Cosa scegliere? Motori Servo o Motori passo-passo?

di Schneider Electric Motion

08 Agosto 2019

Cosa scegliere? Motori Servo o Motori passo-passo?

I motori passo passo trovano impiego anche in quegli ambiti solitamente appannaggio dei motori servo, a condizione che siano ad anello chiuso, poiché gli stepper tradizionali ad anello aperto non sarebbero in grado di gestire questo tipo di applicazioni.

Quando si progetta un'applicazione in ambito motion control, la tecnologia costruttiva e il dimensionamento del motore sono scelte critiche per gli ingegneri, in quanto elementi chiave ed entrambi concorrenti all’efficienza della macchina.
Come sempre, a questi due aspetti si affiancherà l'aspetto economico, sarà quindi importante bilanciare costi e prestazioni.

Le domande da porsi quando si sceglie un motore sono:

  • Qual è il motore ideale per la mia applicazione?
  • Il movimento che voglio ottenere richiede una soluzione ad alte prestazioni?
  • È sufficiente un motore passo-passo a basso costo?
  • Esistono altre opzione ibride tra servo e stepper?

Prima di rispondere bisogna innanzitutto considerare le specifiche dell’applicazione, in quanto andranno valutati diversi aspetti.

servomotori in closed-loop con elettronica integrata

I motori con elettronica integrata ad anello chiuso di Schneider Electric Motion associano driver, motore ed encoder in un unico prodotto. Questi sistemi compatti consentono un utilizzo ottimale del profilo coppia/velocità del motore senza le tipiche problematiche dei motori passo-passo per l’eventuale perdita di sincronismo o posizione. Scopri di più su Lexium MDrive.

I requisiti

  • Quanti cicli al minuto deve effettuare il motore?
  • Quanta coppia è richiesta?
  • Qual è la velocità massima che deve raggiungere il sistema?

Il solo dato di potenza non è sufficiente a darci una risposta.

La potenza in uscita di un motore è la combinazione di coppia e velocità, che si ottiene moltiplicando velocità e coppia. Tuttavia, come si può evincere da questa formula, esistono molte combinazioni possibili di coppia e velocità che daranno come risultato la medesima potenza d'uscita. Perciò, motori diversi con potenze nominali simili possono offrire prestazioni differenti a seconda dei loro valori di coppia e di velocità.

motori servo

I servomotori solitamente offrono una coppia elevata con un ingombro ridotto e hanno lamierini segmentati.

Prima di scegliere il motore ideale, gli ingegneri devono sapere peso e dimensioni del carico e a quale velocità questo dovrà muoversi. L'area di lavoro del motore a carico, dovrà quindi ricadere al di sotto della curva di coppia del motore, ovvero la curva che mostra la coppia del motore al variare della velocità.
Un metodo standard per dimensionare un motore è quello di ipotizzare delle situazioni "limite" (in altri termini, determinare i valori di picco richiesti dall’applicazione per coppia e velocità), così da garantirsi un discreto margine di funzionamento.

Anche l’inerzia del carico è un fattore discrimiante, sarà quindi necessario calcolare il rapporto d’inerzia, ovvero il rapporto tra l’inerzia del carico e quella del motore. La regola generale recita che se l’inerzia del carico supera di 10 volte quella del rotore, la regolazione del motore potrebbe essere più difficoltosa, con relativo calo di prestazioni. Questo principio va adattato al variare della tecnologia, del costruttore o del prodotto.
Sulla scelta del motore peserà anche l'ambito di applicazione. Alcuni motori sono in grado di gestire rapporti fino a un massimo di 30:1, mentre per i motori diretti il rapporto può arrivare fino a 200:1. Tuttavia, molti operatori preferiscono motori che non superino rapporti di 10:1.

Infine, esistono limiti fisici che vincolano alla scelta di un motore rispetto che ad un altro, come peso e dimensione.
Nella stragrande maggioranza dei casi, motori grandi e ingombranti non sono certo un plus per un'applicazione; ne consegue che prima di poter prendere una decisione su quale sia il motore ideale per una data applicazione, sarà necessaria un'indagine che tenga conto anche delle sue caratteristiche fisiche.

Una volta soddisfatti tutti i suddetti requisiti (velocità, coppia, potenza, inerzia del carico e dimensioni), l'ingegnere progettista potrà concentrarsi sulla taglia che garantisca la massima efficienza.
Tuttavia, il processo decisionale non finisce qui. Gli ingegneri devono ora stabilire la tecnologia più adatta per la propria applicazione, che per anni è stata limitata a due opzioni: servomotore o motore passo-passo (ad anello aperto).

Stepper Motor

Il motore passo-passo ad anello aperto è progettato per essere azionato a basse velocità e coppie elevate.

Motori servo e motori passo passo

Il principio di funzionamento dei motori servo è analogo a quello dei motori passo-passo ad anello aperto, ma ci sono alcune differenze fondamentali da tenere in considerazione.

Nei servosistemi tradizionali il controller invia segnali all'azionamento del motore attraverso comandi pulse/direction o analogici, relativi a posizione, velocità o coppia.  I controllori di nuova generazione utilizzano una struttura a bus di campo, che nei sistemi più recenti si basa su protocollo Ethernet. L'azionamento invia quindi la giusta quantità di corrente richiesta per ogni fase del motore.
Il feedback del motore torna all'azionamento e, se necessario, al controller. L'azionamento utilizza queste informazioni per commutare correttamente il rotore e inviare dati affidabili relativi alla posizione dell’albero in movimento. Per questo motivo i servomotori sono considerati ad "anello chiuso" e incorporano un encoder (feedback) che invia costantemente la posizione al controllore.
Il feedback consente al controllore di avere un controllo maggiore sul motore, infatti, in caso di disallineamento tra pozione comandata e posizione effettiva il controllore effettua delle correzioni "in corsa" di vario grado.
Il sistema ad anello chiuso offre quindi un evidente vantaggio rispetto ai motori stepper ad anello aperto.

Anche il motore passo-passo è azionato da segnali inviati dall'azionamento che, tipicamente, ne comanda la posizione e la velocità con segnale in step/direction. Tuttavia, i motori stepper ad anello aperto non restituiscono un feedback al controllore che di conseguenza non è in grado di valutarne la posizione ed effettuare le correzioni necessarie a migliorarne il moto.

Per esempio, se la coppia del motore non è sufficiente a gestire il carico, potrebbero verificarsi perdite di passo o stallo del motore, impedendo così il raggiungimento della posizione comandata.
Date le caratteristiche dei motori stepper open-loop, questo posizionamento impreciso non verrà opportunamente segnalato al controller che quindi non effettuerà alcuna correzione.

Ma se i servomotori sembrano avere evidenti vantaggi in termini di efficienza e prestazioni, quando vanno preferiti i motori passo-passo? In due situazioni.
La più intuitiva è certamente quando il prezzo è una discriminante. Il budget è quasi sempre uno dei fattore principali da considerare in fase di progettazione. Con un budget limitato andranno tagliati i costi superflui; con questo non ci si riferisce al solo costo diretto del motore, ma anche alla sua efficienza e manutenzione ordinaria e straordinaria.
Perciò, se i vantaggi dei servomotori non ne giustificano i costi, può essere sufficiente un motore passo-passo tradizionale.

Open Loop Stepper

Sezione trasversale di un motore passo passo tradizionale.

Da un punto di vista puramente operativo, i motori stepper sono notevolmente più facili da usare rispetto ai servomotori tradizionali. L’azionamento di un motore passo-passo è molto più semplice da capire e facile da configurare e spesso non c’è motivo di preferire soluzioni eccessivamente complicate se i requisiti possono essere soddisfati da soluzioni semplici.

I vantaggi offerti dalle due tecnologie sono molto diversi; i servomotori sono ideali per chi ha bisogno di un motore con velocità superiori a 3.000 giri/min e una coppia elevata. Tuttavia, con applicazioni richiedenti velocità di poche centinaia di giri/min o anche inferiori, un servomotore non è sempre la scelta ideale, in quanto sovradimensionati per le applicazioni a bassa velocità.

È in questo tipo di applicazioni che i motori passo-passo rappresentano la soluzione migliore. Non solo offrono ripetibilità in fase di arresto, ma sono anche progettati per essere azionati a basse velocità pur mantenendo una coppia elevata. Proprio grazie a questa caratteristica progettuale, i limiti di velocità possono essere impostati nel controller. Il limite tipico di un motore passo-passo è  inferiore a 1.000 giri/min, mentre i servomotori possono avere velocità nominali di 3.000 giri/min o superiori, fino ad arrivare a più di 7.000 giri/min.

Un motore stepper dimensionato correttamente può essere il fit perfetto, tuttavia, in caso di malfunzionamento, un sistema ad anello aperto potrebbe fornire dati insufficienti alla risoluzione del problema.

Servo cross section

Sezione trasversale di un servomotore.

Risolvere il problema dell'anello aperto

Negli ultimi decenni sono stati proposti diversi approcci per superare le limitazioni tipiche dei motori passo-passo ad anello aperto, uno dei quali era effettuare l'homing all’accensione, o addirittura più volte nel corso del ciclo di lavoro. Per quanto semplice, questa soluzione rallentava il funzionamento e non individuava i problemi che possono emergere durante il normale funzionamento.

Un altro approccio è l’aggiunta di un feedback per rilevare stallo o posizionamento non corretto.
I dipartimenti R&D delle aziende in ambito motion control hanno sviluppato funzioni di “rilevamento stallo” e “mantenimento in posizione”, altri si sono spinti anche oltre, arrivando ad equiparare i motori stepper ai servo simulandone il comportamento tramite complessi algoritmi.

Nel grande spettro dei motori, tra servomotori e motori passo-passo ad anello aperto si colloca la tecnologia relativamente nuova, dei motori passo-passo ad anello chiuso. Si tratta del modo migliore ed economicamente vantaggioso per soddisfare le applicazioni richiedenti posizionamenti precisi a basse velocità. Grazie ai nuovi feedback ad alta risoluzione è possibile chiudere l’anello e ottenere il doppio vantaggio.

I motori stepper in closed loop offrono tutti i vantaggi degli stepper tradizionali: facilità d’uso, semplicità, funzionamento a bassa velocità e arresto preciso. In più, offrono le caratteristiche di controllo legate al feedback dei servomotori, senza averne lo svantaggio maggiore: il costo.

Il succo della questione è sempre stato il funzionamento dell'anello aperto dei motori passo-passo. Solitamente, questi motori hanno due bobine e il problema è l’equilibro magnetico tra di esse. Il moto disturba questo equilibrio causando un rallentamento elettrico dell’albero del motore, la cui entità rimane ignota all’operatore. Il punto di arresto è ripetibile per i motori passo-passo ad anello aperto, ma non in tutte le posizioni.
Aggiungendo un encoder al motore, è quindi possibile ottenere un certo controllo dinamico. Questo consente all’operatore di arrestare il motore in un punto esatto sotto carichi diversi.

I vantaggi derivanti dalla novità dell'anello chiuso sui motori stepper hanno contribuito alla loro popolarità tra gli "addetti ai lavori". In particolare si registra un netto incremento di questa tecnologia in due mercati importanti quali semiconduttori e dispositivi medicali. Gli ingegneri che operano in questi settori devono sapere esattamente dove i motori o gli attuatori hanno posizionato i carichi, che si tratti dell’azionamento di una cinghia o di una vite a ricircolo di sfere. Il feedback ad anello chiuso dei motori passo passo consente loro di conoscere esattamente la posizione. Inoltre, a basse velocità, questi motori offrono prestazioni superiori ai motori servo.

In generale, i motori passo-passo ad anello chiuso sono ideali per qualsiasi applicazione richiedente buone prestazioni a costi ridotti e la possibilità di azionare il motore a velocità relativamente basse.

Va ricordato che l’operatore deve sempre assicurarsi che l'azionamento (o il controllore) supporti il funzionamento ad anello chiuso. In passato si era ipotizzato di utilizzare motori stepper con un encoder montanto sul retro, ma l'azionamento era quello standard degli stepper e quindi non supportava l’encoder, il segnale doveva essere riportato al controllore e la posizione riverificata al termine di ogni movimento. Questo non è più necessario con l'anello chiuso in grado di gestire dinamicamente e automaticamente la posizione e la regolazione della velocità senza coinvolgere il controllore.

Fonte: MachineDesign





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