I motori passo-passo si sono affermati come una soluzione consolidata nel motion control. Sono affidabili, convenienti e adatti a un'ampia gamma di assi macchina. Per i movimenti punto-punto con carichi prevedibili continuano a rappresentare una scelta progettuale efficace.
Quindi, quando conviene sostituire un motore passo-passo con un servomotore? La risposta è semplice: quando l'applicazione richiede prestazioni che un motore passo-passo non è più in grado di garantire in modo affidabile. Le esigenze delle macchine moderne sono cambiate. Le moderne applicazioni di robotica e intralogistica richiedono prestazioni sempre maggiori da ogni asse: tempi di ciclo più rapidi, sincronizzazione più precisa e prestazioni costanti anche in presenza di carichi variabili. Con l'aumentare di queste esigenze, molti progettisti si trovano a valutare il passaggio ai servomotori.
Vediamo quando conviene effettuare questa transizione e quali aspetti considerare nella scelta.
State raggiungendo i limiti del motore passo-passo?
Comprendere il funzionamento di un motore passo-passo e sapere quando raggiunge i propri limiti consente di individuare il momento giusto per passare a un servomotore, prima che ne risentano la disponibilità della macchina o la ripetibilità del processo. Con l'aumento delle prestazioni richieste emergono tre limiti tipici dei motori passo-passo.
- La coppia diminuisce a velocità più elevate.
Un motore passo-passo inizia generalmente a perdere coppia utile intorno ai 1.000 giri/min, principalmente a causa dell'induttanza degli avvolgimenti e delle perdite nel nucleo magnetico. Al di sotto di questa soglia offre una coppia elevata in un ingombro contenuto. Superata questa velocità, però, la coppia disponibile diminuisce rapidamente, proprio quando molte applicazioni ne hanno più bisogno. - Gli azionamenti a corrente costante generano calore indipendentemente dal carico.
Un motore passo-passo assorbe la corrente nominale anche quando l'applicazione non richiede tutta la coppia disponibile. Questo comporta due inefficienze. La prima è di natura termica, perché l'energia non utilizzata viene dissipata sotto forma di calore. La seconda è di natura elettrica, poiché il sistema consuma più energia di quella effettivamente necessaria. Un servomotore, al contrario, assorbe solo la corrente richiesta dal carico. - L'architettura open-loop non rileva la perdita di passi.
Un tradizionale motore passo-passo open-loop invia impulsi al motore assumendo che vengano sempre eseguiti correttamente. In presenza di carichi variabili o dinamici, eventuali perdite di passo non vengono rilevate né corrette. Oggi sono disponibili anche motori passo-passo closed-loop che integrano un encoder per verificare la posizione e correggere le perdite di passo. Tuttavia, le loro prestazioni dinamiche non sono ancora paragonabili a quelle di un vero servomotore closed-loop.
Come fanno i servomotori accessibili a ridurre il divario di costo?
L'idea che i servomotori siano più sofisticati del necessario e troppo costosi per gli assi di fascia intermedia non è più attuale. Le dinamiche economiche del motion control sono cambiate e le piattaforme servo correttamente dimensionate possono oggi offrire un valore superiore. Offrono prestazioni più elevate, semplificano l'integrazione e sono compatibili con gli standard di montaggio e le moderne reti di comunicazione industriale, il tutto a un prezzo competitivo. L'idea che i servomotori siano più sofisticati del necessario e troppo costosi per gli assi di fascia intermedia non è più attuale. Le dinamiche economiche del motion control sono cambiate e le piattaforme servo correttamente dimensionate possono oggi offrire un valore superiore. Offrono prestazioni più elevate, semplificano l'integrazione e sono compatibili con gli standard di montaggio e le moderne reti di comunicazione industriale, il tutto a un prezzo competitivo.
Guardare oltre il prezzo d'acquisto
A prima vista, un motore passo-passo può sembrare la soluzione più economica. Tuttavia, se si considerano il sovradimensionamento spesso necessario per ottenere la coppia di picco, le temperature di esercizio più elevate, le perdite energetiche e il loro impatto sui costi operativi nel lungo periodo, il divario economico tra le due tecnologie si riduce sensibilmente. Questo vale soprattutto quando si desiderano prestazioni paragonabili a quelle di un servomotore.
Perché scegliere i servomotori Kollmorgen Essentials™
L'Essentials™ Motion System di Kollmorgen rappresenta una soluzione pratica e conveniente per gli assi sensibili ai costi che richiedono comunque le prestazioni di un controllo closed-loop. I servomotori Essentials offrono le prestazioni di un vero sistema servo closed-loop grazie all'encoder assoluto ad alta risoluzione e alle funzionalità di sincronizzazione multiasse, contribuendo al tempo stesso a ridurre molti dei costi e delle complessità che in passato hanno limitato l'adozione della tecnologia servo.
- Prestazioni servo al prezzo di un motore passo-passo. Kollmorgen Essentials offre la precisione, la reattività e l'affidabilità di un vero sistema servo, garantendo al contempo un risparmio di circa il 30% rispetto ai servosistemi di fascia premium. Contribuisce così a ridurre il divario tra soluzioni passo-passo e servo.
- Installazione e messa in servizio semplificate. Un motore, un azionamento e un collegamento tramite un unico cavo, già configurati per funzionare insieme, riducono la complessità del cablaggio e della configurazione. Il riconoscimento automatico del motore e la procedura Express Setup di Kollmorgen WorkBench consentono di mettere rapidamente in funzione le macchine, in meno di 20 minuti, anche a team con un'esperienza limitata nell'utilizzo della tecnologia servo.
- Feedback assoluto incluso di serie. Ogni motore integra il feedback assoluto multigiro SFD-M, eliminando la necessità di manutenzione delle batterie e mantenendo le informazioni di posizione anche durante i cicli di spegnimento e riaccensione della macchina.
- Sempre disponibili quando ne hai bisogno. Uno dei principali vantaggi dei sistemi con motori passo-passo è sempre stata la disponibilità del prodotto e la rapidità di consegna. Kollmorgen Essentials offre lo stesso livello di disponibilità. Grazie a prodotti disponibili a magazzino, tempi di consegna ridotti e al supporto dei protocolli EtherCAT®, EtherNet/IP™ e PROFINET®, Kollmorgen Essentials facilita la standardizzazione della tecnologia servo su un'ampia gamma di configurazioni macchina.
Per i costruttori OEM che hanno finora rimandato il passaggio ai servomotori perché i conti non tornavano, Kollmorgen Essentials cambia la valutazione economica della scelta.
6 segnali che indicano quando passare da un motore passo-passo a un servomotore
Nessun singolo segnale è sufficiente, da solo, a determinare il passaggio. Più spesso, diversi segnali si manifestano contemporaneamente e portano alla stessa conclusione.
Segnale 1: aumentano le esigenze di velocità e coppia
I servomotori possono raggiungere velocità da due a quattro volte superiori rispetto ai motori passo-passo, mantenendo una coppia costante su un intervallo di velocità molto più ampio. All'aumentare dei requisiti di velocità e coppia, la finestra operativa utile di un motore passo-passo si restringe progressivamente. Per compensare questa limitazione, i costruttori di macchine spesso devono sovradimensionare il motore per mantenere la coppia alle velocità più elevate, con conseguente aumento della generazione di calore e dei consumi energetici. Quando il sovradimensionamento diventa necessario per raggiungere gli obiettivi prestazionali, può essere il momento di valutare un servomotore in grado di fornire la velocità e la coppia richieste in modo più efficiente.
Segnale 2: serve un vero feedback closed-loop
Quando qualità, precisione o controllo del processo dipendono dalla conoscenza effettiva della posizione dell'asse, il funzionamento open-loop non è più sufficiente. Se hai già integrato un encoder in un motore passo-passo per maggiore tranquillità operativa, è l'architettura stessa del sistema a indicare che è arrivato il momento di valutare un vero servomotore closed-loop.
Segnale 3: funzionamento con cicli di lavoro elevati o in prossimità dei limiti operativi
Un motore passo‑passo deve operare entro la propria capacità di coppia continua. Il fatto di non disporre di una riserva di coppia disponibile nel breve termine può accelerare il degrado termico e ridurre la disponibilità della macchina nelle applicazioni a ciclo continuo.
Un servomotore, invece, può erogare la coppia di picco per brevi intervalli, da 1 a 5 secondi, per poi tornare al funzionamento continuo, mantenendosi entro i limiti termici previsti. Per ottenere lo stesso risultato con un motore passo-passo è necessario sovradimensionarlo affinché il picco di coppia richiesto rientri nella sua capacità di coppia continua. Un servomotore può invece essere dimensionato in funzione dell'effettivo profilo di carico, consentendo spesso installazioni più compatte e leggere e offrendo maggiore flessibilità quando lo spazio disponibile sulla macchina è limitato.
Segnale 4: rapporti d'inerzia elevati e carichi variabili
I motori passo-passo offrono le migliori prestazioni con carichi prevedibili e rapporti d'inerzia contenuti. Quando aumenta la variabilità del carico (inversioni di direzione, variazioni del carico applicato o inerzie più elevate), i sistemi open-loop perdono ripetibilità e rischiano perdite di movimento. Con una corretta regolazione e un adeguato accoppiamento meccanico, i servomotori possono gestire rapporti d'inerzia fino a circa 100 volte l'inerzia del rotore, correggendo in tempo reale le variazioni delle condizioni operative.
Segnale 5: necessità di coordinare più assi
La sincronizzazione di più motori passo-passo all'interno di una macchina aumenta la complessità del controllo e i potenziali punti di guasto. I motori passo-passo sono generalmente limitati ai movimenti punto-punto, con un coordinamento tra assi solo parziale. Quando è necessario ottenere movimenti strettamente sincronizzati su più assi, le architetture servo native supportate dai moderni protocolli industriali consentono di raggiungere questo obiettivo con un impegno di integrazione decisamente inferiore.
Passare ai servomotori con sicurezza
Il passaggio da un motore passo-passo a un servomotore raramente è determinato da un singolo problema. Più spesso emerge un insieme di segnali: la coppia diminuisce all'aumentare della velocità, diventa necessario sovradimensionare il motore per soddisfare le richieste di picco e la ripetibilità si riduce in presenza di carichi variabili. Quando questi segnali si sommano, il servomotore diventa la tecnologia più adatta e i moderni servomotori a costi accessibili consentono di adottare una soluzione dimensionata sulle reali esigenze dell'applicazione.
Se stai valutando il passaggio a un sistema servo, gli esperti di motion control Kollmorgen sono a tua disposizione per aiutarti a individuare e dimensionare la soluzione più adatta alla tua macchina.
BONUS: Domande frequenti
-
Qual è la principale differenza tra un motore passo-passo e un servomotore?
-
Il confronto tra motori passo-passo e servomotori è da sempre uno dei temi più dibattuti nel motion control. In sintesi, un motore passo-passo funziona generalmente in open-loop, eseguendo movimenti a passi fissi e assumendo di aver raggiunto la posizione comandata. Un servomotore opera invece in closed-loop, monitorando e correggendo continuamente posizione, velocità e coppia durante il motion. Questo feedback consente al servomotore di offrire una risposta dinamica superiore e di gestire una coppia di picco che un motore passo-passo non è in grado di fornire.
-
I servomotori sono più costosi dei motori passo-passo?
-
Considerando esclusivamente il prezzo di acquisto, un motore passo-passo può sembrare la soluzione meno costosa. Tuttavia, includendo il sovradimensionamento necessario, le inefficienze energetiche e i costi associati ai fermi macchina, il divario economico si riduce sensibilmente. Le moderne soluzioni servo a costi accessibili hanno ulteriormente ridotto questa differenza e, nelle applicazioni più impegnative, il costo totale di proprietà risulta spesso più favorevole rispetto ai motori passo-passo.
-
In quali applicazioni i motori passo-passo restano la scelta migliore?
-
I motori passo-passo continuano a essere un'ottima soluzione per movimenti punto-punto semplici, come le operazioni di apertura e chiusura con carichi prevedibili, ad esempio in pompe e valvole. In queste applicazioni offrono affidabilità, precisione e un eccellente rapporto qualità-prezzo.
