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da Bit79 » sabato 6 marzo 2010, 13:45
Ho già postato qualcosa sull'argomento, ma non ho voglia di cercarlo, faccio prima a riscriverlo.
Stepper e servomotori hanno concezioni di funzionamento molto diverse.
Lo stepper è un motore concepito per stare "fermo". E' possibile farlo ruotare semplicemente comandandogli in successione (più o meno rapida) di spostarsi in posizioni adiacenti. Questo ne fa un motore molto semplice da gestire e da pilotare, adatto a piccoli sistemi.
Per semplice intendo come logica di funzionamento, come elettronica di potenza è più complesso di un servo.
Per intendersi, ipotizzando per decenza un passo-passo in pilotaggio bipolare, esso richiede 8 transistor per essere pilotato, mentre un servo brushless ne richiede 6 e un servo DC ne richiede 4.
La logica ovviamente è la stessa nei motori piccoli e in quelli grossi, la potenza no. Quindi in un primo confronto i passo passo sono vantaggiosi per piccole potenze, i servo per le potenze maggiori.
Per potenze minime il pilotaggio dei passo-passo può essere ulteriormente semplificato, diventando unipolare, a tutto vantaggio dell'economicità . Però è una cosa che può essere fatta solo con motori molto piccoli.
I servo invece sono motori che per costruzione (i DC) o come logica di funzionamento (i brushless, che ricalcano elettronicamente i motori DC), una volta alimentati ruotano ad una certa velocità , e che necessitano quindi di essere controllati ad anello chiuso per poter stare (e inseguire) una posizione precisa. Serve quindi un adeguato sistema di feedback (encoder, resolver, riga ottica, ecc...) che rende il sistema più costoso.
Stessa conclusione del primo punto: il sistema di feedback e di controllo è lo stesso per motori piccoli e per motori grandi. E' chiaro che su quest'ultimi il suo costo sarà proprozionalmente inferiore.
Il controllo ad anello chiuso crea un indubbio duplice vantaggio ai servo rispetto ai passo-passo. Il primo è evidentissimo: se il motore non mi "sta dietro" il drive mi genera un allarme e posso fermare la macchina, limitando i danni. Il secondo, meno immediato molto utile, è che il sistema, avendo continuamente il controllo del motore, può dosare la sua potenza in funzione delle necessità (il passo-passo invece è sempre alimentato a corrente costante),sfruttarlo al limite e, per brevi periodi, anche oltre il limite dello stesso. Se guardate un datasheet di un qualuqnue servomotore, sia esso in DC o brushless, troverete due valori di coppia/corrente: quello nominale (a cui potete far funzionare il motore per tutto il tempo che volete) e quello di picco (sopportato per brevi periodi).
Il valore di picco è solitamente pari a 4-5 volte il valore nominale, e questo vi fa capire che scorta di potenza avete a disposizione con un motore servo rispetto a un passo-passo.
Un passo-passo invece, essendo alimentato a corrente costante, può erogare sempre al massimo la coppia nominale. Se la si supera si perdono passi, e il motore si ferma. Non ci sono circuiti che possono controllare l'errore, nè compensandolo nè rilevandolo.
Il passo-passo deve quindi essere sovradimensionato abbondantemente (il fattore 3 citato da massimo è adeguato) nelle peggiori condizioni, il servo può essere preciso o anche sottodimensionato.
Se pensioamo al funzionamento di una macchina a controllo numerico, avremo brevi periodi di richiesta di intensa coppia (le accelerazioni e le decelerazioni), e lunghi periodi di funzionamento quasi scarico. Un servo meglio si adatta a questi cicli di un passo-passo.
Altra differenza: i servomotori per costruzione e pilotaggio, solitamente sono in grado di fornire la stessa coppia in un range di velocità abbastanza ampio (solitamente 0-3000 rpm, ma anche più ampio). La caratteristica dei passo-passo invece decade molto al crescere della velocità e questo è un fattore pesantemente limitante per raggiungere le velocità desiderate. Come correttamente citato da massimo, aumentando la tensione di alimentazione di un passo-passo si riesce a mantenere la coppia fino a velocità maggiori, ma si tratta sempre di regimi inferiori a quelli di un servomotore.
Questo ci fa capire che stepper e servo non sono direttamente confrontabili a parità di coppia nominale: il primo non ci permetterà di sfruttarla mai tutta, il secondo ce ne può dare fino a 4-5 volte di più; il primo ce la potrà fornire solo fino ad un certo regime, il secondo fino ad un regime solitamente maggiore (quindi potremo raggiungere velocità maggiori, o ridurlo di più e avere più coppia).
Tutto dipende dalle prestazioni che vogliamo ottenere, e da che macchina abbiamo. Con macchine piccole un buon stepper, debitamente dimensionato, è sicuramente la soluzione più economica e sufficiente. Per macchine grosse utilizzare gli stepper può essere oneroso e non permette le stesse prestazioni di un servo.
A prestazioni di pura accelerazione del solo motore, credo che i servo siano decisamente superiori, proprio per la possibilità di "essere presi per il collo" nel momento del bisogno.
Un normale servo, senza carico collegato, riesce ad accelerare da 0 a 3000 rpm in pochi centesimi di secondo. Non sto scherzando! Ho sottomano i dati di un servo DC decisamente medio, e può andare da 0 a 3000 rpm in 4 centesimi di secondo (alla sua coppia di picco). Si capisce che l'inerzia del motore stesso è praticamente trascurabile rispetto a quella della macchina, anche con rapporti di riduzione elevati.
Montare un encoder su un motore stepper può essere fatto per 2 motivi:
- rilevare la perdita di passi in una macchina particolarmente "spinta". Ma qui si perde parte della filoofia dello stepper, cioè di mantenere bassi costi e semplicità
- cambiare la filosofia di pilotaggio, realizzando un pilotaggio dinamico che possa far guadagnare qualcosa in termini di coppia massima. Ma si tratterebbe di replicare il sistema di controllo dei brushless, con in più il fatto di utilizzare un motore e una elettronica di potenza più costosi.
In entrambi i casi mi sembra inutile la soluzione e sarebbe migliore valutare se passare ai servo.
Esiste un terzo caso in cui si potrebbe pensare di utilizzare una retroazione sugli stepper: quei casi in cui si vogliono controllare i giochi della trasmissione, istallando il trasduttore a valle della trasmissione stessa (es. utilizzando righe ottiche sui carri o encoder a valle di riduttori).
Questo però è un caso differente, che sarebbe necessario comunque anche con i servo (che però abbisognano ugualmente di un trasduttore montato sul motore).
La retroazione con trasduttore dopo la trasmissione è una miglioria di entrambi i sistemi, e quindi non condiziona nella scelta.
Considerazioni finali.
Passo-passo:
-semplici da utilizzare
-economici per piccole potenza
-regimi di rotazioni medio-bassi (adatti quindi a macchine piccole, anche utilizzati in diretta)
-necessità di abbondante sovradimensionamento
-diventano onerosi al crescere della potenza
-problema di perdita di passi in caso di dimensionamento errato o problemi di natura meccanica
Servo:
-necessitano sempre della retroazione, che comporta costi e tarature in più
-il costo della regolazione e del trasduttore penalizzano le bassissime potenze
-regimi di rotazione elevati (può essere un vantaggio, ma a volte serve ridurre)
-possono essere sfruttati al limite, ed eventualmente sottodimensionati
-più economici per potenze elevate
-maggiore affidabilità del controllo: o tengono la posizione o comunque generano un allarme
-accelerazioni più rapide
Il confronto è quindi difficile da fare se non si danno specifiche di utilizzo... dipende dalle applicazioni.
Faccio un esempio. Su una macchina con viti passo 10 sono montati iin presa diretta motori stepper da 12 Nm (massimo non me ne voglia, mi sa che ho preso la sua macchina come esempio). Considerando un regime di lavoro accettabile dei motori di 2000 passi al secondo (già buona, si ha già perdita di coppia) si avrebbe una velocità massima di 6000 mm/min (con motori da 200 passi giro).
Se sulla stessa macchina ci vado a montare dei servo da 1,6 Nm e 3000 rpm otterrei delle velocità di 30.000 mm/min! Posso ridurre e recuperare la coppia che apaprentemente manca, ma è possibile che ma macchina funzioni ugualmente.
Se i motori stepper erano stati correttamente dimensionati, la coppia massima richiesta non dovrebbe superare i 4 Nm. Stiamo stretti e facciamo 6 Nm. il servo proprosto, nonostante la coppia nominale decisamente inferiore a quella dello stepper, mi permette una coppia massima di 8 nm, che può essere ritenuta sufficiente per le richeiste di coppia, solitamente transitorie.
Se riduco la trasmissione (1:5) per mantenere la stessa velocità massima ho a disposizione una coppia nominale di 8 Nm e una di picco di 40 Nm. Probabilmente in questo caso il servo da 1,6 Nm è eccessivo, è può essere scelto un motore più piccolo.
Ciao a tutti!
Non accontentarti mai, scegli gli strumenti giusti, usali bene, non accettare compromessi, pretendi il successo. Poi ricomincia da capo.
