Iniziare da zero con il kit Arduino: pilotare un motore DC

Nel precedente articolo abbiamo imparato a utilizzare gli ingressi e le uscite analogiche di Arduino, abbiamo approfondito le tecniche utilizzate dal microcontrollore di Atmel per generare dei segnali variabili con continuità nel tempo, introducendo concetti come PWM e duty cycle, e abbiamo utilizzato queste nuove conoscenze per realizzare due progetti. In questo articolo andremo avanti, utilizzando i concetti appresi per pilotare un motore DC (direct current, a corrente continua).

Introduzione

Controllare un motore con Arduino è differente dall'accendere o spegnere dei led, o dal  generare suono con un buzzer e i motivi sono essenzialmente due: innanzitutto un motore richiede una corrente maggiore di quanta non possa essere fornita da un pin di Arduino UNO; inoltre i motori sono dei carichi cosi detti induttivi e possono a loro volta generare corrente attraverso un fenomeno chiamato induzione, che può in alcuni casi essere in grado di danneggiare il circuito o la scheda se non preso nella dovuta considerazione. Per affrontare questi due nuovi aspetti del nostro progetto avremo bisogno di introdurre due nuovi componenti discreti: il transistor e il diodo: iniziamo questa lezione quindi con degli importanti richiami di elettronica ed elettrotecnica.

I motori DC e l'induzione elettromagnetica

I motori (e nello specifico il motore a corrente continua utilizzato in questo progetto) rientrano nei carichi definiti induttivi. L'induzione è un fenomeno per il quale una corrente che scorre in un conduttore (un filo di rame ad esempio), genera un campo magnetico; variando la corrente nel conduttore il campo magnetico varia e può a sua volta generare una corrente (più precisamente una forza elettro-motrice, come quella generata da una pila in un circuito) se questo campo magnetico passa attraverso un circuito chiuso (si dice che il flusso del campo magnetico si concatena con un conduttore elettrico): il campo elettrico e il campo magnetico sono pertanto intimamente collegati (per questo si parla di campo elettro-magnetico, figura 1).

Figura 1: campo magnetico generato da un circuito percorso da corrente

Un motore DC è costituito internamente da degli avvolgimenti di rame (detti spire) all'interno dei quali viene fatta circolare della corrente; la corrente circolante nelle spire, come abbiamo appena detto, genera un campo magnetico il quale interagisce con quello generato da un piccolo magnete permanente situato all'interno della cassa del motore (il campo magnetico generato dalle spire ha le stesse caratteristiche di quello generato da una calamita, in particolare ha un polo Nord e un polo Sud, quindi i poli opposti dei due campi magnetici si attraggono e i simili si respingono, provocando il movimento); ad ogni giro del motore la polarità delle spire viene invertita da un collarino detto commutatore, si invertono quindi i poli del campo magnetico generato dalle spire che sono solidali all'albero del motore (detto rotore), ma non quelli del campo generato dal magnete solidale alla cassa del motore (per questo chiamato statore) e quello che ne risulta è un movimento continuo e senza interruzioni (figura 2).

Figura 2: interazione fra campo magnetico generato da una corrente (spira del rotore) e quello creato dal magnete permanente (statore)

Il fenomeno dell'induzione magnetica (o meglio elettromagnetica, vista la stretta relazione fra il campo elettrico e quello magnetico) è reversibile: così come un circuito percorso da corrente genera un campo magnetico, se poniamo un circuito (chiuso) in un campo magnetico e facciamo variare il campo (muovendo ad esempio il conduttore nel campo e variando il flusso del campo concatenato con il conduttore), il circuito si comporterà come se al suo interno fosse presente una pila (o meglio una forza elettro-motrice) che farà circolare corrente al suo interno. Se muoviamo l'albero del motore, scollegato da qualunque fonte di energia, il campo generato dal magnete al suo interno attraversa le spire avvolte intorno all'albero variando a seconda dell'angolo di rotazione e generando quindi una tensione ai capi del motore.

Questa tensione risulta molto piccola se ruotiamo l'albero con le nostre mani: la variazione del campo magnetico infatti è proporzionale alla velocità di rotazione. Come prova possiamo collegare un led ai capi del motore e provare a girare l'albero (se il led non si illumina provate a girare in senso opposto), il led dovrebbe accendersi: abbiamo appena azionato un generatore di corrente. Diventa necessario tenere conto di questo effetto nel momento in cui il motore è in funzione: se togliamo l'alimentazione al motore infatti, l'albero (che avrà acquistato una certa energia cinetica) continuerà a ruotare finchè non si fermerà e genererà quindi, per il fenomeno appena descritto, una tensione opposta a quella di alimentazione anche considerevole che può [...]

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15 Commenti

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 9 febbraio 2017
  2. concyfalco 12 febbraio 2017
  3. wustermon 13 febbraio 2017
  4. Eduardo.Ravera 13 febbraio 2017
    • Emanuele Bonanni Emanuele Bonanni 13 febbraio 2017
      • Eduardo.Ravera 15 febbraio 2017
  5. wustermon 14 febbraio 2017
  6. Eduardo.Ravera 23 febbraio 2017
  7. Melchiade Tarso 9 marzo 2017

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