Pubblicazione “Automazione & Strumentazione” 09/13

Introduzione

Oggi stiamo assistendo sempre più alla ricerca, nei diversi settori industriali, dell‘ottimizzazione dei consumi e al miglioramento della performance tecnologica dei elettrodomestici e dei prodotti in generale… Le ragioni che portano ad una sempre maggiore attenzione verso il risparmio dei consumi è la consapevolezza che non è più possibile continuare a consumare energia elettrica e termica pensando a queste risorse come infinite, ma occorre cercare di ridurne al minimo indispensabile il loro utilizzo.

In quest’ottica di rinnovamento diviene interessante l’applicazione dei vantaggi forniti dalle nuove tecnologie come i motori passo-passo, visti come una soluzione energeticamente conveniente per far variare in modo progressivo le portate di fluidi o di gas e quindi operare un certo “risparmio” nell’utilizzo delle risorse.

VANTAGGI e svantaggi DEI MOTORI PASSO PASSO

I motori passo-passo sono dei dispositivi elettro-meccanici che presentano i seguenti vantaggi:

1. E’ possibile realizzare azionamenti di precisione controllati da computer in catena aperta (open loop), cioè senza utilizzare sensori di posizione o di velocità. Sono quindi utilizzabili con relativa semplicità e senza richiedere particolare potenza di calcolo.
2. Hanno un’elevata robustezza meccanica ed elettrica: infatti non esistono contatti elettrici striscianti o meccanici e, se necessario, possono essere realizzati anche in esecuzione completamente stagna.
3. E’ facile far compiere all’albero piccole rotazioni angolari arbitrarie in ambedue i versi e bloccarlo in una determinata posizione (controllo in micro stepping).
4. La velocità di rotazione può essere molto bassa anche senza l’uso di riduttori meccanici.
5. Possibilità di cambiare la velocità durante la corsa;
6. Possibilità di essere comandati in modo molto preciso;
7. Possibilità di mantenere la posizione di regolazione con un bassissimo consumo di energia elettrica;
8. Elevata precisione del motore al variare del carico ==> il posizionamento resta preciso anche con carichi elevati;
9. Il motore passo-passo ha una elevata coppia anche a basso numero di giri, e quindi consente di lavorare in applicazioni dirette senza un sistema di accoppiamento ad ingranaggi.

Per contro essi:

1. Richiedono sempre circuiti elettronici per il pilotaggio, in genere di tipo digitale.
2. Hanno un funzionano a scatti e con possibili vibrazioni, soprattutto ai bassi regimi e se si adottano le tecniche di pilotaggio più semplici (problema risolvibile lavorando con una logica di controllo a micro-stepping).
3. la potenza meccanica non è molto elevata (vedi fig. 3).
4. Difficilmente raggiungono velocità di rotazione elevate (velocità massima circa 2.400 rpm)

In definitiva essi sono dei motori che consentono di controllare con estrema precisione il posizionamento di un organo di regolazione meccanico. Pertanto trovano naturale applicazione in sistemi in cui la regolazione di una portata di acqua o di gas o di aria, ha una importanza rilevante.

Applicazione nel campo del idronico

Grazie alla loro precisione i motori passo-passo motivo possono essere utilizzati come organo di comando nelle valvole di miscelazione acqua calda- acqua fredda per avere a piacere o una regolazione in termini di temperatura o una regolazione in termini di portata.

Regolazione in termini di temperatura

La regolazione in termini di temperatura viene utilizzata per esempio nei sistemi di distribuzione del calore mediante valvole di ricircolazione, nei quali si miscela opportunamente l’acqua di ritorno dall’impianto dall’acqua prodotta dal generatore di calore. In questo modo è possibile produrre acqua a diverse temperature per servire con un unico generatore di calore ad esempio utenze dotate di sistemi di riscaldamento diversi. inoltre è possibile in questo modo dotare gli appartamenti collegati ad un impianto centralizzato, di una personalizzazione della temperatura dell’impianto di riscaldamento che si adatti, abitazione per abitazione, alle condizioni di esposizione presenti.

Regolazione in termini di portata

La regolazione in termini di portata invece è una regolazione che va a operare direttamente sulla portata del fluido che transita in un componente, senza controllarne la temperatura. E’ il caso per esempio delle valvole termostatiche che vengono montate per la regolazione della portata di acqua nei radiatori degli impianti di riscaldamento: con la loro motorizzazione è possibile regolare autonomamente l’apporto energetico di ogni singola stanza dell’appartamento. In tal modo è possibile per esempio ridurre il riscaldamento nelle stanza da letto, interrompere il riscaldamento della stanza in caso di arieggiamento del locale, ridurre al minimo la potenza del radiatore in caso di irraggiamento solare elevato, e così via.

Entrambi questi modi di regolare il riscaldamento consentono di ottenere un notevole risparmio energetico, che può arrivare anche a ridurre del 30% il consumo di gas annuo.

In conclusione, grazie all’utilizzo di motori passo-passo è possibile regolare la portata e la temperatura di un fluido, contenendo i consumi energetici ai valori minimi e sufficienti per garantire un elevato confort sia per il riscaldamento ambientale che per la produzione di acqua calda.

Applicazione nel campo del gas

Un’altra importante applicazione dei motori passo-passo trova riscontro nella regolazione della portata del gas combustibile. Questa regolazione consente la produzione di apparecchi con ampi livelli di regolazione della portata termica, chiamata in termini tecnici “capacità di modulazione”. Tanto più ampio sarà la capacità di modulazione di un apparecchio e tanto minori saranno i cicli di accensione e di spegnimento che, nelle caldaie tradizionali ON-OFF o a stadi, deprezzano il rendimento energetico dell’apparecchio. A causa delle recente apparizione sul mercato di apparecchi a condensazione è nata, oltre alla necessità di ampliare il range di modulazione della potenza, anche la necessità di avere un controllo della portata di gas che sia il più preciso e ripetitivo possibile.

Se il ciclo fosse aperto invece, quindi privo di un segnale di feedback, sarebbe fondamentale che gli organi di regolazione siano estremamente precisi, ripetivi e privi di isteresi.  Ecco che allora il sistema elettronico diventa solido e affidabile. Nella realtà le caldaie, lavorando in ciclo chiuso anche per motivi di sicurezza, si trovano a lavorare in condizioni che possono essere anche estremamente complesse e di difficile gestione: le cosiddette condizioni limite di funzionamento.

Queste condizioni limite devono essere verificate in laboratorio e nelle prove di omologazione, nelle quali l’apparecchio viene fatto funzionare con composizioni di gas che poco o nulla centrano con i gas distribuiti sul territorio, ma che servono per esasperarne i limiti di funzionamento.

Per ovviare a questi problemi, anche nel caso di un controllo a loop chiuso, è necessario utilizzare organi di regolazione precisi e privi di inerzia. in questo modo l’elettronica può comunque lavorare come se fosse diciamo a ciclo aperto, quindi posizionando gli organi di regolazione su delle curve “ideali” presenti nel micro processore e relegando le regolazioni “di fino” alla chiusura del loop di controllo. In questo modo si evita l’instaurarsi di condizioni di lavoro instabili. In quest’ottica un motore passo-passo ha una applicazione estremamente interessante.

Caratteristiche del motore passo-passo

Per proseguire con la trattazione è necessario ora approfondire quelle che sono le caratteristiche di un attuatore lineare dotato di un motore passo-passo.

La prima e principale caratteristica di un attuatore lineare è la sua corsa, ovvero il numero di millimetri che il suo l’albero può percorrere avanti o indietro; questa distanza viene limitata da un lato dalla battuta di arresto dell’albero nel suo ritorno all’interno del corpo dell’attuatore, dall’altro lato dal prevenire l’espulsione dell’albero dalla sede madrevite del rotore.

Un secondo aspetto molto importante è la forza di spinta dell’attuatore. Essa viene misurata normalmente in Newton ed è data da diversi aspetti, tutti legati alla intensità del campo magnetico che si riesce ad ottenere all’interno del motore passo-passo. Quindi per avere più forza è necessario avere magneti più performanti, con un alta capacità di magnetizzazione  Esistono pertanto magneti formati da materiali diversi più o meno performanti In alternativa a cambiare tipologia di materiale, è possibile aumentare il campo magnetico utilizzando magneti con maggior diametro o lunghezza, ma questo non corrisponde all’esigenza di realizzare apparecchi sempre più compatti.

Un terzo modo per agire sulla spinta dell’attuatore è tramite il sistema di alimentazione del motore: mediante il sistema RL o mediante un sistema di comando Chopper. Questi due modi di comandare il motore si possono tranquillamente applicare allo stesso motore: si va ad agire esclusivamente sul sistema di controllo e comando e non su fattori fisico meccanici del motore stesso. Ovviamente come si può osservare un sistema Chopper, arriva molto più velocemente alla tensione di pilotaggio del motore iph ma richiede una elettronica di gestione più complessa. Ovviamente la scelta su come pilotare un motore passo-passo dipende da una molteplicità di fattori e da una analisi comparata dei vantaggi e svantaggi.

Comando UniPolare o Bipolare

Un’altra caratteristica del motore-passo è la scelta del tipo di avvolgimento delle bobine di alimentazione: si può scegliere un avvolgimento uni polare o bipolare.

Ma prima di affrontare l’argomento dobbiamo prima capire il principio di funzionamento del motore passo.
Il motore e’ costituito da due parti principali: Da un lato il rotore che consiste in una serie di magneti permanenti distribuiti radialmente sull’albero di rotazione. Dall’altro lato lo statore costituito da elettromagneti in modo che, opportunamente alimentati, possano generare campi magnetici orientati.

Vantaggi del bipolare rispetto l’unipolare

Il vantaggio principale di un sistema con avvolgimento bipolare è che viene utilizzato sempre la totalità dell’avvolgimento in rame della parte statorica, questo consente una migliore efficienza, una maggior coppia a bassa velocità. Pertanto a bassa velocità è possibile utilizzare magneti più piccoli per avere la stessa coppia.

Voci correlate

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