200 microstepping per giro. Nella Figura 4 si vede il dettaglio della forma d\u2019onda della corrente per un singolo step incrementando il numero di microinterpolazioni.<\/p>\n\n\n<div class=\"wp-block-image\">\n<figure class=\"aligncenter size-full is-resized\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/controllo-loop-chiusa-per-motori-stepper-galil-3.png\" alt=\"\" class=\"wp-image-5494\" width=\"514\" height=\"245\"\/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Fig. 4 &#8211; Current Waveform during Microstepping<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n<p>L\u2019accuratezza raggiungibile con questa tecnica di controllo dipende in gran parte dalla forza esterna applicata. L\u2019accuratezza raggiungibile \u00e8 di un passo intero, qualora l\u2019errore di posizione fosse maggiore di mezzo passo intero si determinerebbe lo stallo del motore. Se l\u2019attrito, la gravit\u00e0 o qualsiasi altra forza sono abbastanza grandi da impedire il movimento tra due microstepping si incorre in un errore di posizione. La Figura 5 mostra un posizionamento punto a punto in un sistema comandato da un motore stepper con encoder. La linea rossa \u00e8 la posizione teorica, la linea viola rappresenta il comando verso il motore e la linea blu \u00e8 la posizione misurata tramite l\u2019encoder. La linea nera indica quando il controllo attiva il profilo di moto. A causa degli attriti la posizione finale del motore non equivale a quella comandata, causando uno stato di errore stazionario.<\/p>\n\n\n<div class=\"wp-block-image\">\n<figure class=\"aligncenter size-full is-resized\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/controllo-loop-chiusa-per-motori-stepper-galil-4.webp\" alt=\"\" class=\"wp-image-5497\" width=\"505\" height=\"385\"\/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Fig. 5 &#8211; Microstepping<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Correzione sul punto finale<\/h2>\n\n\n\n<p>Impiegando un encoder&nbsp;come feedback \u00e8 possibile riconoscere questa situazione di errore di posizione; la posizione finale pu\u00f2 essere corretta imponendo un comando addizionale tale da portare la posizione reale a equivalere a quella voluta. Galil chiama questo modo di pilotaggio Stepper Position Maintenance o SPM. Il motore viene sempre pilotato in microstepping ma l\u2019accuratezza del punto finale pu\u00f2 essere verificata e aggiustata. Si compara infatti la posizione comandata con la posizione reale prima che il posizionamento sia finito. La Figura 6 mostra lo stesso sistema come in Figura 5 ma con pilotaggio SPM. Alla fine del movimento viene riconosciuto l\u2019errore di posizione e viene inviato un comando di correzione in modo tale da portare il motore nella posizione voluta.<\/p>\n\n\n<div class=\"wp-block-image\">\n<figure class=\"aligncenter size-full is-resized\"><img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/controllo-loop-chiusa-per-motori-stepper-galil-5.png\" alt=\"\" class=\"wp-image-5500\" width=\"505\" srcset=\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/controllo-loop-chiusa-per-motori-stepper-galil-5.png 1082w, https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/controllo-loop-chiusa-per-motori-stepper-galil-5-768x566.png 768w\" sizes=\"(max-width: 1082px) 100vw, 1082px\" \/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Fig. 6 &#8211; Stepper position maintenance mode<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n<p>Aggiungendo l\u2019encoder il controllo pu\u00f2 riconoscere e correggere l\u2019errore presente nel sistema. Lo stesso movimento, che prima risultava in uno stato di errore di posizione stabile dovuto agli attriti presenti, pu\u00f2 essere ora corretto.<\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Pilotaggio microstepping a loop chiusa<\/h2>\n\n\n\n<p>Il controllo tramite <a rel=\"noreferrer noopener\" href=\"http:\/\/www.galilmc.com\/learn\/application-note\/stepper-motor-position-maintenance-mode-spm\" target=\"_blank\">Stepper Position Maintenance&nbsp;mode<\/a> \u00e8 ideale per sistemi che richiedono precisione di posizionamento solo sul punto finale. Quando \u00e8 necessaria una continua correzione dell\u2019errore di posizione, Galil suggerisce l\u2019impiego del sistema denominato Closed Loop Microstepping o CLS. La Figura 7 mostra un posizionamento in CLS mode. Oltre alla posizione comandata e alla posizione reale dell\u2019encoder, un segnale di errore di posizione viene generato internamente al controllo, linea verde, e impiegato per controllare continuamente la posizione comandata. E\u2019 importante sottolineare che con CLS mode la posizione viene monitorata dall\u2019encoder ma il comando del motore viene generato dal controllo.<\/p>\n\n\n<div class=\"wp-block-image\">\n<figure class=\"aligncenter size-full is-resized\"><img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/controllo-loop-chiusa-per-motori-stepper-galil-6.png\" alt=\"\" class=\"wp-image-5503\" width=\"505\" srcset=\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/controllo-loop-chiusa-per-motori-stepper-galil-6.png 1081w, https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/controllo-loop-chiusa-per-motori-stepper-galil-6-768x589.png 768w\" sizes=\"(max-width: 1081px) 100vw, 1081px\" \/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Fig. 7 &#8211; Closed loop microstepping<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n<p>Il segnale di errore viene analizzato dal filtro interno di Galil che compensa ogni errore di posizione modulando gli step di comando verso il drive. Closed Loop Microstepping \u00e8 un sistema reale a loop chiusa ed \u00e8 un\u2019 ottima soluzione per comandare un motore passo passo in modo tradizionale. La chiusura del loop di posizione implica il rischio di avere delle instabilit\u00e0 se i guadagni del filtro interno non vengono opportunamente tarati. Resta comunque il fatto che si tratta di un sistema inefficiente dal punto di vista energetico e presenta una bassa banda passante comparato ad un classico sistema con motori servo. Si deve considerare che la banda passante pu\u00f2 essere ulteriormente abbassata&nbsp; &nbsp;qualora si impieghino driver di terze parti con caratteristiche non lineari.<\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Pilotaggio motore stepper come un motore brushless bifase<\/h2>\n\n\n\n<p>Per raggiungere il massimo delle prestazioni il motore stepper pu\u00f2 essere controllato come un servo motore brushless bifase. La corrente al motore viene controllata in funzione dell\u2019errore di posizione esattamente come con un motore servo. Il sistema di controllo che impiega Galil viene definito come 2 Phase Brushless mode o 2PB. In Figura 8 il dettaglio di un motore stepper comandato in questo modo. Anzich\u00e9 gli step, un comando analogico in torque mode (linea marrone) viene generato dal controllo, e inviato a uno degli azionamenti che possono essere integrati nel controllo.<\/p>\n\n\n<div class=\"wp-block-image\">\n<figure class=\"aligncenter size-full is-resized\"><img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/controllo-loop-chiusa-per-motori-stepper-galil-7.png\" alt=\"\" class=\"wp-image-5506\" width=\"505\" srcset=\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/controllo-loop-chiusa-per-motori-stepper-galil-7.png 1065w, https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/controllo-loop-chiusa-per-motori-stepper-galil-7-768x565.png 768w\" sizes=\"(max-width: 1065px) 100vw, 1065px\" \/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Fig. 8 &#8211; 2-Phase brushless mode<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n<p>Comandando un motore stepper in questo modo si aumenta la banda passante riducendo il tempo di posizionamento. Il motore diventa analogo ad un servo motore con riduttore. Grazie al comportamento come servo, il range completo del filtro Galil pu\u00f2 essere impiegato, compreso il filtro di notch, pole e feedforward. Per ottenere il massimo delle prestazioni il drive deve essere pi\u00f9 sofisticato per poter generare istantaneamente la corrente necessaria al pilotaggio. Dal punto di vista energetico si ottiene una maggior efficienza e il motore generer\u00e0 meno calore.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>I motori passo-passo&nbsp;(o motori stepper) sono impiegati in applicazioni industriali ad ampio raggio. 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