CIRCUITO DI COMANDO DEL MOTORE PASSO-

PASSO

 

 

ANALISI CIRCUITALE

La rete è costituita essenzialmente da tre parti:

 

1.       circuito logico che realizza la sequenza di pilotaggio delle fasi secondo la tabella di funzionamento del motore;

2.      circuito di potenza atto a fornire la necessaria corrente di lavoro negli avvolgimenti statorici.

3.      motore passo-passo unipolare a 4 fasi

 

Analisi circuito logico

Osservando le tabelle precedenti si nota che per far ruotare un motore passo-passo è necessario generare un'opportuna sequenza di segnali logici. Questo può essere ottenuti in vari modi:

• Attraverso un circuito integrato specializzato. In genere è il sistema più utilizzato. Per il controllo sono in teoria necessari due soli segnali: uno per la direzione (indicato con le sigle CW e CCW, cioè orario ed antiorario, corrispondenti allo scorrimento della tabella dall'alto in basso o viceversa) ed un clock che, per ciascun impulso, fa ruotare il motore di un passo nella direzione voluta, cioè scorre una riga della tabella. In genere sono disponibili altri pin ausiliari: scelta del funzionamento wave-mode, dual-phase o half-step, spegnimento di tutte le fasi, varie uscite di controllo utili per verificare lo stato del motore (eccessiva temperatura, cortocircuito, bassa tensione di alimentazione...). Classici integrati di questo tipo, ancora ampiamente utilizzati anche se tecnicamente superati, sono SAA1027 per motori unipolari e L297 per motori bipolari.
• Attraverso circuiti digitali generici. Una scelta raramente opportuna, a meno di avere necessità particolarmente semplici (ad esempio serve la rotazione in un solo verso) oppure di disporre di integrati digitali programmabili.
• Attraverso il pilotaggio diretto da parte di un processore. Utile per risparmiare sul numero dei componenti, anche a scapito dell'efficienza computazionale.

Nel nostro caso si è deciso di realizzare un circuito logico, il contatore Johnson, che esegue la sequenza di pilotaggio delle fasi di un motore passo-passo unipolare nella modalità full-step:

                                                            

CK	A	B	C	D
1	0	1	1	0
2	1	0	1	0
3	1	0	0	1
4	0	1	0	1
1	0	1	1	0

 

 

 

 

 

Per quanto riguarda il circuito integrato si è utilizzato il 74LS112 di cui si riporta la piedinatura

 

 

 

Analisi circuito di potenza

 

La seconda parte della rete è costituita da un circuito di potenza il quale fornisce la necessaria corrente di lavoro negli avvolgimenti statorici. Si noti l’utilizzo del transistor di tipo NPN BD137 utilizzato in configurazione interruttore.

 

Dunque possono presentarsi due situazioni differenti:

§               BJT interdetto, assimilabile ad un circuito aperto;

§               BJT saturo, assimilabile ad un corto circuito.

 

Il Diodo di protezione. Si nota nella figura precedente la presenza del diodo D che ha funzioni protettive. Ciascun avvolgimento del motore passo-passo è sostanzialmente un induttore, cioè un oggetto che tende a mantenere costante la corrente che in esso scorre. Quando un transistor si apre, la corrente istantaneamente dovrebbe andare a zero; l'induttore tende però ad impedire questo repentina diminuzione e per fare questo tende a far salire la tensione sul collettore del transistor (si immagini il transistor che, improvvisamente, sia diventato una resistenza molto elevata in cui l'induttore tenta di far passare una corrente elevata: per la legge di ohm, la tensione deve salire). La tensione arriva facilmente a centinaia di volt, danneggiando il transistor stesso. Tale tensione è spesso chiamata "di fly-back". Per evitare questo fenomeno distruttivo viene inserito in parallelo alla bobina del motore un diodo che fornisce alla corrente una via alternativa a quella del transistor nel momento in cui questo si apre. Il catodo va connesso alla tensione di alimentazione: in pratica la corrente va "in salita".

I diodi da utilizzare devono avere due caratteristiche fondamentali:

• Essere veloci, cioè essere capaci di passare in poco tempo dalla condizione di non passaggio di corrente a quella di conduzione e viceversa. In genere sono richiesti tempi di intervento dell'ordine dei 100 ns o anche meno. Per questo motivo non sono adatti per esempio i comuni 1N4001, troppo lenti.
• Essere capaci di gestire correnti elevate in quanto al momento dello spegnimento tutta la corrente del motore passa nei diodi, ed in genere si tratta di ampere. Per questo motivo non sono adatti per esempio i comuni 1N4148, che sopportano correnti dell'ordine dei 100 mA.

La resistenza R. Inserite in serie alle fasi del motore, hanno il compito di rendere più rapida la risposta in transitorio. Infatti senza R il tempo di assestamento della corrente è dato dalla relazione:

 

 

dove L e R_L  sono rispettivamente l’induttanza e la resistenza di ogni avvolgimento. Con l’inserimento della resistenza R, di qualche decina di ohm, si ha:

con evidente diminuzione del tempo di assestamento. La resistenza R non può essere troppo grande altrimenti si deve aumentare eccessivamente la tensione di alimentazione per lasciare inalterato il valore delle correnti di fase.

Nella figura 78 si mostrano i circuiti di comando per motori passo passo che fanno uso di integrati specializzati. Entrambi consentono di pilotare direttamente morùtori cin alimentazione 12V e corrente nelle fasi di 500mA. Tutti gli ingressi sono TTL/CMOS compatibili. Sull'ingresso di clock si inviano gli impulsi di comando la cui frequenza è pari al numero di passi al secondo che si vuole ottenere dal motore. L'ingresso direzione definisce con il suo stato logico 0/1 la rotazione in senso orario o antiorario, rispettivamente. L'ingresso reset per l' SAA1027, se al livello alto, disabilita il funzionamento del dispositivo. L'ingresso FULL/HALF STEP stabilisce il modo di funzionamento: 0 Full-Step; 1 Half-Step. La resiatenza R_BIAS dipende dal tipo di motore e il suo valore consente di polarizzare correttamente i transistor di potenza interni all'integrato.