Οι βηματικοί κινητήρες είναι ένας τύπος κινητήρα συνεχούς ρεύματος χωρίς ψύκτρες που περιστρέφεται σε διακριτά βήματα, καθιστώντας τους ιδανικούς για εφαρμογές που απαιτούν ακριβή θέση. Σε αντίθεση με άλλους κινητήρες, οι βηματικοί κινητήρες δεν απαιτούν αισθητήρες ανατροφοδότησης για να προσδιορίσουν τη θέση τους, λειτουργώντας ως ελεγκτές ανοιχτού βρόχου. Η κατανόηση των αρχών λειτουργίας και των τρόπων οδήγησης των βηματικών κινητήρων είναι σημαντική για την επιλογή του κατάλληλου κινητήρα για διάφορες εφαρμογές, όπως CNC, 3D printers και laser cutters. Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε τα βασικά στοιχεία των βηματικών κινητήρων, την κατασκευή τους και τους διαφορετικούς λειτουργικούς τρόπους που μπορούν να χρησιμοποιηθούν.

Αρχή Λειτουργίας των Βηματικών Κινητήρων

Η βασική αρχή λειτουργίας ενός βηματικού κινητήρα βρίσκεται στην αλληλεπίδραση ανάμεσα στο ρότορα και το στάτη καθώς διαφέρει από τους υπόλοιπους κινητήρες.

Ο ρότορας, συνήθως είναι κατασκευασμένος με αυλακώσεις – “δοντάκια”. Τα “δοντάκια” αυτά συνίθως έχουν απόσταση μεταξύ τους 1.8 μοιρές ή 0.9 μοίρες συνεπώς όσο μικρότερο το κενό μεταξύ των δοντιών σε τόσα περισσότερα βήματα μπορεί να προσφέρει ο κινητήρας.

Ο στάτης διαθέτει τυλίγματα – πηνία τα οποία μόλις τροφοτηθούν από ρεύμα δημιουργούν μαγνητικά πεδία τα οποία προκαλούν την περιστροφή του ρότορα.

Για την λειτουργεία του stepper motor απαιτείται η χρήση οδηγού (stepper motor driver). Ο Stepper Motor Driver για να προσφέρει κίνηση τροφοδοτεί με σωστή σειρά τα τυλίγματα του στάτη καθώς κάθε παλμός – βήμα περίστρεφει το ρότορα. Ανάλογα με το μέγεθος του παλμού διακρίνονται σε full- step, half step και το μέγεθος μικραίνει αυξάνοντας των αριθμό των βημάτων.

Αυτή η διαδικασία επιτρέπει την ακριβή θέση χωρίς την ανάγκη για αισθητήρες ανατροφοδότησης.

Είδη βηματικών κινητήρων

Βηματικός κινητήρας μόνιμου μαγνήτη
Βηματικός κινητήρας μεταβλητής μαγνητικής αντίδρασης
Υβριδικός βηματικός κινητήρας

Τι διαφορά έχει ένας Unipolar από έναν Bipolar βηματικό κινητήρα;

Ένα άλλο χαρακτηριστικό του κινητήρα που επηρεάζει επίσης τον έλεγχο είναι η διάταξη των πηνίων του στάτη που καθορίζουν την αλλαγή της κατεύθυνσης του ρεύματος. Για να επιτευχθεί η κίνηση του ρότορα, είναι απαραίτητο όχι μόνο να ενεργοποιηθούν τα πηνία, αλλά και να ελέγχεται η κατεύθυνση του ρεύματος, η οποία καθορίζει την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου που δημιουργείται από το ίδιο το πηνίο. Στους βηματικούς κινητήρες, το ζήτημα του ελέγχου της κατεύθυνσης ρεύματος επιλύεται με δύο διαφορετικές προσεγγίσεις.

Unipolar

Στους μονοπολικούς βηματικούς κινητήρες, ένα από τα καλώδια συνδέεται στο κεντρικό σημείο του πηνίου. Αυτό επιτρέπει τον έλεγχο της κατεύθυνσης του ρεύματος χρησιμοποιώντας σχετικά απλό ηλεκτρονικό κύκλωμα. Το κεντρικό καλώδιο συνδέεται με την τάση εισόδου. Εάν το MOSFET 1 είναι ενεργό, το ρεύμα ρέει από το AM στο A+. Εάν το MOSFET 2 είναι ενεργό, το ρεύμα ρέει από το AM στο A-, δημιουργώντας ένα μαγνητικό πεδίο προς την αντίθετη κατεύθυνση. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, αυτή η προσέγγιση επιτρέπει ένα απλούστερο κύκλωμα οδήγησης (απαιτούνται μόνο δύο ημιαγωγοί), αλλά το μειονέκτημα είναι ότι μόνο ο μισός χαλκός που χρησιμοποιείται στον κινητήρα χρησιμοποιείται κάθε φορά, αυτό σημαίνει ότι για το ίδιο ρεύμα που ρέει στο πηνίο , το μαγνητικό πεδίο έχει τη μισή ένταση από ότι αν χρησιμοποιόταν όλο το τύλιγμα. Επιπλέον, αυτοί οι κινητήρες είναι πιο δύσκολο να κατασκευαστούν δεδομένου ότι πρέπει να διατίθενται περισσότερα καλώδια ως είσοδοι κινητήρα.

Κύκλωμα για παλμοδότηση μονοπολικού βηματικού κινητήρα.

Πηγή Monolithicpower.com

Bipolar

Στους διπολικούς βηματικούς κινητήρες, κάθε πηνίο έχει μόνο δύο διαθέσιμα καλώδια και για να ελέγξετε την κατεύθυνση είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσετε μια γέφυρα τύπου H. Εάν τα MOSFET 1 και 4 είναι ενεργά, το ρεύμα ρέει από το Α+ στο Α-, ενώ εάν τα MOSFET 2 και 3 είναι ενεργά, το ρεύμα ρέει από το Α- στο Α+, δημιουργώντας μαγνητικό πεδίο προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτή η λύση απαιτεί ένα πιο περίπλοκο κύκλωμα οδήγησης, αλλά επιτρέπει στον κινητήρα να επιτύχει τη μέγιστη ροπή.

Κύκλωμα για παλμοδότηση διπολικού βηματικού κινητήρα.

Πηγή Monolithicpower.com

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα βηματικών κινητήρων

Πλεονεκτήματα

Λόγω της εσωτερικής τους δομής, οι βηματικοί κινητήρες δεν απαιτούν αισθητήρα για την ανίχνευση της θέσης του κινητήρα. Εφόσον ο κινητήρας κινείται εκτελώντας «βήματα», απλά μετρώντας αυτά τα βήματα, μπορείτε να λάβετε τη θέση του κινητήρα σε μια δεδομένη στιγμή.
Επιπλέον, ο έλεγχος βηματικού κινητήρα είναι αρκετά απλός. Ο κινητήρας χρειάζεται οδηγό, αλλά δεν χρειάζεται πολύπλοκους υπολογισμούς ή ρύθμιση για να λειτουργήσει σωστά. Γενικά, η προσπάθεια ελέγχου είναι μικρότερη σε σύγκριση με άλλους κινητήρες.
Οι βηματικοί κινητήρες προσφέρουν καλή ροπή σε χαμηλές ταχύτητες, είναι ιδανικοί για τη θέση συγκράτησης και τείνουν επίσης να έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής.

Μειονεκτήματα

Μπορούν να χάσουν ένα βήμα εάν η ροπή του φορτίου είναι πολύ υψηλή. Αυτό επηρεάζει αρνητικά τον έλεγχο, καθώς δεν υπάρχει τρόπος να γνωρίζουμε την πραγματική θέση του κινητήρα.
Αυτοί οι κινητήρες τραβούν πάντα το μέγιστο ρεύμα ακόμα και όταν είναι ακίνητοι, γεγονός που μειώνει την απόδοση και μπορεί να προκαλέσει υπερθέρμανση.
Οι βηματικοί κινητήρες έχουν χαμηλή ροπή και γίνονται αρκετά θορυβώδεις στις υψηλές ταχύτητες.