Un motore elettrico è una macchina che permette di convertire un segnale elettrico in una potenza meccanica. I principali componenti interni sono lo statore e il rotore che, attraverso un campo magnetico, generano una potenza meccanica necessaria. Esistono tanti tipi di motori e i principali sono i motori passo passo. I motori passo passo o stepper motor sono alimentati da impulsi elettrici; a ogni impulso eseguono una rotazione delle parti meccaniche ben definita; principalmente si tratta di una conversione del segnale numerico in ingresso in una forza meccanica applicata all’albero.
Fino a poco tempo fa, insieme al motore in continua, era il principale motore utilizzato negli azionamenti elettrici. Il motore passo passo viene utilizzato per piccole potenze; non appena la potenza cresce diventa necessario utilizzare altri tipi di motori, a causa soprattutto del suo ingombro, che aumenta con l’aumentare della potenza meccanica necessaria. Tuttavia, può essere considerato un buon attuatore di posizione, per esempio, per il controllo di motori idraulici e per controlli di micro-spostamenti nel campo dell’ottica.
Il circuito in figura 1 mostra un esempio di motore passo passo a 4 fasi con 2 coppie di circuiti magnetici (espansione polari) per il controllo del flusso. Il pilotaggio può essere fatto collegando in serie i due avvolgimenti di ciascuna espansione, ottenendo un motore a due fasi. Questo pilotaggio è decisamente migliore in quanto invertendo la polarità di alimentazione si ha una diversa rotazione.
Per pilotare (Fig. 2) dei motori (in questo caso, stepper motor) si ricorre a dei transistor. Analizzando il circuito di figura 2, si osserva che quando alla base dei transistor viene inviato un segnale logico ‘1’, sul morsetto del collettore e quindi dell’avvolgimento del motore si presenta un segnale logico ‘0’; pertanto sarà necessario invertire la sequenza logica. Come driver si può pensare al ULN2803A, che contiene al suo interno 8 Darlington, protetti con un diodo di ricircolo.
Il diodo di ricircolo serve per evitare ai circuiti induttivi una brusca variazione di corrente, che può causare un’elevata tensione sui transistor tale da danneggiarlo.
Ovviamente i Darlington dovranno essere opportunamente comandati attraverso un semplice microcontrollore, per esempio il PIC16F84 o simili. Oggi ne esistono molti più efficienti e migliori. Quindi, un semplice controller per motori può essere opportunamente progettato servendosi di driver con transistor per pilotaggio e di un microcontrollore per la gestione. Un semplice schema può essere visualizzato in figura 3.
Fig. 3 – Semplice circuito di pilotaggio
Lo step successivo sarà quello del design software, ovvero programmare il PIC per poter attivare e gestire il motore. Molte case costruttrici di sistemi di controllo mettono a disposizione delle librerie (di solito per C ma anche per altri software di programmazione quali Matlab, Labview) in modo che il progettista possa creare una interfaccia grafica (GUI) per gestire le funzionalità del motore.
Un possibile IC per il controllo di motori passo passo è l’integrato di Allegro Microsystems A3979 (Fig. 4) progettato appositamente per il controllo di tali motori bipolari (35 V e 2.5 A) per full step, ma anche per altri step quali 1/4 e 1/16. Correnti di assorbimento fino a 2,5 A.
Fig. 4 – Microstepping driver motor A3979
L’A3979 è un driver per motori passo passo con un traduttore built-in per microstepping; comprende un regolatore di corrente off-time che permette di operare in vari modi, quali slow, fast o mixed. Quest’ultimo permette la riduzione del rumore del motore riducendo a sua volta la potenza dissipata. Il traduttore integrato nel chip è la chiave della facile implementazione del A3979; consente l’ingresso a un semplice impulso sul pin STEP per guidare il motore in microstep, che può essere full step, half step o altri a seconda della combinazione di bit negli ingressi MS1 e MS2 (Fig. 5).
Non ci sono tabelle di sequenza di fase, linee di controllo o interfacce complesse da programmare. L’interfaccia A3979 può rappresentare la soluzione ideale per applicazioni in cui un microprocessore complesso non è disponibile e garantisce una migliore dissipazione della potenza durante il funzionamento PWM. A3979 è dotato, inoltre, anche di un circuito interno di protezione che comprende lo shut down termico con isteresi, UVLO (undervoltage lockout) blocco della sovratensione e la protezione per la corrente di cross over. L’A3979 è fornito in un basso profilo (altezza ≤ 1,20 mm), TSSOP a 28 pin (package lead free).
Un altro driver IC per motori passo passo è il DRV8811 di Texas Instruments. Il DRV8811 (Fig. 6) fornisce una soluzione integrata per motori passo passo con applicazioni soprattutto per stampanti e scanner. Il dispositivo è dotato di due driver H-bridge, nonché di una logica microstepping per il controllo del motore. Il blocco di uscita è costituita da Mosfet di potenza N-channel configurati come full H-bridge. Il dispositivo, inoltre, permette alcune modalità di funzionamento e in particolare protezioni contro sovracorrente e cortocircuito. Il DRV8811 è costruito in un package HTSSOP 28 pin.
Fig. 6 – DRV8811
Dopo aver analizzato i motori passo passo, di seguito saranno presi in considerazione altri tipi di motori. Il motore a corrente continua, chiamato così perché lavora con tensione e/o corrente costante, è formato come gli altri motori da due parti: rotore e statore. Il funzionamento segue la legge di Lorentz. Il Controllore (Fig. 7) dovrà essere un sistema feedback in modo da confrontare istante per istante il valore che si vuole ottenere con quello raggiunto dal sistema; il controllore non fa altro che alimentare il motore finché non raggiunge l’obiettivo, cioè la posizione desiderata. L’azione del controllore avviene per mezzo di 3 opportune fasi che possono essere identificate nei cosiddetti processi PID: azione proporzionale, integrativa e derivativa.
Un esempio di controllore è rappresentato dal DRV8840 di Texas Instruments che rappresenta una buona soluzione per il controllo di motori per stampanti e scanner. Il dispo
sitivo presenta un driver H-bridge ed è destinato per pilotare motori DC. La capacità del driver H-bridge è quella di pilotare in avanti e indietro il motore a qualsiasi velocità, opzionalmente utilizzando una sorgente di alimentazione indipendente. Un design per driver H-bridge può essere implementato con transistor bipolari oppure FET/Mosfet.
Il DRV8840 (Fig. 8) è in grado di fornire corrente fino a 5 A di picco o 3,5 A come corrente di uscita; saranno necessari opportuni dissipatori di calore.
Fig. 8 – DRV8840
Varie modalità di lavoro sono opportunamente programmate, quali arresto o accelerazione; sono previste funzioni di arresto per protezioni contro sovracorrenti. Un possibile schema di controllo per motori DC può essere rappresentato dalla figura 9. La corrente massima che attraversa l’avvolgimento è regolato da una frequenza fissa PWM. Quando il driver H-bridge è abilitato, la corrente aumenta attraverso l’avvolgimento a una velocità dipendente dalla tensione DC e induttanza dell’avvolgimento stesso.
Fig. 9 – Schema di applicazione con DRV8840
Quando la corrente raggiunge la soglia, il driver H-bridge disabilita la corrente fino al prossimo ciclo PWM. Per motori DC la regolazione della corrente è utilizzata per limitare l’avviamento e la corrente di stallo del motore stesso.
Il controllo della velocità è tipicamente eseguito attraverso un segnale PWM esterno ai pin ENBLx. È possibile disattivare la funziona di regolazione della velocità collegando i pin iSense direttamente a massa e il pin VREG al pin V3P3.