Differenze fra motori Stepper passo passo ed i motori Servo

È importante comprendere cosa sono esattamente i motori passo passo ed i motori Servo!

Specialmente se si è neofiti, quando si deve scegliere una macchina CNC, ci si imbatte in una quantità di informazioni e parametri da soppesare che può presto divenire veramente difficile da gestire. Una delle tematiche da affrontare riguarda i motori usati sulle macchine, che solitamente in generale saranno di tipo Passo Passo (detti Stepper in inglese) o Servo.

Un livello di confusione aggiunta è dato anche dal fatto che spesso da parte di produttori, venditori ed utenti (questi ultimi sopratutto sui forum dedicati alle macchine CNC), vengono utilizzati termini gergali in maniera impropria, per cui per chi non ha già conoscenze pregresse è facile perdere di vista il bandolo della matassa e diviene difficile valutare correttamente le qualità di una macchina a controllo numerico che potrebbe essere di interesse per il proprio caso. In questo articolo in termini divulgativi cercheremo di chiarire vari aspetti fondamentali circa quel che sono i motori passo passo (Stepper) ed i motori servo (esistono anche motori ceramici piezoelettrici, molto rari, ultra precisi).

Cosa sono i motori "Brushless"?

Chiariamo subito un primo e frequente motivo di grande confusione, questo dovuto all'uso improprio della parola "Brushless" da parte di utenti, venditori ed anche produttori di macchine CNC. Nell'illustrazione qui accanto si vede lo schema generale di un motore classico con spazzole, queste servono a trasmettere l'energia elettrica al commutatore che la passa agli avvolgimenti per creare i campi magnetici necessari ad imprimerne la rotazione. In un motore "brushless" questo meccanismo non c'è, la trasmissione di energia non avviene per mezzo di contatto fisico fra delle spazzole ed il commutatore, si usano invece solo i campi magnetici.

“Brushless” letteralmente significa "senza spazzole", è un termine che può essere usato in relazione a qualunque tipo di motore elettrico, e non necessariamente per indicare un “servomotore”. Questo termine indica solo che il motore appunto non ha spazzole per trasmettere energia al rotore.. Ovviamente i motori senza spazzole, offrono sempre sicuramente alcuni grandi vantaggi, infatti non ci sono elementi soggetti ad usura che si consumano e che vanno periodicamente sostituiti, che producono polvere di carbone (usualmente sono dei blocchetti di grafite), anche il rotore non ha una parte soggetta ad usura, il livello di controllo della rotazione del rotore è molto migliore poiché effettuata per mezzo di campi magnetici con metodi ben più sofisticati.

Detto questo va anche chiarito che di per se il termine "Brushless" in relazione ad un motore non significa affatto "motore servo", né significa "motore molto preciso" o "motore potente", od in generale non significa necessariamente "motore migliore". Questo chiarimento è dovuto poiché come accennato molti usano questo termine lasciando intendere che i motori "Brushless" sarebbero "motori servo molto precisi, migliori dei motori passo passo", o perlomeno accade che molti utenti si convincano di questa falsa associazione ed assunto.

Non è assolutamente vero che i motori "brushless", sono "migliori dei motori passo passo con spazzole", questa idea è una totale fantasia., letteralmente una bufala, come già detto questo termine indica solo l'assenza delle spazzole, cosa che di per se non indica "precisione", "potenza", "accuratezza" o "superiorità rispetto ai motori passo passo", Infine va anche chiarito che in pieno contrasto con questa interpretazione farlocca del termine "brushless" proprio i motori passo passo sono sempre "brushless", mentre i motori servo possono essere sia di tipo "brushless" senza spazzole, ma anche "brushed" ovvero con spazzole!

Nell'illustrazione qui accanto si vede un diagramma che spiega a grandi linee come funzionano alcuni motori senza spazzole, come in tutti i motori elettrici tradizionali in pratica il rotore viene fatto ruotare sempre per mezzo di campi magnetici,, ma questo non è alimentato per mezzo di contatto diretto fra le spazzole ed un commutatore.

Lo scopo qui è solo di spiegare il principio generale, sono molti i metodi utilizzati, nel diagramma di esempio si utilizza corrente trifase, come mostrano le frecce, essendo queste sfasate fra loro creano campi magnetici che in sequenza "spingono" il rotore a ruotare in una direzione.

Cosa sono i motori passo passo?

I motori passo passo, detti "stepper" in Inglese, sono motori elettrici sincroni che vanno alimentati con corrente continua pulsata gestita per mezzo di apposite elettroniche. Questi motori sono sempre senza spazzole, proprio "brushless" dunque.

La caratteristica di questi motori e motivo per cui sono chiamati "passo passo" è che la loro movimentazione avviene appunto per passi, ovvero una rivoluzione completa dell'albero di questi motori è suddivisa in precisi passi discreti, la suddivisione possibile dipende da come è costruito il motore, dall'elettronica ed impostazioni utilizzate.

Ad esempio un motore passo passo può essere utilizzato in maniera tale da compiere 2000 passi di pari ampiezza entro una rivoluzione completa di 360°, quindi ogni passo corrisponderà a 0.18°, Come si comprende dunque è possibile utilizzare un motore passo passo per movimentare una parte meccanica con grande precisione granulare.

A differenza di altre tipologie di motori i passo passo quando vengono semplicemente alimentati non ruotano, bensì si bloccano in una precisa posizione e la mantengono in maniera ferma e stabile, è possibile ottenere la rotazione dell'albero solo inviando al motore opportune sequenze di impulsi di corrente , come accennato sopra questa avverrà per passi ben definiti, smettendo di inviare le sequenze di impulsi il motore rimarrà bloccato nella posizione raggiunta.

I motori passo passo in condizione statica sviluppano la maggiore coppia possibile (che per ciascuno modello ovviamente è data dal modo in cui sarà stato costruito), inoltre a differenza dei motori servo non tendono ad oscillare intorno a tale posizione, stanno quasi esattamente fermi, questa caratteristica è molto utile nei sistemi meccanici in cui ad esempio un asse deve rimanere ben fermo in una determinata posizione.

Caratteristiche vantaggiose dei motori passo passo:

• Molto precisi per natura.
• La velocità di rotazione può essere regolata molto finemente e può essere anche molto bassa, regolare, questo permette di evitare l'uso di riduttori meccanici.
• Possono ruotare a velocità discrete, fino anche a 1000~1500 giri/minuto, tuttavia alle elevate velocità non possono sviluppare grande coppia.
• Molto robusti, possono essere costruiti anche con scocca ermetica, da un punto di vista di resistenza meccanica possono offrire prestazioni eccellenti.
• Sono economici, i costi di produzione di questi motori sono ragionevoli.
• Possono essere pilotati con elettroniche relativamente semplici, pertanto anche l'implementazione degli stessi in sistemi che li sfruttano rimane ad essere economica.
• Se pilotati con ottime elettroniche restituiscono prestazioni eccellenti a basso costo.

Aspetti critici dei motori passo passo

• Se pilotati con elettroniche di bassa qualità e con le metodiche più semplici, specialmente alle basse velocità ed a passi di ampiezza elevata, il loro movimento a scatti crea vibrazioni, ad esempio se usati in tal modo su macchine CNC trasmettono tali vibrazioni al sistema ed infine all'utensile che esegue i tagli, i risultati delle operazioni di taglio saranno dunque imperfetti, "sporchi", "vibrati".
• Alle alte velocità la loro coppia effettiva diviene molto inferiore a quella nominale, al crescere della velocità la perdita di coppia diviene via via maggiore, fino al punto in cui diviene nulla, ovvero il motore addirittura si ferma. In pratica al fine di non perdere eccessiva potenza non possono essere utilizzati oltre certe velocità, oltre alla perdita di potenza anche il controllo della rotazione viene meno e si verifica la cosiddetta "perdita di passi", in pratica non si ha più certezza che il motore abbia effettivamente compiuto il numero dei passi che avrebbe dovuto fare secondo i comandi ricevuti, in altri termini avvengono errori di posizionamento.
• Non possono essere molto potenti, per vari motivi non si riesce a costruire motori passo passo di alta potenza (in paragone a quel che si può fare con altri generi di motori, ad esempio i servomotori di elevata potenza), quindi sono relegati a lavorare in sistemi meccanici in cui le masse da movimentare non sono elevate e le velocità di traslazione sono moderate.
• I motori passo passo tradizionali sono privi di sistemi di controllo che restituiscono un informazione circa l'effettivo movimento compiuto a seguito di un comando (che sono invece necessari nei servomotori), sono dunque detti ad "anello aperto". In pratica non c'è modo di sapere se il motore passo passo ha effettivamente compiuto il movimento esattamente come lo si è ordinato. Questo tuttavia è un problema relativo, infatti tali problematiche si osservano solo se questi vengono utilizzati impropriamente, facendoli ruotare troppo velocemente in condizioni di fatica che non possono sopportare.

Cosa sono i motori servo?

I cosiddetti "motori servo", più propriamente chiamati servomotori, sono sistemi dotati di un meccanismo per verificare il movimento effettivo realizzato da un motore a seguito di un comando e correggerlo in caso di errori. Il sistema di controllo di un servomotore si avvale di un sensore, detto encoder, che rileva il movimento dell'albero motore e restituisce informazioni all'elettronica di controllo usata per pilotarlo. L'elettronica controlla se il motore ha effettivamente svolto l'operazione esattamente come richiesto oppure se lo ha fatto con errori e di che entità inviando comandi per correggerli.

Grazie a questo sistema è possibile correggere gli errori che compie il motore utilizzato nel sistema servomotore, questo è il principio generale. La correzione degli errori del motore viene eseguita "al volo", ovvero "in tempo reale", in buona sostanza il processo di controllo e correzione viene svolto molto velocemente ed in maniera tale per cui il motore nonostante gli errori che compie di volta in volta viene comunque costretto a svolgere e completare l'operazione richiesta in maniera piuttosto esatta.

Come si capisce i "servomotori" sono sistemi che richiedono l'uso di metodi complicati, prestanti sofisticate elettroniche, accurati sensori e software di controllo. Per motore servo, o meglio detto, servomotore, non si intende dunque uno specifico tipo di motore, ma di un gruppo di componenti composto da un motore, sensori, elettronica, software ed un particolare metodo di pilotaggio. Molti generi di motori possono essere utilizzati per creare sistemi "motori servo". Il servomotore o motore servo dunque non è un determinato tipo di motore ma un sistema per utilizzare vari tipi di motori. I sistemi motore servo più semplici ed economici utilizzano motori a corrente continua a magneti permanenti con spazzole, quindi NON brushless. Come già detto sopra nella prima parte di questo articolo dunque qui si chiarisce ulteriormente che la parola "brushless" è ampiamente malintesa e mal utilizzata nel campo delle macchine CNC.

I sistemi motori servo più efficienti utilizzano motori senza spazzole a commutazione elettronica, nel campo delle macchine CNC in genere oggi i servomotori usano sempre motori brushless. Per creare servomotori industriali di elevata potenza e di grandi dimensioni in genere vengono utilizzati motori ad induzione a corrente alternata con azionamenti a frequenza variabile, molte altre combinazioni sono possibili.

Sistemi servo motori che offrono grandi prestazioni in pacchetti compatti in genere utilizzano motori senza spazzole a corrente alternata con magneti permanenti. I sensori utilizzati per il controllo dell'effettivo movimento sono detti encoders, solitamente montati sull'albero motore stesso, registrano il movimento angolare del motore ed inviano l'informazione all'elettronica di controllo, anche altri tipi di sensori possono essere utilizzati per gestire al meglio il sistema, ad esempio sensori di temperatura ed altri sensori per la misura di vari parametri. I servomotori, al contrario dei passo passo, non sono adatti per essere fermati in un punto preciso con esattezza ed elevata coppia, per questo spesso sono anche dotati di un freno.

Poiché come detto sopra in un sistema motore servo si possono utilizzare vari tipi di notori ne esistono di tutte le dimensioni e di potenza molto variabile, possono essere molto piccoli e poco potenti oppure all'estremo opposto molto grandi ed estremamente potenti.

In genere i motori servo, per loro natura, non sono precisi, solo grazie al sofisticato sistema di controllo e correzione possono esserlo, come si capisce ne consegue che la capacità di un motore servo di compiere operazioni esatte con alta precisione dipende dal sistema elettronico utilizzato e non al motore stesso salvo che questo sia preciso per sua natura. Ad esempio, i servomotori possono anche essere creati usando motori passo passo, in tal caso il servomotore gode per natura della intrinseca precisione del motore passo passo, in aggiunta, poiché in tal caso questi sono dotati di encoder ed elettronica di controllo dell'errore, offrono un ancor più elevato livello di affidabilità.

I motori servo per via di questi motivi in genere hanno costi elevati in paragone ad esempio ai passo passo utilizzati come tali in un circuito ad anello aperto.

I servomotori nel campo delle macchine a controllo numerico in genere sono utilizzati come alternativa di alta potenza ai motori passo passo.

I motori passo passo infatti non si riesce a produrli di elevata potenza, inoltre è noto che non possono lavorare ad alta velocità.

Nelle applicazioni in cui occorre controllare con una certa precisione un motore ed al contempo è necessario che questo sia molto potente e/o molto veloce i motori passo passo non sono più un opzione viabile, in tali casi appunto si utilizzano i sofisticati servomotori.

Nel campo dei macchinari CNC dunque i servomotori sono indispensabili quando le strutture da movimentare hanno grande massa e/o devono essere mosse molto velocemente, al contrario quando le strutture sono leggere ed alte velocità non sono richieste i servomotori non sono necessari ed adottarli potrebbe essere anche controproducente, questo innanzitutto sicuramente per i costi più elevati, ma un fattore ancor più importante è la minor precisione che offrono per natura.

Il problema della precisione dei sistemi servomotori è direttamente relazionato ai costi. I servomotori infatti possono essere piuttosto precisi od anche molto precisi, ma solo se eccellenti elettroniche vengono utilizzate in combinazione con ottimi motori, diversamente un motore servo potrebbe essere comunque molto apprezzabile per la potenza e la velocità, ma per quanto riguarda accuratezza, precisione e ripetibilità potrebbe lasciar a desiderare.

I motori servo inoltre hanno una caratteristica che gioca a sfavore in relazione al loro utilizzo nelle macchine CNC, quando vengono fermati in una posizione tendono ad oscillare, ovvero si muovono leggermente intorno a tale posizione, si dice che "pendolano", nuovamente questo problema può essere più o meno mitigato dall'elettronica di controllo, se molto valida e sofisticata il pendolamento sarà minimale, altrimenti potrebbe essere piuttosto evidente, questo ovviamente si riflette sulle lavorazioni svolte con tale sistema servomotore, ad esempio su una macchina CNC si palesa in forma di tagli poco rifiniti.

In conclusione, i servomotori non sono esattamente un tipo di motore ma un sistema composto da un motore ed un elettronica di controllo, ne esistono di tanti tipi, dimensioni e potenze, non sono necessariamente precisi ed affidabili, possono essere molto accurati, precisi, stabili, affidabili solo se controllati con sensori sofisticati, pilotati con sofisticate elettroniche e gestiti da ottimi software, i sistemi servomotore che offrono le migliori prestazioni dunque di norma hanno anche costi elevati.

Considerazioni pratiche e paragoni circa l'uso dei motori passo e dei motori servo sulle macchine CNC

Affidabilità e facilità di utilizzo

Come chiarito i motori passo passo sono precisi per natura, a parità di qualità delle meccaniche utilizzate è dunque molto più facile ed economico utilizzarli nelle macchine a controllo numerico in cui non vi sono grandi masse da movimentare. Sempre che vengano ben utilizzati su buone meccaniche permettono di ottenere risultati sicuramente validi senza uso di elettroniche molto sofisticate.

Tagli puliti e retti, fondi planari ben definiti

Si pensi ad esempio all'asse Z di una macchina CNC che deve rimanere fermo ad una determinata quota mentre i due assi X ed Y sono movimentati per compiere un taglio od uno scavo, allo stesso modo si pensi ad uno qualunque degli assi che deve rimanere ben fermo in una posizione mentre gli altri due vengono mossi, questo fattore unitamente al dato di fatto che i motori passo passo possono essere mossi con grandi precisione chiarisce come a prescindere di quanti assi vengono mossi contemporaneamente con questi dispositivi e metodi è facile assicurarsi che gli assi di un macchinario siano sia fermati a determinate quote con precisione e fermezza sia mossi esattamente come si desidera con alta precisione e senza che si verifichino fenomeni di oscillazione di ciascuno di essi rispetto agli assi ed alle coordinate statiche prefisse.

L'illustrazione qui accanto chiarisce bene a livello visivo quanto esposto sopra, cliccala per vederla ingrandita. I motori passo passo rimangono in posizione esatta sviluppando la massima coppia che possono esprimere, quindi ben fermi. I motori servo tendono per natura ad oscillare intorno alla posizione a cui si vogliono mantenere fermi, il risultato è che quando vengono utilizzati su macchine CNC, se non sono perfettamente controllati, il taglio risulterà ondulato in una o più dimensioni dipendendo da quanti assi sono fermi e quanti sono mossi.

Come accennato per mitigare questo comportamento è necessario utilizzare elettroniche di controllo molto sofisticate. Non tutti i sistemi CNC sono dotate di eccellenti elettroniche costose. Per i motori passo passo invece il problema non sussiste, è sufficiente controllarli con una buona elettronica, semplice in paragone a quel che occorre per i motori servo.

Tagli sagomati precisi ed esatti

Con i motori passo passo essendo molto precisi per natura, usando buone meccaniche e buone elettroniche non ci sono problemi di sorta nel far lavorare bene più assi interpolati in sincronia. È facile eseguire lavorazioni di taglio sagomate di ogni tipo di forma, idem per la modellazione 3D a tre, quattro o cinque assi.

In altri termini, sempre se si usa una buona meccanica ed una buona elettronica, ottimo controllo numerico, buon software CAM, se si vuole tagliare un cerchio, un ellisse o modellare in 3D una qualunque forma, con i sistemi passo passo è semplice ed economico ottenere risultati pratici molto fedeli al progetto teorico, il cerchio sarà un vero cerchio, l'ellisse una vera ellisse e così di seguito ogni forma sarà creata molto fedelmente.

I motori servo invece sono imprecisi per natura, pertanto se non sono controllati con gran dovizia con sistemi molto sofisticati ottimi risultati sono ardui da raggiungere, il livello d'approssimazione con i sistemi servo può essere più scadente.

Conclusioni

Qui non si intende dire che i motori servo non sono validi, al contrario si intende solo sottolineare come sono molto più impegnativi e difficili da utilizzare, più costosi, più sofisticati.

In buona sostanza quel che vogliamo chiarire è che i sistemi CNC che utilizzano i motori servo NON sono necessariamente migliori dei sistemi CNC che usano i motori passo passo, al contario possono essere peggiori, di pari qualità o migliori, questo dipende solo da come sono costruiti, dalle elettroniche, dai software che utilizzano e da molti altri fattori.

Le macchine CNC vengono costruite sia con motori passo passo sia con motori servo, in entrambi i casi si possono ottenere risultati pessimi, discreti, buoni, ottimi od eccellenti, infatti NON sono i motori di per se a determinare i risultati finali.

Quel che determina quanto bene una macchina CNC si comporta è un ampio insieme di fattori combinati, fra questi la qualità della struttura, l'accuratezza dimensionale con cui è stata assemblata e registrata, dimensionamento delle parti della struttura, geometria della struttura, la qualità delle meccaniche, il tipo di motori, qualità delle elettroniche, sensori, software, teste utensili, utensili, tecniche di lavorazione usate, etc...

Come si capisce, volendo usare una metafora, i sistemi CNC sono una sorta di "ricetta" molto complessa in cui i motori sono solo uno dei moltissimi "ingredienti" necessari ad ottenere un risultato ottimale.

Ora sai i motivi per cui quando ti viene detto che una macchina CNC è buona o non è buona solo sulla base del fatto che su di essa sono utilizzati motori passo passo o motori servo, semplicemente stai ascoltando un discorso decisamente molto superficiale e "fantasioso" per esser gentili, la realtà è ben diversa.

CNC-Step ed i motori passo passo

Cnc-Step è una fabbrica di macchine CNC specializzata nel costruire sistemi leggeri di buona qualità dal costo sostenibile, per ottenere questo scopo su tutti i macchinari vengono utilizzati i motori passo passo, la dizione "Step" nel nome della ditta viene proprio dai motori "stepper" passo passo.

La unica linea di macchine su cui CNC-Step monta i motori servo è la T-Rex Servo, questo principalmente per permettere lavorazioni ad alta velocità anche con questo tipo di pantografi.

Tutte le macchine CNC-Step, anche le T-Rex, sono progettate per poter essere movimentate con motori passo passo senza problema alcuno. I motori passo passo sono utilizzati proprio per poter creare  a costo contenuto buoni sistemi CNC di qualità, che lavorano con precisione e che offrono ottima ripetibilità.

Per saperne di più... contattaci, saremo lieti di spiegare più dettagliatamente perché e come CNC-Step produce anche macchinari di grande formato usando i motori passo passo e non i servo.