Vevői fiók
A TE kosaradban
Regisztráció

Léptetőmotorok – típusok és alkalmazások

2020-09-08

Léptetőmotorok – típusok és alkalmazások

A léptetőmotor egy szénkefe nélküli egyenáramú motor, amelyben minden egyes forgás (fordulat) a motor szerkezetétől függően bizonyos számú lépésre van felosztva. Jellemzően a teljes 360°-os tengelyfordulat 200 lépésre oszlik, ami azt jelenti, hogy 1,8°-onként egyetlen lépést hajtanak végre. Vannak olyan motorok is, amelyek egy lépést 2; 2,5; 5, 15 vagy 30°-onként hajtanak végre.

A leírt funkcionalitás a léptetőmotor speciális felépítésének köszönhetően lehetséges, amelyet az alábbiakban tárgyalunk meg. Annak a ténynek köszönhetően, hogy a tengely teljes fordulatszáma bizonyos számú különálló szakaszra oszlik, a léptetőmotor nem simán forog, hanem lépéseket tesz, kihagyva a köztes állapotokat, ezért a léptetőmotor működését jellegzetes hang és rezgés kíséri.

Manapság, a léptetőmotor meghajtók digitális áramkörökön alapulva készülnek, amelyek vezérlik az illesztőprogramokat, növelve a kimeneti terhelhetőséget. Az illesztőprogramok általában tartalmaznak mikrovezérlőket, bár ez nem feltétel, mivel egy ilyen meghajtó felépíthető kapuk és flip-flopok alapján is. A motor vezérlésének módja függ a típusától, a fázisok számától és a visszacsatolás használatától. Egyes vezérlőkben a tekercseken átfolyó áram a PWM hullámalak segítségével állítható be, míg a forgásirány és a lépések vezérlése négyszögjel hullámalakon keresztül történik. Ha azonban egy adott motor- és meghajtómodellt használunk, át kell tekinteni az adatlapjaikat a szabályozás helyes módszerének meghatározásához.

A vezérlő kimeneteire terhelt tekercselés bizonyos induktivitású és kapacitású tekercsekből áll. Reaktivitásuk a frekvenciával növekszik, ami korlátozza az átfolyó áramot és a maximális kapcsolási frekvenciát. Amikor egy adott alkalmazáshoz választunk motort, mindig vannak olyan kompromisszumok, amelyeket figyelembe kell venni, például a maximális szögsebesség és a szükséges nyomaték a felbontáshoz viszonyítva. Ez a cikk összegzi az alapvető információkat a bipoláris és unipoláris léptetőmotorok működési elvéről és a legfontosabb szempontokról, amelyeket figyelembe kell venni a motor kiválasztásakor az adott alkalmazáshoz.

Léptetőmotor – hogyan működik?

A léptetőmotor a rotorból és az állórészből áll. Az állórész vagy stator a gép álló része, míg a rotor, amelyet csapágyakkal szerelnek fel a tengelyre, az állórész körül létrehozott forgó mágneses mező nyomán forog. Az acélból vagy más fémből készült állórész az elektromágnesek váza, nevezetesen a rotor körül meghatározott helyekre szerelt tekercseké. Amikor az áram átfolyik az állórész tekercsén, létrejön körülöttük a mágneses mező. Az egyes mágneses fluxusok iránya és intenzitása az adott tekercsen átáramló áram áramerősségétől és irányától függ.

A tekercs áramellátása esetén az érintett elektromágnest a rotorra szerelt mágnes (fog) vonzza, amelyet hozzá képest valamilyen eltolás elmozdít. Ezután a rotor és a tengely olyan szögben forog, amelynél a mágneses fluxus vagy több fluxus eredője a legkevésbé taszítja. Az egyik eltolással történő elmozdulás után az állórészen egy másik elektromágnes (tekercs vagy tekercsek) bekapcsol, és a rotort új helyzetbe húzzák. A következő tekercsek kapcsolásával a rotor további lépéseket tehet előre vagy hátra, vagy teljes vagy részleges elfordulást végezhet a tengelyen.

A fenti leírás szerint a léptetőmotort elektromágnesek sorozataként lehet elképzelni, amelyek vonzzák a rotor mágnesét. Ez azonban még jóval bonyolultabb, mivel a mágnest vonzza az elektromágnes-szerelvény körül kialakuló mező. Így nem csak a teljes lépéses üzemmód, hanem ún. féllépéses művelet is lehetséges (egy lépés kettéosztva), vagy még kisebb, amelyet mikrolépéses műveletnek hívnak.

Léptetőmotor – teljes léptetés mód

A léptetőmotor működési elvét teljes léptetés (egészlépés) üzemmódban az 1. ábra szemlélteti. Ebben az üzemmódban a motor a felépítéstől függő szögben forog, pl. 1,8°. Könnyű kiszámolni, hogy ebben az esetben 200 lépés (200×1,8°=360°) megtétele szükséges a teljes fordulathoz. A tengely fordulata egy vagy két tekercs kapcsolása után megy végbe.

Az egytekercses működés minimális meghajtó-teljesítményt igényel. A kétfázisú működés esetén két ellentétes tekercset táplálnak, és kétszer akkora teljesítményre van szükség, de a sebesség és a nyomaték is növekszik.

Motor teljes léptetés módban 1. ábra A teljes léptetésű motor működési elve kétfázisú tápegységgel

Léptetőmotor –féllépéses mód

A motor működésének elve féllépéses üzemmódban a 2. ábrán látható. Amint a neve is mutatja, ez az üzemmód lehetővé teszi a különálló rotor raszter két részre osztását és a névleges szög felével történő elfordulását egy mozdulatban. A fenti példában egy lépés 0,9°-os léptékben teljesül, míg a teljes fordulat alatt megtett lépések száma 400-ra nő.

A féllépéses üzemmódhoz a két fázisra (tekercsekre) váltakozó kapcsolót kell kapcsolni. Ez a nyomaték növekedését eredményezi az egyfázisú üzemmódhoz képest, „gördülékenyebb” motormunkát, valamint kétszeres szögfelbontást.

Motor féllépéses módban

2. ábra A féllépéses motor működési elve kétfázisú tápegységgel

Léptetőmotor – mikrolépés mód.

Mikrolépés módban a névleges rasztertávolság még rövidebb szakaszokra oszlik, mint a féllépéses módban. A maximális osztási tényező 256. A rotor egyedi helyzetét a tekercsek mágneses fluxusának eredőjéből kapjuk meg, amelyet egy lépéshullám szolgáltat. A mikrolépéses működést azokban az alkalmazásokban részesítik előnyben, ahol a motor „sima” működése és/vagy nagy pozicionálási pontosság szükséges. Amikor a motort mikrolépéses módban használják, az alkalmazás követelményeire is figyelmet kell fordítani a motor forgási sebességével kapcsolatban. Mint már említettük, a tekercs induktív reaktanciája a motor tekercsében lévő áram kulcsfrekvenciájával növekszik. A nagyobb forgási sebesség gyakoribb kapcsolást igényel, majd a tekercsek magasabb frekvenciáját. Ez a tekercs impedanciájának növekedését és a tekercseken átáramló átlagos áram csökkenését eredményezi. A motor működése szempontjából az a fontos, hogy a tekercsekben lévő áram csökkenésével csökken a forgatónyomaték, ami lengéshez vezethet, megállíthatja a rotort vagy kimaradhat motorléptetés, következésképpen a motor által hajtott gépezet elemeiben is. Ezért amikor a motort mikrolépés módban használják, a felhasználónak különös figyelmet kell fordítania az adatlap átolvasására. Az adatlap valószínűleg tartalmaz egy grafikont, amely a nyomaték értékét mutatja a tekercsen átfolyó áram frekvenciájának függvényében.

A léptetőmotor típusai

Felépítése szempontjából a léptetőmotor nem különösebben bonyolult, olyan, akár egy tipikus szálcsiszolt egyenáramú motor, amit azonban precízebben kell megépíteni. A modern BLDC motorok nagyon hasonlítanak az állandó mágneses léptetőmotorokhoz, és nagyon hasonló módon vezérlik is őket. Az alapvető kritériumok, amelyek megkülönböztetik a léptetőmotorok típusait, a felépítésük és a tekercsek meghajtásához szükséges fázisok száma. A felépítéstől függően az egyes léptetőmotorok típusai cél (célalkalmazás), felbontás és az elért nyomaték szerint különböznek egymástól.

Állandó mágneses léptetőmotorok

Az állandó mágneses motornak lehetne két tekercse (elektromágnes), amely a négy változó pólust alkotja, a rotor pedig sugárirányban lehetne mágnesezett. A rotor helyzetének változását a tekercsekben lévő áramirány megváltozása okozná, megváltoztatva a mágneses pólusokat. Az áramirány megfelelő változtatásával a rotor 90°-kal fordulna el. Egy ilyen motor egyetlen lépése, bár néhány alkalmazásban hasznos lehet, nagyon nagy és pontatlan lenne. Ezért a valóban létező állandó mágneses motoroknál több rotor pólus és számos mágnes van felszerelve a rotorra a lépések számának növelése és a pozicionálási pontosság érdekében.Általában az állandó mágneses léptetőmotorok lépésenként 7,5–15 °-kal mozdulnak el, ami 48–24 lépést jelent teljes fordulatonként. A mágnesezett rotor pólusai növelik a mágneses indukciót, ezért az állandó mágneses motorok nagy nyomatékkal rendelkeznek. Az egyszerű felépítés a motor esetében mérsékli árat és meglehetősen alacsony felbontást eredményez.

Változó reluktanciájú léptetőmotorok

A változó reluktanciájú motorok az első léptetőmotoros modellek közé tartoztak. Ma már ritkán használják őket. Ebben a motortípusban a rotor számos, lágy vasból készült fogból áll. Ha az állórész tekercseit egyenáram táplálja, a rotorfogat vonzza a mágneses mező. A szekvenciális kapcsolásnak köszönhetően a rotor a motor szerkezete által meghatározott szöggel forog.Az ilyen típusú motorok, bár egyszerű felépítésűek és könnyen irányíthatók, alacsony felbontással és alacsony nyomatékkal rendelkeznek.

Hibrid léptetőmotorok

A hibrid motor az iparág egyik legszélesebb körben alkalmazott léptetőmotorja. Nagy felbontású - rotorja 0,9–3,6°-onként tesz meg lépéseket (400–100 lépés/fordulat). Ez a típusú motor megbízhatóság, nyomaték, tartási nyomaték és az elért forgási sebesség tekintetében is felülmúlja a többi típust. A hibrid motor rotorja állandó mágnesekből áll, de a fent tárgyalt modellektől eltérően a mágneseket nem sugárirányban, hanem axiálisan mágnesezik. A rotor általában két, egymással ellentétesen mágnesezett gyűrűből áll, amelyek a motor tengelyén vannak elhelyezve. Minden gyűrű réselt horonnyal rendelkezik, amelyek a rotor fogait alkotják.

Unipoláris és bipoláris motorok

A léptetőmotorok másik osztályozása a 2-fázisú motorok tekercselési típusán alapszik. Az osztályozás szerint a motorok unipoláris és bipoláris motorok csoportjába vannak felosztva. A fő különbség az, hogy az unipoláris motor egy áram (feszültség) polaritással, míg a bipoláris motor két polaritással működik, ami azt jelenti, hogy a tekercsben az áramlás iránya változó. Egy másik különbség az, hogy a motor tekercseit össze kell kapcsolni, hogy az áram átkerülhessen az egyik tekercs végéről a másik elejére. Ez a csatlakozási módszer lehetővé teszi egy polaritású áram (feszültség) használatát. A felépítésében mutatkozó különbségeket mindkét típusú motor esetében az egyszerűsített 3. és 4. ábra mutatja.

Bipoláris motorok 3. ábra A bipoláris motor és tekercseinek összekapcsolása

Unipoláris motorok 4. ábra Vázlatos rajz az unipoláris motor és a tekercsek csatlakoztatásának módjáról

A bipoláris motor nagyobb nyomatékkal bír, mint az unipoláris motor, de vezérlése viszont bonyolultabb.

A léptetőmotorok előnyei és hátrányai

A léptetőmotorok fő előnyei a működtetés pontossága, valamint a rotor helyzetének és forgási sebességének könnyű szabályozása. Az eredmény viszonylag egyszerű konstrukcióval megoldható és a végső megoldás is alacsony költséggel érhető el. A forgatónyomaték nagyon nagy, míg a forgási sebesség alacsony. A motor szénkefe nélküli, ezért nagyon tartós és megbízható. Egy másik fontos jellemző a motor könnyű irányítása: gyorsindítás a nagy nyomaték miatt, könnyű leállítás a nagy tartási nyomaték miatt és a forgásirány gyors megváltoztatásának képessége. Az indítási és leállítási jellemzők egyszerű formázása szintén sok alkalmazásban kulcsfontosságú.

A léptetőmotor egyik fő hátránya a magas energiafogyasztás. A motornak áramellátásra van szüksége mozgás közben és megállás közben is. A motor nyomatéka viszonylag alacsony forgási sebességgel (RS) a legnagyobb, és magas RS mellett csökken. Mint említettük, a forgatónyomaték nagymértékben függ a tekercseken átfolyó áram áramerősségétől, az áram pedig az impedanciától függ, amely nagyobb kapcsolási frekvenciával növekszik. Ez az oka annak, hogy lehetetlen elérni a nagy fordulatszámot, ugyanakkor megtartani a motor nyomatékát és képességét, hogy „elbírja” a szükséges terhelést. Ha a nyomaték nem elégséges, elveszett mozgás (és kihagyott lépések) következik be. Éppen ezért a motor megbízható vezérléséhez visszacsatolási mechanizmusra van szükség. Készülhet kódoló vagy más típusú érzékelő alapján. A mechanizmus „biztosítja”, hogy a motor megtegye a szükséges számú lépést.

A léptetőmotorok vezérlése

A hajtás felépítésének bevált gyakorlata az, hogy ezeket egy teljes készletként, azaz a motor és a vezérlő számára tervezik meg, mert mindkettő paraméterei befolyásolják a teljes hajtásrendszer munkáját. Röviden, még a legjobb motor sem tud megfelelően működni a megfelelő vezérlő nélkül és fordítva. A hajtás teljesítménye nagymértékben függ a motor és a vezérlő készlet megválasztásától. A léptetőmotorok fejlesztésének fő tendenciája az, hogy kevésbé inertek legyenek, miközben nagyobb felbontást (lépésszámot), nyomatékot és teljesítményhatékonyságot biztosítanak.

Ez az oka annak, hogy a motorok a fent leírt alaptípusokkal együtt annyi módosítással rendelkeznek. A módosítások célja az említett paraméterek javítása. A motorok a tekercsek számában és ezért a vezérlő algoritmusukban is eltérhetnek.

Az interneten számos léptetőmotoros vezérlő található. A legegyszerűbbektől, a forgási sebesség szabályozására szolgáló potenciométerrel és a forgásirányváltó gombbal különálló alkatrészekből (kapuk, flip-flopok és tranzisztoros kapcsolók), a legkifinomultabbakig, pl. a speciális integrált áramkör-illesztőprogramokon és DSP processzorokon alapulók. Az ilyen kialakítások azonban inkább amatőr vagy kísérleti célokra használhatók, mint az ipar számára. Ez utóbbi esetben jobb, ha univerzális, készre szerelt megoldásokat választ, megbízható gyártóktól.

Nem professzionális alkalmazásokhoz Arduino alapú motorvezérlő is építhető, megfelelő erősítővel vagy motor meghajtóval. A panel (bővítő modul) megválasztása a használt motortól függ.

A bipoláris motort olyan árammal kell táplálni, amely két irányban folyhat. A mag mágneses fluxusának eltereléséhez egyetlen bistabil kapcsolót kell használni, amely váltakozva kapcsolt tranzisztorokból készül (félhíd rendszer). Az unipoláris motort egy irányban áramló árammal kell vezérelni. Éppen ezért tekercsenként egy tranzisztoros kapcsoló is elegendő. Könnyű megérteni, hogy az unipoláris vezérléshez kisebb számú tranzisztorkapcsoló szükséges, de ügyelni kell arra, hogy a tekercseléseknek csak a fele működik egy adott pillanatban. Ezért az unipoláris motor alacsonyabb nyomatékot produkál, mint egy bipoláris motor. A bipoláris motorok bonyolultabb vezérlőrendszert igényelnek, de sok gyártó speciális integrált áramköröket kínál, amelyek két teljes tranzisztorhidat tartalmaznak, túlmelegedés, túláram és túlfeszültség elleni áramköröket, valamint a motor vezérlését megkönnyítő logikai kapukat. Ilyen integrált áramköröket kínál az STM, a Toshiba Electric és mások.

Tekintse meg vezérlőink kínálatát

A fél- vagy mikrolépésben működő motorok irányítása sokkal összetettebb. Megköveteli a mágneses fluxusok manipulálásának képességét, hogy az eredő mező a forgórészt egy részlépésben, és ne az egész lépésben mozgassa.

Befejező megjegyzések

Manapság a léptetőmotorokat sokféle eszközben hasznosítják, amelyek nagy pontosságú mozgásszabályozást és pontos helyzetmeghatározást igényelnek. Ezért főként ott alkalmazzák őket, ahol a mozgás és a pozicionálás nagyon pontos ellenőrzésére van szükség, hiszen a megfelelő eszköz és szoftver könnyen előállítható egy számítógép és egy vezérlő segítségével. A léptetőmotorokat orvosbiológiai készülékekben, számítógépes lemezmeghajtókban, nyomtatókban, szkennerekben, fényképezőgép-vezérlőkben, intelligens fényrendszerekben, motor-szabályozó elemek vezérlésében, robotikában, 3D nyomtatókban és szkennerekben, XY plotterekben, CNC gépeknél és egyéb eszközökben is használják. A léptetőmotorok legnépszerűbb felhasználási területe a nyomtató: a régebbi pont-mátrix nyomtatóktól a modern 3D-nyomtatókig, melyeknek működési módja meglehetősen különbözik a hagyományos nyomtatástól. A léptetőmotoros alkalmazások manapság nagyon jól ismertek, és könnyen alkalmazhatók hobbifelhasználóknak is, akik pl. CNC eszközöket vagy 3D nyomtatókat használnak. A léptetőmotorokat az Arduino megfelelő irányítással (pl. Integrált áramkör-pajzs L293D) könnyen vezérelheti. Számos lehetőséget kínál megannyi érdekes alkalmazás felépítésére. Mindezen túl felhasználhatók az ipar különböző ágaiban, háztartásban vagy magánhobbi műhelyekben.

EZT IS OLVASD EL

A Te böngésződ már elavult, tölts le egy újabb verziót

Firefox Firefox Letöltés
Internet explorer Internet Explorer Letöltés