I cambi di velocità

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Il motore passo-passo soffre di diversi problemi nel momento in cui viene effettuato il cambio di velocità, a causa del suo principio di funzionamento che lo fa assomigliare ad un motore sincrono.

Infatti tutti i dispositivi meccanici, a causa dell'inerzia, non possono subire accelerazioni troppo brusche. Un classico motore elettrico reagisce alla richiesta di improvviso aumento di velocità con un momentaneo aumento dell'assorbimento di corrente ed un graduale e relativamente lento aumento di velocità. Nel momento in cui improvvisamente cambia la frequenza in ingresso al dispositivo di pilotaggio del motore passo-passo, lo stepper tenta di adeguarsi (quasi) istantaneamente alla nuova velocità: se la coppia disponibile è sufficiente vi è una brusca accelerazione, praticamente istantanea; se la coppia non basta a vincere l'inerzia e gli attriti, semplicemente il motore si ferma e, senza un intervento esterno, non è più in grado di ripartire: si dice che il motore "ha perso il passo".

Questo comportamento deriva dal fatto che la velocità del motore è rigidamente controllata dall'elettronica e che la corrente assorbita è fissa e praticamente indipendente dalla coppia meccanica resistente.

Una simile reazione vi è anche nel caso di applicazione di una improvvisa coppia resistente al motore già in moto. Un motore DC, per esempio, semplicemente rallenta per adeguarsi alla nuova situazione ed aumenta l'assorbimento di corrente. Uno stepper invece non può rallentare: se la coppia resistente è relativamente piccola, la velocità non cambia assolutamente; se la coppia è troppo grande, il motore perde il passo e si ferma.

Questo comportamento è descritto dal seguente grafico con il legame tra coppia e velocità.

Curve di pull-in e pull-out

Una curva identifica l'area, disegnata in verde, entro cui il motore può subire cambi di velocità e inversioni di marcia senza precauzioni particolari: è sufficiente cambiare la frequenza con cui sono applicate le correnti alle fasi. E' in genere indicata come curva di pull-in
La zona indicata in rosso e chiamata slew-range può essere attraversata solo a condizione di evitare bruschi cambiamenti di velocità. Il cambiamento di frequenza deve quindi essere continuo e tanto più lento quanto più ci si allontana dalla curva di pull-in.
La curva di pull-out indica quale è la massima coppia resistente che può essere applicata al motore in rotazione ad una data velocità costante senza causare il blocco. In pratica rappresenta le massime prestazioni del motore.

Il grafico rappresentato dipende non solo dal motore ma anche dai dispositivi meccanici ad esso collegati (un aumento del momento di inerzia del carico causa un restringimento dell'area di pull-in) e dal tipo di pilotaggio (una migliore gestione delle correnti aumenta entrambe le curve, soprattutto alle velocità più elevate).

Nella pratica la documentazione relativa a tali curve non è sempre disponibile per lo specifico motore in uso ma possono servire come riferimento nel progetto del software di controllo del motore: per esempio è opportuno accelerare il motore con una rampa al fine di portalo alle velocità più elevate.

In applicazioni critiche è possibile utilizzare un sensore di velocità per riconoscere l'eventuale blocco del motore ma più spesso si preferisce ignorare il problema ed, eventualmente, abbondare un poco nel dimensionamento del motore.

La risonanza

Nel grafico precedente il legame tra coppia e velocità è rappresentato da una curva sostanzialmente regolare. Nella realtà tale curva è invece molto frastagliata: il grafico seguente è relativo ad un particolare modello commerciale ed illustra l'andamento della curva di pull-out in assenza di carico e con un pilotaggio a passo intero e a mezzo passo.

Risonanza in un motore passo-passo

Si noti come, soprattutto nel funzionamento a passo intero, la coppia subisca marcate diminuzioni in corrispondenza di frequenze medio-basse; in particolare possono essere presenti alcuni punti in cui la coppia subisce una diminuzione tale che il motore, spontaneamente, si ferma.

Queste velocità vengono chiamate frequenze di risonanza anche se alcuni autori ritengono il termine errato, forse perché vogliono sottolineare il fatto che non si tratta di un fenomeno elettrico ma meccanico.

Purtroppo tali punti non sono facilmente prevedibili in quanto dipendono dal motore, dal tipo di pilotaggio e dal carico; inoltre si presentano in modo del tutto imprevisto: è per esempio possibile avere motori che funzionano perfettamente per qualunque velocità da 0 a 60 e da 70 a 1000 giri al minuto ma che a 65 giri al minuto si bloccano…

In genere un sintomo dell'avvicinarsi della risonanza è il rumore forte ed irregolare che il motore emette, chiaramente diverso dal fischio piuttosto continuo che emette in condizioni di normale funzionamento.

Tra le tecniche per evitare questo rischio:

Usare le tecniche di pilotaggio microstepping, a mezzo passo con controllo di coppia oppure a mezzo passo senza controllo di coppia. Le tre tecniche sono messe in ordine di capacità di ridurre il problema ma anche inversamente alla difficoltà di realizzazione.
Usare un carico con elevato momento di inerzia in quanto ciò spesso esclude rischi di stallo anche se rende più piccola l'area di pull-in. In effetti ho osservato il blocco spontaneo del motore a causa della risonanza solo in motori senza carico: collegando un dispositivo meccanico l'effetto si riduce ed in genere scompare, almeno nella sua manifestazione più evidente di blocco totale.
Evitare di passare per le velocità in cui si ha risonanza, se sono noti. Trattandosi di punti decisamente isolati in genere ciò non crea difficoltà particolari se non la preventiva individuazione.

I cambi di velocità

La risonanza

I motori passo-passo: un tutorial