Motorul pas cu pas

Motorul pas cu pas

Ce este un motor pas cu pas?

Este un motor brushless, sincron care transforma impulsurile de comanda in miscare de rotatie. Acestea pot imparti o rotatie completa de 360˚ a axului intr-un numar discret de pasi. O caracteristica importanta care il diferentiaza de motorul DC este faptul ca puterea consumata este constanta, independenta de cuplul rezistiv. Puterea este egala cu produsul dintre viteza unghiulara si cuplu, ceea ce inseamna ca daca se doreste cuplu mare viteza trebuie sa scada, iar la viteze mari cuplul este mic.  

Fig1: Caracteristica cuplu viteza

Observatie

Motoarele pas cu pas nu se desfac, deoarece dupa reasamblare nu vor mai functiona la parametri nominali. Exista doua explicatii: magnetii isi pierd repede proprietatile magnetice daca circuitul magnetic nu este inchis (in cazul in care rotorul este indepartat din carcasa motorului); intrefierul isi modifica valoarea, ceea ce duce automat la modificarea caracteristicilor motorului.

Tipuri constructive:

Exista trei tipuri de motoare pas cu pas:

a) Motoare cu reluctanta variabila (VR): Rotorul este realizat din fier moale si cu infasurarile pe stator. Realizeaza miscari de rotatie ale axului intre 5˚ si 15˚ cu o viteza ridicata, dar nu isi poate mentine pozitia axului pe durata lipsei tensiunii de alimentare a bobinelor din care este realizata infasurarea satorica.

Fig2: Motor pas cu pas cu reluctanta variabila

b) Motoare cu magneti permanenti (PM): La acest tip constructiv infasurarile sunt realizate pe stator dar rotorul este realizat din magneti permanenti fara dinti, magnetizati perpendicular pe axa care separa polii. Daca bobinele sunt energizate secvential rotorul se va roti prin atractie magnetica. Aceste motoare realizeaza miscari ale axului de 45˚ sau 90˚ cu un cuplu ridicat dar la viteze de rotatie mici.

Fig3: Motor pas cu pas cu magneti permanenti

c) Motoare hibride: Sunt o combinatie a primelor doua tipuri constructive. Functioneaza la viteze mari si cuplu dinamic mare. Beneficiaza si de asa numitul "detent torque", adica un cuplu care asigura mentinerea fixa a pozitiei axului si pe durata lipsei energizarii bobinelor.

Fig4: Motor pas cu pas hibrid

In figura de mai jos se poate vedea o sectiune printr-un motor hibrid.

Fig5: Motorul pas cu pas hibrid

Clasificarea dupa tipul infasurarilor din stator:

a) Motoare pas cu pas unipolare

Fig6: Motorul pas cu pas unipolar

In figura de mai sus se poate observa ca statorul e compus din cate doua bobine pe pol, care au unul din inceputuri legate impreuna. Putem privi aceste infasurari si ca o bobina pe pol, dar cu priza mediana. La acest tip constructiv circuitul de comanda este simplu, fiind nevoie doar de un element de comutatie pentru fiecare bobina, deoarece pentru a obtine miscarea de rotatie a axului motorului sensul curentului prin bobinele din statorul motorului nu trebuie schimbat. Daca se lasa neconectate inceputurile comune ale bobinelor, motorul pas cu pas unipolar poate fi privit ca un motor bipolar.

b)    Motoare pas cu pas bipolare

Fig7: Motorul pas cu pas bipolar

Acest tip constructiv de motor are o infasurare pe pol. Pentru a obtine miscarea de rotatie a axului, sensul curentului prin bobine trebuie schimbat, si de aici apare si necesitatea unui circuit de comanda mai complex, de obicei o punte H utilizata si la comanda motoarelor de curent continuu in doua cadrane. La aceeasi greutate motoarele bipolare dezvolta un cuplu mai mare decat cele unipolare.

c) Motoare pas cu pas "8 - lead"

Fig8: Motorul pas cu pas "8 - lead"

In realitate acestea nu constituie o categorie aparte dar se diferentiaza prin faptul ca au 8 fire, adica 4 bobine (2 pe pol) cu ambele capete accesibile la exterior. Prin diverse conexiuni pot fi folosite ca si motoare unipolare sau bipolare dupa cum urmeaza:

Unipolare

Bipolare in serie: Se obtine un curent mai mic consumat de motor deoarece inductanta bobinelor se dubleaza si se obtine un cuplu ridicat la viteze mici.

Bipolare in paralel: Se obtine un cuplu  mai mare la viteze mari dar in acelasi timp si curentul prin motor va creste.

Bipolar cu o singura bobina pe faza: Se va folosi o singura bobina pe pol.

Fig9a: Conexiunea serie Fig9b: Conexiunea paralel

Comanda motoarelor pas cu pas unipolare:

Trebuie spus de la inceput ca desi e cel mai simplu si cel mai ieftin mod de comanda a unui motor pas cu pas, se obtine un cuplu cu aproximativ 30% mai mic decat in cazul unui motor bipolar.

Acest tip de driver poarta numele de L/R driver sau driver in tensiune constanta. Asta inseamna ca pentru energizarea bobineor se foloseste o tensiune constanta.Valoarea maxima a curentul care strabate infasurarile depinde astfel de rezistenta ei si de tensiune I=U/R.  Inductanta bobinei determina variatia maxima in timp a curentului di/dt=UL. Astfel viteza maxima cu care se poate comanda un motor pas cu pas unipolar cu un astfel de driver depinde de inductanta L a infasurarii, pentru ca peste o anumita viteza curentul nu va mai tine "pasul" cu tensiunea. Se poate aduce totusi o imbunatatire unui astfel de driver prin modificarea partii electronice (care se mai complica putin) si folosirea o doua surse de tensiune. Prima sursa de tensiune, de valoare mai mare decat cea nominala, va fi folosita pentru alimentarea infasurarii pentru o perioada scurta, doar pentru a creste viteza de variatie a curentului pana acesta ajunge la valoarea sa nominala. In acest moment prima sursa de tensiune este decuplata iar bobina va fi alimeatata in continuare de cea de-a doua sursa de tensiune (de valoare nominala) care va mentine curentul constant (la valoarea maxima) in restul perioadei cat bobina este energizata.

Partea de forta, driver-ul, este alcatuit dintr-un element de comutatie pentru fiecare bobina, iar o schema completa este prezentata in figura de mai jos:

Fig10: Schema electrica a unui driver pentru motorul pas cu pas unipolar

In schema de mai sus elementul de comanda este reprezentat de tranzistori C-MOS, care rezista la curenti mari. Trebuie alesi tranzistori cu rezistenta Drena-Sursa (R_DS ) cat mai mica astfel incat si puterea disipata pe ei sa fie cat mai mica.

Comanda se va aplica la intrarile A_IN, B_IN, C_IN si D_IN corespunzatoare cate unei bobine. Ea se poate aplica cu ajutorul unui microcontroler (patru pini folositi ca si iesiri digitale) sau cu ajutorul portului paralel al PC-ului. Daca la una din intrari se va aplica 1 logic atunci elementul de comanda (tranzistorul C-MOS) va comuta iar bobina va fi energizata. Daca comanda se face ca si in tabelele de mai jos axul motorului se va roti cu un pas sau jumatate de pas dupa cum se poate observa.

Tabelul1: Secventa de comanada pentru un pas

Tabelul2: Secventa de comanda pentru jumatate de pas

Practic pentru comanda "full step" o rotatie de 360 s a axului motorului e impartita in 200 de secvente de comanda, obtinandu-se o rotatie a axului, pentru un impuls de comanda, cu 1.8s.

Comanda "half step" imparte o rotatie de 360 s a axului motorului in 400 de secvente de comanda, obtinandu-se o rotatie a axului, pentru un impuls de comanda, cu 0.9s. Fata de comanda "full step" se obtine o precizie mai ridicata cat si o rotatie mai lina a axului, dar in acelasi timp va scadea si cuplul motorului.

Daca se doreste o ratie continua a axului aceasta secventa se va repeta intr-o bucla infinita (sau intr-o bucla, de un numar de ori egal cu numarul de pasi doriti).

Comanda motoarelor pas cu pas bipolare:

Fig11: Schema electrica a unei punti H

Acest tip constructiv de motoare pas cu pas are cate o infasurare pe fiecare pol. Comanda acestui tip de motor pas cu pas presupune si schimbarea sensului curentului prin bobina. Astfel nu mai poate fi folosit un circuit de comanda cu doar un element de comutatie pentru fiecare dintre cele doua infasurari. Un tip de driver foarte raspandit este alcatuit din doua punti H, una pentru fiecare bobina.

Dupa cum se observa in figura de mai sus o punte H are patru elemente de comanda, fiind capabila sa asigure inversarea sensului curentului.

Acest tip de driver nu mai este considerat in tensiune constanta ci in curent constant, deoarece actioneaza ca un chopper. La fiecare nou pas o tensiune mare (in comparatie cu cea folosita la driver-ele L/R) se aplica infasurari. Acest lucru duce la o crestere rapida a curentului in bobina (di/dt=U/L). In plus fata de puntile H driver-ul, in partea sa de comanda contine si niste comparatoare care monitorizeaza curentul prin infasurari. Cand acesta depaseste o anumita limita (valoarea nominala), valoarea tensiunii la bornele bobinei devine 0, iar in momentul in care curentul scade din nou sub acea limita valoarea tensiunii la borne redevine cea a sursei de alimentare, mentinandu-se astfel curentul la o valoare "constanta".

Concluzii:

Driver-ele L/R folosite pentru comanda motoarelor pas cu pas unipolare sunt ieftine si mai simple dar viteza de comanda este destul de redusa. In schimb driver-ele de tip "chopper" pot atinge o viteza de comanda mai ridicata. In plus motoarele biploare au un cuplu mai ridicat cu aproximativ 30-40% decat cele unipolare.

https://en.nanotec.com/steppermotor_animation.html