Motori stepper

Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione Impianti - Ing. Pasquale Alba 2015
MOTORI STEPPER O
PASSO-PASSO
Tipi di avvolgimenti. Elettronica di pilotaggio.
Micropasso. Applicazioni (CNC)
1
Pro manuscripto - Dispensa didattica - UDA
Istituto Professionale per l'industria e l'Artigianato "Salvo D’Acquisto" Bagheria
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Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016
Applicazioni
2
Stampanti
Macchine CNC Automazione
Stampanti 3D

Aspetto
3

Struttura
4

Due tipi: Bipolari e Unipolari
5
Le fasi possono essere avvolte secondo due schemi:

Motori Unipolari: la corrente nella singola fase ha sempre lo stesso verso.
Sono presenti quattro avvolgimenti avvolti a coppie, in antiparallelo,
sulle espansioni polari; all'esterno arrivano almeno cinque fili. 
E' possibile creare due campi magnetici opposti semplicemente
scegliendo in quale dei fili debba passare la corrente.

Motori Bipolari: ogni avvolgimento viene percorso da corrente
alternativamente nei due versi al fine di creare gli opportuni campi
magnetici. Sono presenti due soli avvolgimenti, ciascuno avvolto su più
espansioni polari, all'esterno arrivano due sole coppie di fili.

Unipolari
6
La corrente in ogni bobina
scorre sempre nello stesso
verso.
Alimentando le bobine
secondo una certa
sequenza, il rotore ruota a
scatti.
Invertendo la sequenza si
inverte il senso di marcia.
Aumentando la frequenza
degli impulsi aumenta la
velocità.

Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Ing. Pasquale Alba 2016 7
Principio di funzionamento Unipolari

Sequenze di comando degli Unipolari
Passo Ph1 Ph3 Ph2 Ph4
1 I 0 0 0
2 0 I 0 0
3 0 0 I 0
4 0 0 0 I
Wavemode: è il sistema base di funzionamento; con
esso la corrente è applicata ad una sola delle fasi alla
volta, secondo la tabella seguente (Ph indica ciascuna
delle quattro fasi, I indica la corrente nominale in
ciascuna fase, 0 indica l'assenza di corrente).
Questo metodo è a volte chiamato anche "One-phase-on full step" o "passo
intero" per evidenziare il fatto che una sola fase alla volta è energizzata; la
distanza angolare tra passi successivi è pari a quanto indicato sui dati di targa
del motore.
Per ottenere la rotazione del motore è necessario scorrere le righe della tabella,
cambiando la fase in cui la corrente scorre. E' necessario tener presente che la
tabella deve essere vista come circolare: dopo l'ultima riga, ritroviamo infatti la
prima.

Two phase-on: la corrente è applicata contemporaneamente a
due fasi. In questo modo il rotore è trattenuto in posizioni di
equilibrio intermedie a quelle tipiche del funzionamento
wavemode.
La coppia disponibile è circa 1,41 volte maggiore di quella
ottenuta con una sola fase attiva alla volta: le due forze
applicate contemporaneamente possono essere infatti viste
come tra loro perpendicolari (per chi ricorda qualcosa di
trigonometria, o la diagonale di un quadrato, non è difﬁcile
comprendere che 1,41 è "radice di due”).
Il consumo di corrente e quindi il riscaldamento raddoppiano.
Questo fatto potrebbe creare problemi in alcuni motori non
adatti a questo tipo di pilotaggio.
1 I I 0 0
2 0 I I 0
3 0 0 I I
4 I 0 0 I

Half-step (mezzo passo): è in pratica l'alternarsi
delle conﬁgurazioni dei due metodi appena visti e si
basa sul fatto che tra le posizioni di equilibrio delle
due sequenze precedentemente viste, è presente
uno sfasamento di esattamente mezzo passo.
1 I 0 0 0
2 I I 0 0
3 0 I 0 0
4 0 I I 0
5 0 0 I 0
6 0 0 I I
7 0 0 0 I
8 I 0 0 I
Il vantaggio è che raddoppia il numero di passi disponibile per un certo motore. Lo
svantaggio è una discreta irregolarità nella coppia (che per ogni passo cambia da 1
a 1.4 o viceversa) e nel consumo di potenza (che, sempre per ogni passo, cambia
da 1 a 2), ambedue mediamente intermedi rispetto agli altri due metodi.
Questo metodo è a volte indicato come half-step senza controllo di coppia per
sottolineare come la coppia meccanica sia variabile. In alternativa è possibile
adottare tecniche capaci di rendere omogenea la coppia ma, per i motori unipolari,
questa non è una scelta conveniente a causa della complessità del circuito da
realizzare in rapporto agli effetti utili; è invece una via praticabile per i motori
bipolari e quindi ne parlerò solo nel paragrafo successivo.
Le sequenze indicate nelle precedenti tre tabelle sono relative alla rotazione del
motore in un verso: applicando continuamente la sequenze 1-2-3-4-1-2-3… si
ottiene la rotazione dell'albero in un verso; per invertire il senso di rotazione basta
invertire l'ordine con il quale sono lette le righe delle tabelle: 4-3-2-1-4-3… (non va
quindi cambiato il verso delle correnti, che rimane invariato).
Da notare che non esiste nessuna corrispondenza tra il numero delle righe delle
tabelle sopra riportate ed il numero di posizioni angolari che il motore assume: in
genere è necessario "scorrere" molte volte la tabella per ottenere la rotazione
dell'albero di 360°. Per esempio in un motore con quattro fasi e 200 passi/giro è
necessario applicare per 200 volte (400 volte per l'half-step) gli impulsi di corrente
per ottenere la rotazione di un giro dell'albero: in pratica occorre scorrere 50 volte
la tabella.

MOTORI STEPPER BIPOLARI
13
La corrente in ogni
bobina può scorrere in un
verso o nel verso
opposto
Il circuito di pilotaggio è più
complesso di quello unipolare in
quanto è necessario fornire
anche l'inversione del verso della
corrente, attraverso il
cosiddetto "ponte ad H": non
solo serve il doppio dei transistor
di potenza ma metà di questi
hanno l'emettitore o il source
non connesso a massa, con
complicazioni nell'adattamento
delle tensioni di pilotaggio.

Principio di funzionamento Bipolari

Sequenze di comando Bipolari
WaveMode: una sola fase alla volta è attiva. Da
notare che le condizioni di funzionamento per
ciascuna fase sono tre: corrente in un verso,
corrente nell'altro verso, assenza di corrente
(situazioni indicate rispettivamente con I, -I e 0
nella tabella).
Passo Ph1 Ph2
1 I 0
2 0 I
3 -I 0
4 0 -I
Two phase-on: la corrente è sempre presente nelle
due fasi ma cambia verso. Ho già descritto nel
paragrafo dedicato ai motori unipolari gli effetti sulla
coppia (che aumenta di 1.4 volte) e la corrente
assorbita (che raddoppia).
Passo Ph1 Ph2
1 I I
2 -I I
3 -I -I
4 I -I

Half-step senza controllo di coppia: è l'insieme
dei due metodi precedenti, con l'effetto
principale di ottenere il raddoppio del numero
dei passi. Ho già descritto gli effetti sulla
coppia e la corrente assorbita.
Passo Ph1 Ph2
1 I 0
2 I I
3 0 I
4 -I I
5 -I 0
6 -I -I
7 0 -I
8 I -I
Half-step con controllo di coppia: con la tecnica di pilotaggio a mezzo passo
quando la corrente scorre in due fasi contemporaneamente la coppia è
maggiore di quando la fase energizzata è una sola. Il problema è risolvibile
riducendo la corrente che passa nelle due fasi ad un valore tale che la coppia
rimanga costante. Chi ha voglia di pensarci un po' su, scoprirà che tale
corrente va ridotta a 0,707 volte quella nominale.
La tabella che ne nasce è quella che riporto di seguito, dove I rappresenta la
corrente nominale.
Passo Ph1 Ph2
1 I 0
2 0,707*I 0,707*I
3 0 I
4 -0,707*I 0,707*I
5 -I 0
6 -0,707*I 0,707*I
7 0 -I
8 0,707*I 0,707*I

Il microstepping: un'evoluzione del metodo di pilotaggio half-
step con controllo di coppia è basato sulla considerazione che,
così come posso ottenere un passo intermedio alimentando in
contemporanea due fasi con corrente ridotta, posso ottenere
una serie ampia a piacere di posizioni intermedie tra due step
inviando due correnti di diverso modulo nelle due fasi adiacenti:
il rotore si posizionerà tanto più vicino ad una posizione di
equilibrio tanto maggiore sarà la corrente nella fase
corrispondente rispetto a quella dell'altra.
In pratica le correnti assumono un andamento che tende ad
approssimare quello sinusoidale, con uno sfasamento di 90° tra
le due fasi. Ciò fa assomigliare il funzionamento del motore
passo-passo a quello di un motore sincrono a due fasi, che in
effetti è suo stretto parente.
Di seguito la tabella necessaria per quadruplicare il numero di
passi, ampliabile a piacere semplicemente tenendo presente che
la corrente assume il valore massimo in una fase quando
nell'altra è zero e che la somma dei quadrati dei coefﬁcienti
delle due correnti deve sempre essere uno (in pratica una
sinusoide ed una cosinusoide...).
Passo Ph1 Ph2
1 I 0
2 0.924*I 0.383*I
3 0.707*I 0.707*I
4 0.383*I 0.924*I
5 0 I
6 -0.383*I 0.924*I
7 -0.707*I 0.707*I
8 -0.924*I 0.383*I
9 -I 0
10 -0.924*I -0.383*I
11 -0.707*I -0.707*I
12 -0.383*I -0.924*I
13 0 -I
14 0.383*I -0.924*I
15 0.707*I -0.707*I
16 0.924*I -0.383*I

Esercitazione Arduino-Stepper Bipolari

Esercitazione Arduino-Stepper Unipolare

Schema che usa 2 pin di Arduino per il comando

Schema che usa 4 pin
Il collegamento ad Arduino è semplice:
sono necessari 4 pin digitali (nel mio
esempio ho scelto 2-3-4-5) e
l’alimentazione a 5V.
Sebbene sia possibile alimentare il motore
usando l’uscita a 5V di Arduino, è
consigliata una fonte di alimentazione
esterna.
Per comandare il motore, possiamo
utilizzare la libreria Stepper, indicando il
numero di steps (passi) necessari per un
giro completo (per il nostro motore 2048)
e i pin che abbiamo utilizzato.

#include <Stepper.h>

Stepper myStepper(2048,2,3,4,5);

void setup() {

myStepper.setSpeed(10);
}

void loop() {

myStepper.step(2048);
delay(1000);
myStepper.step(-2048);
delay(1000);
}
Con il metodo setSpeed()
possiamo decidere la velocità (=
giri al minuto), mentre con step()
muoviamo il motore di n passi
(con n negativo il motore ruoterà
in senso opposto):
Per comandare il motore, possiamo
utilizzare la libreria Stepper, indicando
il numero di steps (passi) necessari
per un giro completo (per il nostro
motore 2048) e i pin che abbiamo
utilizzato:
Esempio di semplice software

Sﬁda: modiﬁcare il software per realizzare un servocomando
Joggle!
A. Usare un potenziometro come dispositivo di input
(joystick).
B. Quando il pot è in posizione centrale il motore sta
fermo.
C. Quando il pot viene spostato in una direzione, il motore
comincia a ruotare a velocità tanto maggiore quanto
più grande è lo spostamento dalla posizione centrale.
D. Quanto il pot viene spostato nella direzione opposta, il
motore si comporta in modo analogo ma si inverte il
senso di rotazione

Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione e Manutenzione - Ing. Pasquale Alba
Credits Riconoscimenti
Si ringraziano per immagini e informazioni tecniche:
• www.vincenzov.net
• www.arduino.cc
• www.lucadentella.it
• 28BYJ-48 stepper motor datasheet
• tutti coloro che hanno reso disponibili su Internet informazioni qui
riportate
26
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