Πώς λειτουργούν οι Stepper Motors

Σε αυτήν την ανάρτηση θα μάθουμε για το stepper motor. Θα διερευνήσουμε τι είναι ο βηματικός κινητήρας, ο θεμελιώδης μηχανισμός λειτουργίας του, οι τύποι βηματικών κινητήρων, οι βηματικοί τρόποι και τέλος τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά του.

Τι είναι ο βηματικός κινητήρας;

Ο κινητήρας Stepper είναι κινητήρας χωρίς ψήκτρες, ο περιστρεφόμενος άξονας του (ρότορας) ολοκληρώνει μία περιστροφή με καθορισμένο αριθμό βημάτων. Λόγω της κλιμακωτής φύσης της περιστροφής αποκτά το όνομά του ως stepper motor.

Ο κινητήρας Stepper παρέχει ακριβής έλεγχος της περιστροφικής γωνίας και ταχύτητα. Είναι ένας σχεδιασμός ανοιχτού βρόχου, που σημαίνει ότι δεν εφαρμόζεται μηχανισμός ανάδρασης για την παρακολούθηση της περιστροφής.

Μπορεί να μεταβάλει την ταχύτητά του, να αλλάξει κατεύθυνση περιστροφής και να κλειδώσει σε μία θέση αμέσως. Ο αριθμός των βημάτων καθορίζεται από τον αριθμό των δοντιών που υπάρχουν στον ρότορα. Για παράδειγμα: εάν ένας κινητήρας stepper αποτελείται από 200 δόντια τότε,

360 (βαθμός) / 200 (αριθμός δοντιών) = 1,8 βαθμός

Έτσι, κάθε βήμα θα είναι 1,8 βαθμός. Οι κινητήρες Stepper ελέγχονται από μικροελεγκτές και κύκλωμα οδηγού. Χρησιμοποιείται ευρέως σε εκτυπωτές λέιζερ, 3D εκτυπωτές, οπτικούς δίσκους, ρομποτική κ.λπ.

Θεμελιώδης μηχανισμός εργασίας:

Ένας βηματικός κινητήρας μπορεί να αποτελείται από αρκετούς αριθμούς πόλων που τυλίγονται με μονωμένο χαλκό σύρμα που ονομάζεται στάτορας ή μη κινούμενο μέρος του κινητήρα. Το κινούμενο μέρος του κινητήρα ονομάζεται ρότορας, ο οποίος αποτελείται από αρκετούς αριθμούς δοντιών.

Όταν ένας πόλος ενεργοποιείται, τα πλησιέστερα δόντια θα ευθυγραμμιστούν με αυτόν τον ενεργοποιημένο πόλο και άλλα δόντια στο ρότορα θα αντισταθμιστούν ή θα ευθυγραμμιστούν ελαφρώς με άλλους μη ενεργοποιημένους πόλους.

Ο επόμενος πόλος θα ενεργοποιηθεί και ο προηγούμενος πόλος θα απενεργοποιηθεί, τώρα οι μη ευθυγραμμισμένοι πόλοι θα ευθυγραμμιστούν με τον τρέχοντα ενεργοποιημένο πόλο, αυτό κάνει ένα μόνο βήμα.

Ο επόμενος πόλος ενεργοποιείται και ο προηγούμενος πόλος απενεργοποιείται, αυτό κάνει ένα άλλο βήμα και αυτός ο κύκλος συνεχίζεται αρκετές φορές για να κάνει μια πλήρη περιστροφή.

Εδώ είναι ένα άλλο πολύ απλό παράδειγμα πώς λειτουργεί ο κινητήρας stepper:

Γενικά τα δόντια του ρότορα είναι μαγνήτες διατεταγμένοι με εναλλασσόμενο τρόπο βόρειου και νότιου πόλου. Όπως οι πόλοι που απωθούν και σε αντίθεση με τον πόλο που προσελκύουν, τώρα το τύλιγμα πόλου «Α» ενεργοποιείται και αναλαμβάνει ενεργοποιημένο πόλο ως Βόρειο Πόλο και ρότορα ως Νότιο Πόλο, αυτό προσελκύει το νότιο πόλο του ρότορα προς τον στάτη πόλου «Α» όπως φαίνεται στην εικόνα.

Τώρα ο πόλος Α απενεργοποιείται και ο πόλος «Β» ενεργοποιείται, τώρα ο νότιος πόλος του ρότορα θα ευθυγραμμιστεί με τον πόλο «Β». Παρόμοιος πόλος «C» και πόλος «D» θα ενεργοποιηθεί και θα απενεργοποιηθεί με τον ίδιο τρόπο για να ολοκληρωθεί μία περιστροφή.

Μέχρι τώρα θα καταλάβατε πώς λειτουργεί ένας μηχανισμός stepper motor.

Τύποι κινητήρα stepper:

Υπάρχουν τρεις τύποι βηματικών κινητήρων:

• Μόνιμος μαγνήτης
• Μεταβλητό απρόθυμο στέπα
• Υβριδικό σύγχρονο stepper

Βήμα μόνιμου μαγνήτη:

Οι μόνιμοι κινητήρες stepper μαγνήτη χρησιμοποιούν δόντια μόνιμου μαγνήτη σε ρότορα που είναι διατεταγμένα με εναλλασσόμενο πόλο (Βορρά-Νότος-Βόρειος-Νότος ……), αυτό παρέχουν μεγαλύτερη ροπή.

Μεταβλητό απρόθυμο stepper:

Το μεταβλητό απρόθυμο stepper χρησιμοποιεί υλικό μαλακού σιδήρου ως ρότορα με αρκετό αριθμό δοντιών και λειτουργεί με βάση την αρχή ότι η ελάχιστη απροθυμία εμφανίζεται στο ελάχιστο διάκενο, πράγμα που σημαίνει ότι τα πλησιέστερα δόντια του ρότορα προσελκύονται προς τον πόλο όταν ενεργοποιείται, όπως ένα μέταλλο προσελκύεται προς έναν μαγνήτη.

Υβριδικό σύγχρονο stepper:

Στον υβριδικό βηματικό κινητήρα συνδυάζεται και η παραπάνω μέθοδος για τη μέγιστη ροπή. Αυτός είναι ο πιο κοινός τύπος βηματικού κινητήρα και επίσης ακριβή μέθοδος.
Βηματικοί τρόποι:

Υπάρχουν 3 τύποι βημάτων

• Πλήρης λειτουργία βηματισμού
• Λειτουργία μισού βήματος
• Λειτουργία Micro Stepping

Πλήρης λειτουργία Stepping:

Σε λειτουργία πλήρους βήματος μπορεί να γίνει κατανοητό με το ακόλουθο παράδειγμα: εάν ένας κινητήρας stepper έχει 200 ​​δόντια τότε, ένα πλήρες βήμα είναι 1,8 μοίρας (που δίνεται στην αρχή του άρθρου) δεν θα περιστρέφεται λιγότερο ή περισσότερο από 1,8 μοίρες.

Το πλήρες βήμα ταξινομείται περαιτέρω σε δύο τύπους:

• Μονοφασική λειτουργία
• Λειτουργία δύο φάσεων

Και στις δύο φάσεις, ο ρότορας παίρνει ένα πλήρες βήμα, η βασική διαφορά μεταξύ αυτών των δύο είναι, η μονή λειτουργία δίνει λιγότερη ροπή και η λειτουργία δύο φάσεων δίνει περισσότερη ροπή.

• Μονοφασική λειτουργία:

Σε μονοφασική λειτουργία ενεργοποιείται μόνο μία φάση (μια ομάδα περιέλιξης / πόλος) σε μια δεδομένη χρονική στιγμή, είναι η λιγότερο ενεργειακή μέθοδος αλλά δίνει επίσης λιγότερη ροπή.

• Λειτουργία δύο φάσεων:

Σε λειτουργία δύο φάσεων, δύο φάσεις (δύο ομάδες περιέλιξης / πόλος) ενεργοποιούνται σε δεδομένη χρονική στιγμή που παράγουν περισσότερη ροπή (30% έως 40%) τη μονοφασική λειτουργία.

Λειτουργία μισού βήματος:

Η λειτουργία μισού βήματος γίνεται για διπλή ανάλυση του κινητήρα. Στο μισό βήμα όπως υποδηλώνει το όνομα παίρνει το μισό από το ένα πλήρες βήμα, αντί για το πλήρες 1,8 βαθμό, το μισό βήμα παίρνει 0,9 βαθμό.
Το μισό βήμα επιτυγχάνεται με εναλλαγή της λειτουργίας μονοφασικής και της διπλής φάσης εναλλακτικά. Μειώνει την πίεση στα μηχανικά μέρη και αυξάνει την ομαλότητα στην περιστροφή. Το μισό βήμα μειώνει τη ροπή κατά περίπου 15%. Αλλά η ροπή μπορεί να αυξηθεί αυξάνοντας το ρεύμα που εφαρμόζεται στον κινητήρα.

Μικρό βήμα:

Το μικρο σκαλοπάτι γίνεται για την ομαλότερη περιστροφή. Ένα πλήρες βήμα χωρίζεται σε 256 βήματα. Για micro stepping χρειάζεται ειδικός ελεγκτής microstep. Η ροπή του αφαιρείται κατά περίπου 30%.

Οι οδηγοί πρέπει να εισάγουν ημιτονοειδές κύμα για περιστροφή υγρού. Οι οδηγοί δίνουν δύο ημιτονοειδή είσοδο με σταδιακή έξοδο 90 μοιρών.

Παρέχει τον καλύτερο έλεγχο περιστροφής και μειώνει σημαντικά τη μηχανική καταπόνηση και μειώνει τον θόρυβο λειτουργίας.

Τα κύρια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του κινητήρα stepper μπορούν να μάθουν με τα ακόλουθα σημεία:

Πλεονεκτήματα:

• Καλύτερος έλεγχος της γωνιακής περιστροφής.
• Υψηλή ροπή σε αργή ταχύτητα.
• Άμεση αλλαγή στην περιστροφική κατεύθυνση.
• Ελάχιστη μηχανική κατασκευή.

Μειονεκτήματα:

• Η ισχύς καταναλώνεται ακόμη και κατά τη διάρκεια της περιστροφής, αυτό γίνεται για το κλείδωμα του ρότορα σε σταθερή θέση.
• Δεν υπάρχει μηχανισμός ανάδρασης για διόρθωση σφαλμάτων περιστροφής και για παρακολούθηση της τρέχουσας θέσης.
• Χρειάζεται περίπλοκο κύκλωμα οδήγησης.
• Η ροπή μειώνεται με υψηλότερη ταχύτητα.
• Δεν είναι εύκολο να ελέγχετε τον κινητήρα σε υψηλότερη ταχύτητα.