Guida Completa al Controllo dei Motori Passo-Passo

Nel mondo dell’elettronica, i motori passo-passo rappresentano un elemento fondamentale per una vasta gamma di applicazioni. Questo articolo è progettato per fornire una guida esaustiva ai principianti che vogliono comprendere il funzionamento di un motore passo-passo e imparare come controllarlo in modo efficace. Esploreremo i concetti di base relativi ai motori passo-passo, focalizzandoci su due tipi principali: i motori bipolari e quelli unipolari.

Motori Bipolari: Un motore passo-passo bipolare è composto da quattro fili e due bobine. Per farlo ruotare, è necessario far passare corrente attraverso le bobine. Ogni filo deve essere in grado di essere portato sia in stato alto che basso. Vediamo come gestire la corrente per far ruotare il motore passo-passo.

Per comprendere il funzionamento, consideriamo un motore passo-passo semplice con solo quattro passi. Nella prima fase, allineerà il magnete con la prima bobina. Il passo successivo farà ruotare il magnete di 90 gradi. L’invio di corrente all’indietro attraverso la prima bobina inverte la polarità magnetica. Le bobine opposte sono connesse ma generano campi magnetici opposti rispetto al magnete centrale.

Naturalmente, la maggior parte dei motori passo-passo ha più di 4 passi. Un motore passo-passo standard avrà 200 passi per una rotazione completa. Questa modalità di rotazione è chiamata “full-stepping”. La “half-stepping” è abbastanza semplice una volta che hai il full-stepping funzionante. Puoi far passare corrente attraverso entrambe le bobine contemporaneamente, raddoppiando così la tua risoluzione.

I driver per motori passo-passo possono anche utilizzare la “microstepping”, che modula la corrente attraverso le bobine. Un controller tipico può implementare 16 micro-passi per ogni passo completo. Alcuni chip gestiscono la modulazione della corrente, ma quelli più datati devono essere “tarati” per il motore passo-passo che comandano. La “microstepping” suddivide ulteriormente i passi completi fino a 256 micro-passi, consentendo a un tipico motore da 200 passi di diventare un motore da 51.200 passi! La “microstepping” riduce anche il rumore nel motore e lo rende più fluido ed efficiente.

Controllo della Corrente in una Bobina: La configurazione più comune per controllare la corrente negli avvolgimenti è utilizzare un circuito noto come “H-bridge”. Si tratta di un insieme di quattro transistor che possono portare ciascun filo sia in stato alto che basso. Puoi anche usare MOSFET al posto dei transistor, ma il cablaggio sarà leggermente diverso. Questo diagramma mostra come puoi far passare corrente in entrambe le direzioni attraverso l’H-bridge. Devi solo attivare i transistor nel percorso desiderato.

Devi assicurarti che non siano mai attivi contemporaneamente due transistor sullo stesso lato dell’H-bridge, poiché ciò creerebbe un cortocircuito nel tuo circuito. Inoltre, tieni presente che i transistor possono richiedere un po’ di tempo per passare dallo stato di attivazione allo stato di disattivazione, quindi non è consigliabile commutare rapidamente la corrente attraverso la bobina a meno che tu non sappia cosa stai facendo.

Inoltre, un motore in rotazione genera tensione, quindi è una buona idea aggiungere diodi di “flyback” per proteggere i transistor. Questi diodi prevengono l’accumulo di tensione elevata nel motore, che potrebbe danneggiare i tuoi transistor o persino il tuo driver.

Infine, se la tensione di alimentazione del motore passo-passo è superiore alla tensione di uscita del tuo MCU, dovrai aggiungere un ulteriore transistor per controllare i transistor PNP. L’attivazione dei transistor NPN aggiuntivi consentirà al flusso di corrente di uscire dalla base del transistor PNP (pin 1), attivandolo. Tutto ciò di cui hai bisogno ora sono resistori limitatori di corrente sulla base di tutti i transistor NPN.

Questo è tutto! Con questa configurazione dell’H-bridge, puoi controllare la corrente attraverso uno dei due avvolgimenti. Poiché ci sono due avvolgimenti, dovrai duplicare questo circuito.

Ora hai una panoramica completa dei componenti necessari per il tuo motore passo-passo. Puoi scegliere tra diverse opzioni, come l’uso di driver per motori passo-passo integrati o la costruzione di un H-bridge personalizzato. I driver solitamente utilizzano MOSFET e altre tecniche per il controllo della corrente. Prima di procedere, ti consiglio di consultare attentamente il datasheet del chip per capire cosa offre.

Microstepping: La “microstepping” coinvolge l’invio di un segnale a modulazione di larghezza dell’impulso (PWM) ai transistor. Questo è un modo efficace per controllare la corrente nella bobina del motore passo-passo. I valori PWM scelti in anticipo vengono inseriti in una tabella di lookup sinusoidale. Di solito si sceglie una frequenza PWM compresa tra 20 e 40 kHz. Frequenze inferiori a 20 kHz possono essere percepibili all’orecchio umano. La frequenza viene mantenuta al di sotto dei 40 kHz per aumentare l’efficienza e ridurre la dissipazione di potenza nei transistor. Quando il segnale PWM è alto, la corrente passa attraverso i transistor. Quando il segnale PWM è basso, la corrente passa attraverso i diodi. Questa è una rappresentazione molto semplificata della “microstepping”, ma fornisce un’idea generale di come funziona. I driver per motori che utilizzano i MOSFET possono controllare la velocità di diminuzione della corrente del motore o il decadimento. La forma d’onda della corrente per i driver assomiglia di più a questa:

Tuttavia, è importante ottimizzare manualmente i periodi di decadimento veloce e lento per il motore che stai utilizzando. Alcuni chip nuovi regolano automaticamente i periodi di decadimento in base alla corrente che rilevano, ma i chip più vecchi potrebbero richiedere ottimizzazioni o tarature manuali.