Motore Passo Passo: Come Funziona

L’eredità di Leonardo da Vinci è ancora viva oggi nei suoi disegni e progetti. Tra questi progetti, alcuni possono essere visti come precursori della tecnologia dei motori passo-passo. I motori passo-passo sono stati una vera rivoluzione nell’ambito dell’automazione e della robotica, perché consentono di controllare con precisione e affidabilità la velocità e la posizione di un motore elettrico. Essi sono utilizzati in un’ampia varietà di applicazioni, dalla stampa 3D alle macchine utensili, dai dispositivi medici alle automobili.

Ma come funzionano esattamente i motori passo-passo? In questo articolo esploreremo nel dettaglio il funzionamento dei motori passo-passo, da come sono stati sviluppati fino alle ultime innovazioni e tecnologie. Vi accompagneremo in un viaggio entusiasmante attraverso il mondo dei motori passo-passo. Alla fine della lettura, avrete una comprensione completa di questa tecnologia sorprendente e vedrete come essa è diventata una parte integrante della nostra vita quotidiana.

Come sempre, cercheremo di spiegarlo nella maniera più semplice possibile.

Breve storia del motore passo-passo

L’azionamento a nottolino, che può essere considerato come un precursore del motore passo-passo, si basa sul principio semplice di far ruotare il rotore di un certo angolo tramite l’alimentazione di una bobina, simile al funzionamento di un cricchetto. Questo tipo di azionamento era già in uso nel 1850 nella telegrafia, in particolare nei “telegrafi a lancette”. Chi fu l’inventore del primo motore passo-passo? Secondo la maggior parte degli ingegneri, l’appellativo di inventore va attribuito a Frank W. Woods, che nel 1918 brevettò un motore costituito da cinque bobine, le quali potevano fornire un movimento passo dopo passo. Il motore passo-passo fu usato negli anni ’30 dalla British Navy per il controllo di torrette e cannoni.

Con i progressi dell’elettronica, il motore passo-passo viene ampiamente utilizzato nell’industria a partire dagli anni 2000 circa.

Cos’è un motore passo-passo: meccanismo e componenti

Un motore passo-passo è un tipo di motore elettrico che è in grado di convertire un segnale di comando in passi precisi di movimento. Il funzionamento di un motore passo-passo può essere diviso in due parti: la parte di comando e la parte meccanica. Vediamolo così per capirci meglio: il motore passo-passo è il “ballerino robot” dell’elettronica, in grado di eseguire movimenti precisi e ripetitivi con una semplice coreografia di impulsi elettrici. I componenti principali di un motore passo-passo sono: un rotore (il ballerino), uno statore (la pedana), e un circuito di controllo (il coreografo).

• Il rotore è composto da un cilindro che ospita magneti permanenti e due anelli dentellati situati alle estremità. Un anello è polarizzato in senso Nord, mentre l’altro è polarizzato in senso Sud.
• La struttura dello statore è costituita da un parallelepipedo con delle cavità in cui sono adagiati i fili di rame per formare i circuiti di induzione. Anche su questa struttura sono presenti delle appendici dentellate con lo stesso intervallo di quelle del sistema di rotazione.
• Il circuito di controllo invia corrente elettrica alle bobine in un ordine preciso per causare il movimento del rotore. Rappresenta la parte di comando del motore passo-passo.

Immagina di avere una stampante 3D, una di quelle che ti permette di stampare il tuo modellino di Millennium Falcon. Il motore passo-passo è quello che fa muovere la testina di stampa in modo preciso, per creare strati precisi di plastica che formano la tua creazione. Oppure immagina una macchina per il caffè automatica, quella che ti prepara un cappuccino perfetto con un semplice tocco di un bottone. I motori passo-passo sono quelli che controllano la pressione del caffè, la quantità di latte e la temperatura per creare una tazzina perfetta.

Insomma, i motori passo-passo sono dei veri e propri artisti della precisione, capaci di trasformare un semplice segnale elettrico in movimenti precisi e ripetitivi, rendendoli utilissimi in una vasta gamma di applicazioni.

Come funziona un Motore Passo Passo

Il funzionamento di un motore passo-passo è basato sull’interazione tra il rotore e lo statore. Quando la corrente elettrica scorre attraverso le bobine dello statore, si crea un campo magnetico intorno ad esse. Questo campo magnetico ha una determinata direzione e intensità, che dipende dalla corrente che scorre attraverso la bobina.

Il rotore è composto da magneti permanenti montati su un albero. Quando una bobina dello statore è eccitata, il campo magnetico creato attira il magnete del rotore, causando uno spostamento di un determinato offset. Questo fa ruotare il rotore e l’albero di un angolo specifico. Eccitando successivamente le altre bobine, è possibile effettuare ulteriori passi in avanti o indietro, o realizzare una rotazione completa o parziale del rotore e dell’albero.

Il motore passo-passo può funzionare in due modalità: full step e half step.

• In modalità full step, il motore gira di un angolo specifico, ad esempio 1,8 gradi, per ogni passo. Per fare una rotazione completa, sono necessari 200 passi. Il motore si muove quando una o due bobine vengono alimentate con corrente. Con una sola bobina, il motore ha bisogno di meno potenza, ma con due bobine il motore si muove più velocemente e ha una coppia maggiore.
• In modalità half step, invece, il motore fa dei passi più piccoli, quindi ci vogliono il doppio dei passi (400) per completare un giro. Per far funzionare il motore in modalità half step è necessario alimentare due bobine contemporaneamente, questo fa aumentare la coppia e rende il funzionamento più regolare. Inoltre, la risoluzione angolare (precisione del movimento) aumenta.
• In realtà esiste anche una terza modalità di funzionamento, la modalità microstep. Il motore passo-passo in modalità microstep è una versione più precisa del motore classico. In questa modalità, ogni passo del motore viene suddiviso in molte piccole sezioni, fino a 256. Ciò significa che il motore può ruotare in modo molto preciso e graduale, anziché in salti grandi come nella modalità full step o half step. In questa modalità è possibile utilizzare una forma d’onda a gradini per raggiungere le singole posizioni del rotore.

Il numero di passi o gradi di movimento del motore passo-passo dipende dal numero di bobine e dalla configurazione del circuito di controllo. I motori passo-passo possono essere configurati per muoversi in passi precisi di 1.8, 0.9, 0.72 gradi, e così via. Questo rende i motori passo-passo particolarmente utili per applicazioni che richiedono un controllo preciso del movimento, come la robotica e le macchine utensili.

Quante tipologie di motori passo-passo esistono? Scopriamolo.

Tipi di motori passo-passo

I motori passo-passo sono suddivisi in diverse categorie a seconda della loro costruzione e del numero di fasi necessarie per alimentare le bobine. Ad esempio, ci sono i motori a magnete permanente, i motori a riluttanza variabile e i motori ibridi.

Il motore a magnete permanente ha due bobine che creano quattro poli magnetici variabili. Il rotore del motore gira grazie al cambiamento della posizione del rotore e della direzione del flusso di corrente nelle bobine. Tuttavia, un singolo passo di questo tipo di motore non è preciso, quindi vengono utilizzati più poli e magneti sul rotore per aumentare il numero di passi e la precisione. Solitamente questi motori fanno un passo ogni 7,5-15 gradi, con una gamma di 48-24 passi per giro completo. Sono caratterizzati da una coppia elevata ma una risoluzione limitata.

I motori a riluttanza variabile sono meno comuni e utilizzati rispetto agli altri tipi. Il rotore è composto da denti in ferro dolce che si muovono quando le bobine ricevono corrente continua. Tuttavia, questi motori hanno una bassa risoluzione e una bassa coppia.

Il motore ibrido è molto utilizzato nell’industria e ha una elevata risoluzione, con passi da 0,9 a 3,6 gradi (da 400 a 100 passi). Ha un’alta affidabilità. Il rotore è composto da magneti permanenti ma disposti in modo diverso rispetto ai motori a magnete permanente e solitamente ha due anelli con poli opposti sull’albero del motore.

Applicazioni del motore passo-passo

Il motore passo-passo viene impiegato in un’ampia gamma di applicazioni che richiedono un controllo preciso del movimento. Ecco alcuni esempi dove i motori vengono impiegati:

• Robotica: vengono utilizzati per controllare i movimenti dei robot, sia per i movimenti di precisione delle braccia robotiche sia per la mobilità del robot stesso.
• Macchine utensili: i motori passo-passo sono utilizzati in molte macchine utensili, come fresatrici e torni, per controllare gli assi di movimento preciso.
• Dispositivi medici: si trovano pure in molti dispositivi medici, come le stampanti 3D per la produzione di protesi personalizzate e le apparecchiature di imaging.
• Automazione industriale: i motori passo-passo vengono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni di automazione industriale, come la regolazione della posizione dei pezzi in una catena di montaggio.
• Sistemi di trasporto: vengono utilizzati in molte applicazioni di trasporto, come l’azionamento dei sistemi di elevazione e l’automazione dei sistemi di parcheggio.
• Apparecchiature per ufficio: sono utilizzati in molte apparecchiature per ufficio, come i dispositivi di alimentazione automatica di documenti per scanner e fotocopiatrici.

In generale i motori passo-passo sono utilizzati ovunque ci sia bisogno di controllo preciso della posizione, velocità, velocità di accelerazione e la possibilità di operare in modalità di funzionamento a passo singolo e in modalità di funzionamento continuo.

Conclusione

Ecco, abbiamo finalmente raggiunto la fine del nostro viaggio alla scoperta dei misteriosi motori passo-passo! Non fermatevi qui, continuate il vostro viaggio nell’affascinante mondo della tecnologia e dell’informatica seguendo il nostro blog. Con nuovi articoli ogni settimana, sarete sempre al passo con le ultime scoperte e innovazioni. Non perdete l’occasione di diventare esperti in materia e di stupire i vostri amici con la vostra conoscenza. Seguiteci e non ve ne pentirete!