Soggetti:
- Introduzione
- Motore passo-passo a magnete permanente (tipo PM)
- Motore passo-passo a riluttanza variabile (VR)
- Motore passo-passo ibrido
Introduzione:
Un motore passo-passo, come suggerisce il nome, può essere regolato in più passaggi. Il numero di passaggi può variare. A seconda dell'applicazione, il motore passo-passo può regolare da 4 a 200 passi per rotazione, che possono equivalere ad una rotazione controllata di 0,8° di rotazione del rotore.
La rotazione angolare di un motore passo-passo può essere determinata in modo molto accurato. Il motore passo-passo è fondamentalmente uno motore elettrico sincrono DC senza spazzole di carbone perché le parti e i metodi di controllo sono molto simili, ma si distingue comunque da questo motore DC per le seguenti proprietà:
- Un motore passo-passo ha una coppia relativamente elevata a basse velocità e può quindi avviarsi molto rapidamente da fermo;
- Il movimento di un motore passo-passo è lento e molto preciso. Il motore DC viene utilizzato per poter funzionare velocemente per lungo tempo;
- La velocità di rotazione e la posizione del motore passo-passo sono controllate da un segnale di controllo proveniente dall'unità di controllo. Ciò significa che non è richiesto alcun sensore di posizione o altra forma di feedback;
- Un motore passo-passo fa più rumore e provoca più vibrazioni rispetto a un motore DC senza spazzole.
Il motore passo-passo viene utilizzato in molti punti dell'auto per far sì che le parti eseguano un movimento elettrico controllato. Di seguito sono elencate tre applicazioni in cui è possibile trovare il motore passo-passo, ovvero: per il controllo del minimo, le mani nel cruscotto e le valvole del riscaldatore per il controllo della ventilazione.
Motore passo-passo per il controllo del minimo:
La valvola a farfalla di un motore a benzina è chiusa a riposo. È necessaria una piccola apertura per consentire al motore di girare al minimo. Anche il passaggio deve essere regolabile, poiché la temperatura e il carico (ad es. quando sono accese utenze come la pompa del climatizzatore) influenzano la quantità di aria aspirata necessaria.
Nei motori moderni la posizione della valvola a farfalla viene controllata con precisione. Troviamo anche sistemi in cui la valvola a farfalla è completamente chiusa e l'aria viene guidata attorno alla valvola a farfalla tramite un controllo di bypass. La circolazione dell'aria può essere realizzata tramite un motore DC controllato da PWM o tramite un motore passo-passo. Consulta la pagina relativa al acceleratore.
Le tre immagini sottostanti riguardano un motore passo-passo che funge da regolatore del minimo. L'apertura del bypass è comandata dall'albero con l'estremità conica. La rotazione dell'armatura del motore passo-passo provoca la rotazione dell'ingranaggio a vite senza fine.
- Girare in senso antiorario: la vite senza fine gira verso l'interno (grande apertura nel bypass);
- Rotazione in senso orario: la vite senza fine ruota verso l'esterno (piccola apertura nel bypass).
Pannello degli strumenti:
Il quadro strumenti è spesso dotato di più motori passo-passo per il misuratore del livello del serbatoio, il tachimetro, il contagiri, la temperatura del motore e nell'esempio seguente anche il misuratore di consumo sotto il contagiri. Di seguito è mostrato il quadro strumenti di una BMW.
Nella parte posteriore (interna) del quadro strumenti troviamo i cinque motori passo-passo con alloggiamento nero. A destra vediamo il motore passo-passo in questione senza alloggiamento. Qui si vedono chiaramente le due bobine e i quattro collegamenti (due a sinistra, due a destra) da cui riconosciamo il motore passo-passo bipolare. Il motore passo-passo può regolare gli aghi del puntatore a piccoli passi. Il comando per la regolazione proviene dall'ECU nel quadro strumenti.
Il diagramma seguente mostra gli ingressi e le uscite del driver del motore passo-passo. Questo è l'IC nel quadro strumenti che traduce le informazioni in entrata in un output per il motore passo-passo:
- livello del carburante nel serbatoio (galleggiante serbatoio);
- velocità del veicolo (generatore di impulsi nel cambio o sensori ABS);
- regime motore (sensore posizione albero motore);
- temperatura (sensore temperatura liquido di raffreddamento).
Nello schema a blocchi, le frecce rosse e verdi mostrano i collegamenti (da A a D) sulle bobine del motore passo-passo.
Valvole di guida dell'aria nella stufa:
Troviamo spesso motori passo-passo nelle valvole di sfogo aria a comando elettronico nei stufa. Le immagini seguenti mostrano una foto di una valvola della temperatura dell'aria (a sinistra) e un'illustrazione della posizione di installazione (a destra). Il motore passo-passo aziona la valvola tramite il meccanismo, dove il numero 4 nell'illustrazione indica il punto di articolazione. Se il motore passo-passo funziona in modo anomalo o dopo la sostituzione, è necessario rendere note le posizioni iniziale e finale nell'ECU. Con l'attrezzatura diagnostica possiamo apprendere gli arresti delle valvole, in modo che l'ECU sappia quando la valvola è completamente aperta o chiusa, in modo che possa anche determinare per quanto tempo dovrebbe azionare il motore passo-passo per aprire parzialmente la valvola.
Motore passo-passo a magnete permanente (tipo PM):
Questo tipo di motore passo-passo ha un rotore con un magnete permanente. Il vantaggio di questo motore passo-passo è la semplicità costruttiva e quindi il prezzo contenuto. Di seguito sono riportate le informazioni sul funzionamento di questo motore passo-passo.
Il rotore del motore passo-passo può effettuare una rotazione completa con diversi passaggi intermedi. Nell'esempio delle quattro immagini sottostanti vengono mostrati quattro passaggi intermedi per rotazione. Il rotore può quindi essere fermato ogni 90 gradi. Il motore passo-passo sinistro è in posizione 1, con il polo nord del rotore in alto e il polo sud in basso. Per spostare il rotore di 90 gradi in senso orario, la corrente alla bobina con i terminali C e D viene interrotta e l'altra bobina viene eccitata. Questo può essere visto nel secondo motore passo-passo. La scarpa polare di sinistra diventa rossa (il polo nord) e quella di destra diventa nera (il polo sud). Questo metterà il rotore in posizione 2.
Funziona in questo modo anche con le impostazioni 3 e 4; la bobina tra C e D è eccitata per la posizione 3, ma la corrente scorre nella direzione opposta rispetto alla posizione 1. La scarpa polare superiore è ora il polo nord e quella inferiore è il polo sud. Il rotore sarà ora nella posizione 3. Per la posizione 4, la bobina inferiore viene nuovamente eccitata e il rotore ruoterà nella posizione 4.
Il motore passo-passo a quattro velocità può essere arrestato ogni 90 gradi. Se questo non fosse sufficiente per l'applicazione per la quale viene utilizzato il motore passo-passo, è possibile impostarlo anche su otto passi. Ciò è possibile con lo stesso motore passo-passo, ma durante queste fasi intermedie entrambe le bobine verranno energizzate contemporaneamente.
L'immagine sotto mostra questi passaggi intermedi. Questi sono i passaggi da 5 a 8. Come puoi vedere, l'impostazione 5 si trova tra i passaggi 1 e 2. Lo stesso vale per la fase 6 (tra le fasi 2 e 3), ecc. Durante queste fasi intermedie attraverso entrambe le bobine scorre corrente.
Quando il rotore deve essere ruotato al passo 5, una corrente scorre sia nella bobina inferiore da A a B che nella bobina superiore da C a D. Quindi ora ci sono due poli nord (le scarpe polari rosse) e due poli sud (le scarpe polari nere). Il rotore sarà nella posizione 5.
Per ruotare il rotore di ulteriori 45 gradi (nella posizione 2), si applica nuovamente lo schema del motore passo-passo a quattro posizioni. La bobina inferiore verrà nuovamente eccitata per consentire alla corrente di fluire da A a B.
Se il motore passo-passo viene quindi ruotato di ulteriori 45 gradi (nella posizione 6), l'immagine sopra verrà applicata nuovamente, con entrambe le bobine energizzate.
Il motore passo-passo è sempre controllato da un dispositivo di controllo. I transistor nel circuito integrato del driver del dispositivo di controllo forniscono l'alimentazione e la scarica di corrente da e verso le espansioni polari. L'unità di controllo contiene otto transistor. Controllando correttamente questi otto transistor, il motore passo-passo farà un giro completo in quattro o otto passi. La rotazione può essere in due direzioni; sinistra e destra. Il dispositivo di controllo garantisce che i transistor corretti siano resi conduttivi.
Nell'immagine vediamo un motore passo-passo controllato da un dispositivo di controllo. I transistor 1 e 4 sono accesi. Per chiarire il controllo, i transistor e i fili sono colorati di rosso e marrone. Il transistor 1 (rosso) collega il terminale A al positivo e il transistor 4 (marrone) collega il terminale B a terra.
Poiché i transistor 2 e 3 non sono accesi, non vi scorre alcuna corrente. Se così fosse si verificherebbe un cortocircuito.
Nell'immagine il motore passo-passo viene ruotato un po' di più. A questo scopo anche i transistor 6 e 7 devono essere resi conduttivi.
Per consentire al motore passo-passo di ruotare ancora un po', si interrompe la conduzione dei transistor 1 e 4. Solo i transistor 6 e 7 continuano a condurre, facendo sì che il motore passo-passo assuma la posizione 3.
Per il passaggio successivo, i transistor 2 e 3 devono essere accesi.
Motore passo-passo a riluttanza variabile (VR):
Come il motore passo-passo a magnete permanente, il motore passo-passo a riluttanza variabile contiene poli dello statore con bobine. Si differenzia dal motore passo-passo discusso in precedenza per il suo rotore dentato in metallo ferromagnetico, come nichel o ferro. Ciò significa che il rotore non è magnetico. Questo tipo di motore passo-passo viene utilizzato raramente al giorno d'oggi.
La bobina dello statore su un lato (A) è avvolta in modo opposto rispetto alla bobina sull'altro lato (A'). Lo stesso ovviamente vale per B e B' ecc. I denti del rotore sono attratti dal flusso magnetico creato energizzando le bobine dello statore.
I vantaggi del motore passo-passo VR rispetto alla versione a magneti permanenti sono:
- Grazie all'assenza di magneti permanenti, la produzione del motore passo-passo VR è meno dannosa per l'ambiente;
- Non è necessario invertire la polarità delle bobine dello statore. Ciò consente un controllo più semplice;
Gli svantaggi sono:
- Coppia bassa;
- Bassa precisione;
- Maggiore produzione di rumore. Il numero di applicazioni, anche automobilistiche, è quindi limitato;
- A causa dell'assenza di magneti permanenti, non vi è alcuna coppia di tenuta quando si è fermi.
Motore passo-passo ibrido:
Il motore passo-passo ibrido ha un rotore dentato con magneti permanenti e uno statore dentato con otto bobine con un piccolo traferro tra rotore e statore. Il rotore è costituito da due ingranaggi sfalsati di 3,6° l'uno dall'altro. All'interno del rotore è presente un grande magnete. Due ingranaggi in acciaio vengono premuti sul magnete. Anche gli ingranaggi diventano magnetici grazie alla presenza del magnete. Un ingranaggio è magnetizzato come polo nord e l'altro come polo sud. Ogni dente del rotore diventa un polo magnetico. Si parla quindi di “rotore del Polo Nord” e di “rotore del Polo Sud”. A causa dello spostamento degli ingranaggi, i poli nord e sud si alterneranno durante la rotazione. Ogni ingranaggio ha 50 denti.
Nel momento in cui il driver del motore passo-passo conduce corrente attraverso una bobina dello statore, la bobina diventa magnetica. I poli nord delle bobine attrarranno i poli sud del rotore, facendolo girare.
Le tre immagini sottostanti mostrano il controllo delle due fasi (rossa e arancione) del motore passo-passo ibrido.
A. Il rotore del motore passo-passo ha ruotato nella sua posizione attuale (vedi figura) perché le bobine mostrate sono state rese magnetiche.
- L'ingranaggio verde è il polo sud, che è attratto dai poli nord sullo statore;
- I denti tra il rotore e lo statore sono allineati tra loro nei punti in cui è stato tirato il rotore. Per chiarezza tali punti sono indicati con un segno nero in tutte e tre le situazioni;
- L'ingranaggio rosso è dietro l'ingranaggio verde. Poiché gli ingranaggi vengono ruotati l'uno rispetto all'altro, i denti rossi sono visibili. I poli nord del rotore sono attratti dai poli sud dello statore.
B. Il controllo ha cambiato fase. Il campo magnetico tra le bobine arancioni e il rotore è scomparso. Ora le bobine della fase “rossa” vengono controllate, provocando la formazione del campo magnetico tra le bobine rosse e il rotore.
- Come risultato della commutazione del campo magnetico dalle bobine arancioni a quelle rosse, il rotore ruota di 1,8° in senso orario;
- Per ruotare il rotore in senso antiorario anziché orario, la polarità (direzione della corrente) doveva essere invertita attraverso i collegamenti rossi. Dopotutto, la direzione della corrente attraverso la bobina determina la direzione del campo magnetico e quindi la "posizione" dei poli nord e sud.
C. Il controllo ha cambiato nuovamente fase e il rotore ha nuovamente girato in senso orario di 1,8°.
- Vengono alimentate le stesse bobine della situazione A, ma la polarità sui fili arancioni è stata invertita;
- È possibile ruotare nuovamente il rotore in senso antiorario controllando le bobine come mostrato nella situazione B;
- Per far girare il rotore in senso orario si eccitano anche le bobine rosse, ma la polarità è invertita rispetto alla situazione B.
Negli esempi precedenti si può vedere che il rotore del polo nord è attratto da una bobina del polo sud e allo stesso tempo il rotore del polo sud è attratto da una bobina del polo nord. Ciò garantisce che il motore passo-passo ibrido esegua movimenti molto precisi e abbia anche una coppia elevata.
Il motore passo-passo ibrido può essere dotato di più coppie polari e più denti sul rotore, consentendo passi fino a 0,728° e 500 passi per giro.
