Quali sono le vere differenze fra un motore stepper e un motore brushless (servo)?

Indice

• Introduzione

 

• Chi ci spiega le vere differenze?

 

• La leggera granulosità che si avverte girando il Simagic M10 a motore spento è un difetto?

 

• Veniamo ora ad elencare le differenze tra un motore brushless ed uno stepper

 

• Perchè il motore stepperless del Simagic M10 non ha nulla da invidiare a un servo motor di un Alpha (per restare nello stesso marchio)?
  

 

• Perchè si leggono critiche “a priori” sul motore stepper (oggi molte meno)?

 

• Conclusioni

 

Introduzione

 

Benvenuto! Questo articolo nasce per offrirti una lettura più dettagliata sulla differenza tra un motore stepper a circuito chiuso (Simagic M10) e un motore brushless (Simagic Alpha, Simucube 2, Vrs etc.)

 

Ci tengo però a fare una piccola premessa:

 

Nonostante in questi 18 anni io abbia installato sui miei simulatori tutti i volanti direct-drive in commercio non sono mai entrato troppo nei dettagli per spiegare al meglio le vere differenze tra servo, stepper, brushless nel modo più equilibrato possibile.

 

L’occasione di poter fare questo è arrivata grazie a diversi interventi spontanei di Marco Mondin (che trovi nei commenti di questa recensione video).

 

Marco Mondin è Amministratore Delegato di ADV Integration oltre che Prometheus Technologies,  2 aziende nel campo della programmazione, nell’ elettronica e meccanica industriale. Ha grandi competenze nei motori Direct Drive ed, oltre ad essere un simracer come noi, stà lavorando alla costruzione di un volante DD proprio con tecnologia stepper motor.

 

Marco, per rispondere alle domande del recensore video e nostre, ha fatto chiarezza sui diversi aspetti per i quali il motore stepper non va demonizzato e rappresenta una ottima soluzione per il tuo coinvolgimento nel sim racing.

 

E lo ha fatto in modo semplice e facilmente comprensibile offrendo la risposta tecnica (e non una pura e semplice opinione personale che spesso è dovuta a incompetenza o “partitismo”) che sfata miti e leggende sull’inferiorità di un motore stepper a circuito chiuso (se ben progettato e con software all’altezza come il Simagic M10) rispetto a un motore servo/brushless.

Chi ci spiega le differenze fra questi motori e che tipo di esperienza ha in materia?

 

Piacere sono Marco Mondin. Studiavo Ingegneria Elettronica negli anni ’90, ma non ho finito anche se mi piaceva e mi sarebbe piaciuto finire, tuttavia dovetti dare priorità al lavoro.

Il mio lavoro consiste nello sviluppo software nel campo dell’automazione industriale in particolare nel campo del motion control in applicazioni fuori standard, sono appassionato di informatica ed elettronica da tempi immemori, iniziai a sviluppare i primi software banali a 8 anni su un C=64, imparai il C a 12 anni e coltivai sempre la mia passione che oggi coincide con il mio lavoro.

 

Sono anche appassionato di sim racing, iniziai con F1 GP2, per arrivare ad iRacing nel 2012 circa ed esserci rimasto, anche se con buchi di anni dovuti al tempo che mi lasciano lavoro e famiglia. La mia auto preferita in iRacing la skippy!!!

Utilizzai alcuni anni fa i motori stepper controllati in modo stepperless per il controllo di forza sulle palette del gripper di un palletizzatore.

 

Già ai tempi quando li utilizzai per tale applicazione mi resi conto che avrebbero potuto essere utilizzati per il sim racing, purtroppo il poco tempo disponibile non mi ha mai permesso di sperimentare personalmente, tuttavia sono felicissimo nel vedere che altri abbiano perseguito la strada dello stepper!

 

A dire il vero proprio in questi giorni io ed il mio socio abbiamo ritirato fuori l’idea di farci un nostro prototipo di volante stepperless, ed è il motivo per cui navigando su internet ho scoperto prima SIMAGIC e poi la recensione di Nello.

La leggera granulosità che si avverte girando il Simagic M10 a motore spento è un difetto?

 

No. L’effetto che senti a motore spento si chiama riluttanza.

I motori stepper controllati in modalità stepperless la compensano completamente a motore acceso.

 

I motori non sono pilotati nel modo tradizionale a step, ma in stepperless, azzerano il ripple di coppia una volta acceso. Ci sono innumerevoli vantaggi a pilotare uno stepper così rispetto ad un brushless.

 

Vi spiego il perché Iniziamo con una piccola premessa:

 

Per noi SIMRACERS serve un volante molto reattivo, ovvero che nel minimo tempo possibile riproduca gli effetti del simulatore.

Diciamo un po’ forzatamente “con un output lag” più basso possibile.

 

Avere questo tempo alto ha lo stesso effetto di un filtro passa basso della teoria dei segnali, questo senza entrare nel dettaglio porta a filtrare gli effetti con frequenze più elevate.

 

In generale il vantaggio dei direct drive è quello di avere tale “output lag” meccanicamente il più piccolo possibile.

 

Tale “output lag” dipende solo da 2 fattori, il primo è la massima accelerazione rotativa che il motore può gestire, l’altro la bontà delle elettronica. La bontà dell’elettronica da un direct drive a un sistema a cinghia non cambia.

 

La massima accelerazione, viene inesorabilmente ridotta da un riduttore meccanico, sia esso a cinghia, sia esso ad ingranaggi. Tuttavia l’accelerazione massima non dipende meccanicamente solo ed esclusivamente dalla presenza o meno di un riduttore, ma dipende anche da una grandezza intrinseca del motore.

Tale grandezza è il rapporto di inerzia, che a parità di coppia erogata permette accelerazioni più spinte tanto più piccola è la sua entità.

 

Tale rapporto è influenzato dalla dimensione e dal peso di tutto il sistema rotore, albero, quick stop, corona.

 

Va da se che un motore più piccolo e leggero ha palesemente un rapporto di inerzia più basso, e nel nostro caso è un vantaggio per riprodurre effetti a frequenza elevata (Per fare un esempio salendo su un gradino, un volante con inerzia più bassa a parità di coppia di uno ad inerzia più elevata darà un impulso sulle mani più violento e marcato).

 

Come dicevo quello che serve a noi è che un volante possa erogare accelerazioni molto alte, mentre non ci serve che eroghi velocità elevatissime, in quanto un volante da sim racing non girerà mai oltre 60-100 RPM.

Veniamo ora ad elencare le differenze tra un motore brushless ed uno stepper:

 

Il motore brushless è per sua natura progettato per girare molto velocemente, a parità di coppia di un motore stepper, necessita di potenza che può arrivare a 10 volte tanto.

 

Questo comporta un dimensionamento molto più massiccio, inesorabilmente con un rapporto di inerzia molto più elevato, permettendo accelerazioni inesorabilmente più piccole che quelle permesse da uno stepper di pari coppia.

 

Se un motore viene usato nella sua zona di erogazione nominale è più lineare un motore stepper ha la coppia nominale che coincide quasi con quella massima, mentre un motore brushless no.

Ci sono rapporti tra nominale e massima che vanno da 5 a 10 volte dipendentemente dalla bontà costruttiva del motore.

 

Un motore può erogare la sua coppia nominale per un tempo, diciamo infinito, mentre la massima no in quanto accumulerebbe troppa energia termica non dissipabile.

 

Una cosa che non tutti sanno è che i motori usati per i direct drive sono dichiarati intorno alla coppia massima erogabile dal motore, non quella nominale.

 

Nel caso di uno stepper questo non comporta problemi, in quanto è in grado di gestire tutta la potenza termica senza problemi, nel caso del brushless, sovente si incontrano limitazioni.

 

Ovviamente lavorando sulla massima un brushless, è lievemente meno lineare, ma in questo caso non credo sia percettibile su un volante.

 

Parliamo di potenza:

A noi serve la coppia, più lineare possibile, tanta accelerazione, relativamente poca velocità (<150RPM).

 

La potenza dipende da coppia e velocità, un motore 11Nm 150RPM, confrontato con uno 11Nm 1500RPM avrà una potenza di circa 10 volte più piccola, ma quello che sentiamo noi sul volante sarà identico (anzi quello più piccolo sarà più reattivo in quanto quasi sicuramente avrà un rapporto di inerzia molto più piccolo).

 

Quando siamo fermi in coppia, il motore non ha consumo 0! In realtà ha un consumo elettrico che si tramuta in calore al 100%.

 

Un motore brushless da 11Nm da direct drive, dissipa da fermo, erogando tutta la coppia 150-300W dipendentemente da come è progettato il motore.

 

Un motore stepper da 11Nm da direct drive, dissipa da fermo, erogando tutta la coppia 20-30W dipendentemente da come è progettato.

 

Anche se questo a livello di guida non va considerato (non porta a nessuna differenza) è un vantaggio non da poco.

 

Oggi i motori stepper possono essere controllati in 3 modi. Immaginiamo il motore come una serie di calamite elettriche una dietro l’altra in cerchio (una ogni 1.8°).

 

– Modo step: Alimentandole una dietro l’altra con impulsi discreti, il motore scatterà a step da una all’altra. Questo è il modo con cui funzionano nelle stampanti.

 

– Modo micro step: Invece di passare da un magnete all’altro in digitale (spengo uno accendo l’altro) faccio tanti livelli di alimentazione discreti intermedi. Alimentando per esempio al 10% il magnete A e al 90% quello B mi posizionerò non su B, ma vicino a B.

 

Questo modo è utilizzato in molti CN ultra precisi, come nella tornitura delle lenti a contatto.

 

Ed ora quello che serve a noi!!!

 

– Modo stepperless ad anello chiuso (simagic M10). L’alimentazione è un vettore continuo analogico che distribuisce le correnti in funzione di una posizione letta da un encoder. Questa modalità è identica, ma proprio identica a quella usata su un motore brushless (da questo il nome stepperless) ed il comportamento identico.

 

• Tale controllo va anche a quasi azzerare il ripple di coppia dovuto alla riluttanza, che è quello che si sente girandolo a vuoto (Non tutti lo sanno, ma un po’ lo si sente anche nei brushless spenti solo che si sente 6-8 volte in un giro e non ci si fa molto caso in quanto da spento ha meno magnetizzazione). Va da se che un sistema stepperless ben progettato non può che portare solo vantaggi

Perchè il motore stepperless del Simagic M10 non ha nulla da invidiare a un servo motor di un Alpha (per restare nello stesso marchio) o Simucube o un outrunner della fanatec e perchè non va demonizzato?

 

Spiegato con due parole semplici, il motore stepper vive un po’ dei suoi spettri del passato, quando non esisteva elettronica sufficientemente veloce per controllarlo bene in modalità continua e non a step.

Oggi FPGA o DSP ed anche i più recenti MCU permettono di esplorare un terreno un tempo, diciamo proibito dai limiti tecnologici.

Il motivo per cui si usa un sincrono a magneti permanenti è che avendo alle spalle molti più anni di studio sulla teoria del controllo tutto è più facile, con un motore come uno stepper si parla di teorie e concetti relativamente nuovi ed anche piuttosto complessi (Ci sono svariate tesi universitarie e relativamente ancora pochi produttori che li implementano in tale modo in campo industriale).

Per noi, che li usiamo per la simulazione la grossa differenza alla fine se non nei dettagli come enorme differenza di consumo elettrico e maggior margine per la gestione di una inerzia simulata, la fa la bontà del software (Non che sia l’unico dettaglio su cui ci si deve concentrare, ma con una metafora è il cervello della creatura volante).

Siccome lo sviluppo software è uno dei costi che poi una azienda deve ammortizzare, si cercano sempre i compromessi migliori.

L’Alpha costa più caro, presumo abbiano investito anche più soldi nel firmware e nell’elettronica, ma soprattutto hanno anche più esperienza e feedback quindi il fatto che possa essere migliore, non è detto che sia legato al motore…

È tuttavia probabile che il collo di bottiglia oggi possa diventare l’interfaccia verso il simulatore, che per vari motivi tecnici legati ai sistemi operativi non può fare i miracoli.

Perchè si leggono critiche “a priori” sul motore stepper (oggi molte meno)? C’è da parte di alcuni una avversione preconcetta a questa tipologia di motore?

 

Sono preconcetti che si trovano anche in ambito industriale.

Se si fa un modello del motore stepper, si scopre che somiglia in modo impressionante ad un motore brushless a magneti permanenti, ma con tanti poli in più.

Come dicevo la differenza non è da imputare al motore, ma solo al metodo di controllo.

Uno stepper si può controllare come un brushless, solo che avendo molti più poli richiede un controllo molto più veloce.

Un brushless si “potrebbe” controllare come uno stepper, ma avrebbe poco senso in quanto farebbe solo pochissimi step in un giro con salti enormi di posizione. I due motori si somigliano come modello di macchina rotante magnetica, molto più di quanto si possa immaginare.

Il preconcetto nasce dal nome che porta a pensare che un motore stepper si possa solo comandare a step discreti, quando invece può essere comandato in modo continuo come qualunque altro motore sincrono.

Quel residuo di granulosità dello stepper, che poi è pseudosinusoidale e non un vero gradino, se uno si mette di impegno lo sente anche nel brushless, ma 4/8/16 volte in un giro e molto spalmato.

Sta alla bontà del firmware compensarlo il più possibile.

Conclusioni

 

Aggiungo una cosa all’ultima affermazione di Marco relativa al firmware di cui non era a conoscenza quando ha scritto il suo intervento:

 

il Simagic M10 ha da poco ricevuto un aggiornamento firmware che lo ha reso ancora più performante e, a ciò, si è aggiunta la nuova versione del software di controllo Race Manager che ha implementato tantissime funzioni extra che permettono la regolazioni che prima non c’erano.

E la stessa cosa è in corso per il Simagic Alpha

Il senso di tutto questo non è quello di convincerti che il motore stepper è meglio di un motore brushless: voglio dirti che la tecnologia stepper non è un ripiego nella misura in cui il software di controllo è adeguatamente programmata per offrire le migliori performance per quel tipo di motore.

Noi di DirectDrive Italia, insieme ai colleghi di ARC-Team Engineering, collaboriamo quotidianamente con la casa madre aiutandoli nei collaudi delle novità e nelle loro messe a punto per rendere i prodotti SIMAGIC attuali (e futuri) sempre più performanti e in linea con le richieste dei clienti Italiani.

 

Nessun altro rivenditore in Italia ed europa di altri marchi ha queste interazioni con la case produttrici.

 

Bene,

se sei arrivato fino a qui ti faccio i complimenti: la cultura e l’approfondimento fanno la differenza sull’ignoranza che, in questo mondo, è davvero abissale.

 

Il simracing è una passione in continua crescita e, disporre di più informazioni possibili prima di fare una scelta, ti da la certezza di spendere i tuoi soldi nel modo migliore.

 

Ora tocca a te decidere a quale volante dare maggiore fiducia.

 

Simagic, in Italia, è ormai una realtà consolidata e in continua crescita che riserva ai suoi clienti opportunità riservate che nessun altro marchio può offrire come un area esclusiva che ti offre: manualistica in Italiano, profili di setting per i migliori giochi di simulazione, condizioni di acquisto privilegiate ogni qual volta sono in arrivo novità e molto altro.

 

Se vuoi dare una occhiata ad alcune delle recensioni che trovi sulla nostra pagina facebook, puoi accedere da qui e, allo stesso tempo, puoi contattare personalmente ognuno dei nostri clienti per farti raccontare la sua esperienza con noi e come si trova con il suo Simagic.

 

Ci vediamo online!

 

Ti faccio una piccola richiesta, lavorare su guida mi ha richiesto molto tempo e sarebbe enorme fonte di soddisfazione se tu la condividessi sui tuoi profili social.

 

Ti ringrazio in anticipo

 

Andrea Rossetti CEO di ARC-Team Engineering