Alimentatore per motori passo passo
Come si calcola l'alimentazione per un motore passo passo bipolare, gestito con un sistema pwm tipo L297-L298
In una fresa pantografo cnc hobbistica controllata da pc, si usano comunemente i motori passo passo per muovere gli assi di scorrimento , il tipo di motori piu adatto a quasto lavoro e universalmente assodato siano i motori stepper bipolari.
in questo capitolo trattero come calcolare e realizzare un alimentatore adatto ad alimentare i motori tramite un sistema PWM basato sulla coppia L297 +L298 e simili IC della ST microelectronics .
La fase è alimentata (figura sotto)
con la tensione +V' > +V, tipicamente maggiore di circa 10 -20 volte il
valore DC tensione nominale del motore data in genere dal produttore o ricavata
tramite la legge di Ohm misurando la resistenza delle fasi del motore passo
passo . La corrente può raggiungere in regime normale il valore V'/r, dunque,
largamente superiore al valore nominale V/r. In questo caso senza un sistema
di regolazione pwm c'è il rischio di un riscaldamento importante del motore
stepper, e addirittura della sua distruzione. 
Il ruolo del transistor T che fa parte del doppio ponte H L298, è di limitare la corrente nella fase motore al valore nominale. La misura della corrente è fatta tramite il partitore resistivo S.
Il comparatore C interdice il transistor se la corrente è superiore al riferimento (vref). Quando la corrente è inferiore al riferimento, il comparatore C satura di nuovo il transistor e questo si ripete in base alla frequenza impostata tramite la rete R/C in ingresso all’oscillatore interno al L297...
La corrente può essere cosi regolata intorno al suo valore nominale V/r. la Sua velocità di salita nella fase motore viene cosi aumentata considerevolmente, dato che la tensione molto piu alta vince piu facilmente le resistenze di fase e il residuo delle correnti inverse autoindotte dal sistema avvolgimento statore del motore pp. Le prestazioni in frequenza passi, arresto - partenza, durata stessa del motore è migliorata e sopratutto salvaguardata.
Il rendimento di questo sistema di pilotaggio, come regolazione corrente è nettamente superiore a quello effettuato tramite una semplice resistenza di limitazione corrente utilizzato in certi casi.
Intensità di corrente assorbita da una fase di un motore passo passo:
Ammettiamo che il motore deve essere alimentato a partire da un tensione DC di targa di circa 1,5V per alimentarlo correttamente con un sistema PWM dovremo alimentarlo a una tensione max di circa 10 _ 20 volte quella nominale DC, quindi V=30V (per calcolare la tensione dei motori scaricare il calcolatore alimentazione motori allegato in formato excell ) , attraverso un sistema PWM chopper tipo L297 + L298, fornendo una corrente "PWM" limitata a massimo 2,5A.
Questa corrente è la corrente media, assorbita da una fase del motore.
La figura sopra mostra l'andamento della corrente in una fase del motore e la tensione ai capi della resistenza di sense S, utilizzata come partitore di tensione.
Si puo constatare che l'alimentazione produce una corrente I motore durante il tempo Ton (tempo di conduzione dei transistor) e che questa é = 0 durante il periodo Toff (interdizione dei transistor).
In pratica, (e questo dipende anche
dal valore dell'induttanza L delle fasi motore) il tempo Toff è pressappoco
uguale a 2 volte Ton. Il rapporto ciclico 
della
corrente erogata dall'alimentazione è quindi 1/3 circa di quella che la fase
motore assorbirebbe in corrente continua.
Questo dà un valore medio per Ialim = Imax x rapporto ciclico = 2,5 A x 1/3 = 0,83A…. Per una fase!!!
L'altra fase assorbe la stessa corrente.
Si può dire quindi che l'intensità che deve fornire l'alimentazione è di: 0,83 x 2 = 1,66 A (valore medio in modalita PWM)
Si può considerare che a seguito di questi calcoli, l'alimentazione deve fornire circa, una corrente media uguale all'intensità maxi regolata per una sola fase motore, o nel nostro esempio Ialim = 2,5A.
Non quello che il motore richiede come corrente DC a bassa tensione , quindi attenzione ! quello che importa al fine del rendimento come potenza erogata è la risultante in watt della tensione* la corrente, che il motore assorbe e trasforma in energia meccanica, restando entro i limiti termici che la tipologia di motore riesce a sopportare.
Che i watt siano forniti( 1° caso) con tensione alta e bassa corrente, oppure con tensione bassa e alta corrente (2° caso) , il risultato in termini di coppia (Newton/m ) erogata e lo stesso.
Lo stesso non si puo dire invece del rendimento come prestazioni del motore, dato che nel primo caso il motore lavorando a tensione molto piu alta di quella nominale, vengono vinte piu facilmente sia le resistenze proprie del filo conduttore che costituisce l’avvolgimento , (valore misurato in Ohm), sia le resitenze dovute a correnti inverse causate dalla induttanza reattanza del sistema avvolgimento statore.
Mentre ancora unica limitante all’aumento di prestazioni che comporta il pilotaggio PWM è la dannata isteresi magnetica del materiale ferromagnetico che costuisce lo statore stesso.
E per questo che i produttori di motori passo passo, adesso li realizzano con materiali ferromagnetici a bassa isteresi .
Dico dannata isteresi, perche è un parametro fondamentale spesso sottovalutato da chi si avvicina da poco al mondo del controllo cnc e gestione motori passo passo, che comporta il maggior o minore rendimento di un motore come velocita massima in freq di pilotaggio e quindi velocita di rotazione a parita di corrente e tensione di alimentazione).
Spesso ci si illude di avere comprato un motore buono solo perche come targa ha riportato 2,5 amper 3 volts 1,8 Ohm fase , quando poi il rendimento in temini di velocita e coppia a regimi anche non alti di rotazione scendono in picchiata, causando la perdita di passi e addirittura lo stallo del motore, e si tende ad adebitare la causa di cio al driver utilizzato , che poverino per quanto buono ,o ddirittura anche costoso e magari supportante la modalita micropasso , quindi un driver di una certa qualita costruttiva, non puo fare niente se un motore e costruito con tecnologia antiquata e vecchia di una decina di anni.
Magari recuperato da una stampante in disuso, e da mia esperienza ho constatato che questo modo di iniziare la costruzione di una fresa cnc e la causa prima di un sacco di danni agli stepper driver, causati dagli sprovveduti utilizzatori di driver che vedendo i motori girare male o addirittura fiacchi, tentano di aumentare la corrente pensando sia un problema di alimentazione , quando invece è il motore che non ne vuole sapere (si siede come l’asino stanco e dice basta !!piu avanti di cosi non vado !!.
E allora cominciano i casini….. utenti che sparano al massimo la corrente aumentando il vref e cercando di fare avanzare un motore che non ne vuole sapere, chi aumenta la tensione perche ha sentito dire che aumentando la tensione di alimentazione il motore passo passo gira meglio….. alla fine il risultato e sempre lo stesso driver che saltano ! utenti imbestialiti con il produttore del drive, colpe addosate al produttore del driver che a loro avviso ha prodotto un driver scadente…. e la lista non finisce qui perche spesso la questione tra produttore driver e utente finale degenera in accuse e lamentele e rimproveri reciproci.
Capito adesso dove sta linghippo ?
I motori utilizzati !!
Adesso vediamo come alimentarli correttamente,
Al tipo di motori da utilizzare ci pensiamo poi…
Importante:
Per alimentare un motore passo passo, non è necessario ricorrere ad un alimentatore stabilizzato, un semplice raddrizzatore + filtraggio energico è piu che sufficiente.
Raddrizzatore e filtraggio:
Il raddrizzamento della corrente alternata in una corrente continua ma pulsante al doppio (100 Hz) della frequenza della rete di alimentazione (50 Hz) sarà assicurato da un ponte di GRAETZ costituito internamente da 4 diodi.
Il filtraggio o livellamento delle semionde a 100 Hz sarà assicurato da un condensatore elettrolitico di valore adeguato che ha il compito di accumulare corrente durante la salita di ogni semionda e di rilasciarla durante la discesa della semionda di ingresso , questo produce in uscita una corrente abbastanza stabile come voltaggio , con solo un po di residuo di ondulazione sulla cresta delle semionde (4%) che non influenzano il rendimento del motore passo passo.
La resistenza rc posta in parallelo al condensatore di filtro, di valore
intorno a 2000 ohm 3 watt per tensioni di 35 volts a 5 Amper di carico dato
dall’assorbimento in corrente dei driver e motori, ha lo scopo di mantenere
un minimo carico
anche in caso che il gruppo alimentazione sia disconnesso completamente dai
driver motore, e soprattutto a fare scaricare il condensatore quando si spegne
il tutto (il condensatore di una certa capacita puo essere pericoloso se accidentalmente
viene a contatto con il corpo umano quando resta carico anche se l’alimentazione
e sataccata), non è necessaria ma spesso utile a evitare problemi.
Come lavora il condensatore di filtraggio -->
Calcolo del condensatore
di filtraggio 
Avendo : Ucmax = Ueff in alternata x 1,414 – (2 x 0,7)
UCmini = Tensione minima desiderata
, sé F = 50Hz allora T
= 0,01secondi per un raddrizzamento a doppia semionda dell’alternata.
Nel nostro caso:
Vogliamo che l'alimentazione possa fornire una corrente (media) di 2,5 A partendo da una tensione (media) di 20 V.
Volendo ammettere una ondulazione residua (DUc) di 4 V, valore accettabile in questo tipo di applicazione, Ucmax = 20 + 2=22V e Ucmini=20-2=18V.
Otteniamo allora : (C = valore
del condensatore in micro Farad ) 
=
5 mF = 5000 µF valore in vendita come condensatore troviamo 4700µF che
va benissimo per il nostro scopo.
Se si vuole ridurre l’ondulazione a soli 2V (per esempio), basta raddoppiare la capacita del condensatore.
Il condensatore dovrà sopportare il valore di Ucmax della tensione che gli è applicata, in questo caso, 22V, da moltiplicare per 1,5 per avere un margine di sicurezza.
In questo caso dovremo adoperare un condensatore da: 4700 µF / 40V (o meglio 50 - 65V) valori in commercio.
E anche possibile montare piu condensatori uguali in parallelo per aumentare la capacita in mF .
Il Trasformatore da usare:
Il trasformatore dovrà fornire una corrente di 2A ad una tensione Umax di: 22V+ 2x 0,7V
O circa il valore di Umax in alternata = 23,4 V.
Il valore efficace della tensione alterna fornita dal trasfo sarà: 23,4 / 1,414 = 16,54 V
Si sceglierà allora un valore standard di 18V, efficaci,
Potenza nominale del trasformatore, in Volt Ampere,: S = U x I = 18 x 2 = 36 Watt
Si potrà scegliere un transfo con queste caratteristiche:
- 46 o 50 watt, 18V
- 46 o 50 watt, 2x9V ' gli avvolgimenti secondari vanno collegati in serie in serie.
Scegliendo tra il valori standard disponibili o richiedendo la costruzione apposita (sempre consigliabile).
Questo per un solo motore, se si devono alimentare 3 motori , il valore in ampere quindi Watt va moltiplicato per 3.
COME ALIMENTARE 3 MOTORI?
Ci sono tre soluzioni:
La peggiore:
Una sola alimentazione per i 3 motori.
Riprendendo l'esempio precedente, si ha allora:
- intensità che dovrà fornire l'alimentazione: 3 x 2A = 6 Amper
- Il ponte raddrizzatore dovrà sopportare, almeno 6 Amper (10 Amper e il valore piu giusto, e meglio abbondare sempre come Amper sopportabili dal ponte,) dunque ponte più grosso.
- Il condensatore di filtraggio dovrà avere almeno una capacità 3 volte più grande, o 3 x 5000 µF = 15000 µF, difficile da trovare ma piu conveniente di una serie di condensatori in parallelo
- Il trasformatore dovrà avere una potenza di 3 x 36 = 108 Watt , o meglio 120 – 130.
Soluzione intermedia, la migliore :
- Un solo trasfo, di 120VA / 2x9V, o 18V)(come sopra)
- 3 ponti raddrizzatori da 5A accoppiati a 3 condensatori di filtraggio di 4700µF / 40V ciascuno.
Soluzione esagerata ma molto buona come spesa
3 alimentatori separati , ognuno comprendente:
- 1 trasfo 46 Va / 18V
- 1 ponte raddrizzatore 5A
- 1 condensatore di 4700µF .
Se dopo tutta questa spiegazione avete le idee piu confuse che persuase.
Fate cosi:
Avete un motore che deve essere alimentato ad esempio a 2,5 amper 3 volts DC
Moltiplicate 3 volts per 15 volte la tensione DC del motore = 45V
allora il trasformatore deve avere un secondario di 45V / 1.14 =39 volts circa
Quella e la tensione che il trasformatore deve avere come uscita in alternata sul secondario
Per la corrente fate cosi:
2,5 Amper fase x 2 fasi = 5 Amper
5 amper /3 = 1,66 Amper
Quella e la corrente che deve avere come uscita il secondario del trasfo che dovete usare.
Se usate piu di un motore come é normale che avvenga dovendo motorizzare una fresa cnc oppure un tornio cnc, il valore in corrente lo moltiplicate per i motori da alimentare.
Se ancora non ci siete ……..
Meglio farvi aiutare da un amico competente ! .