Léptetőmotorok

Léptetőmotor

en: stepper motor
de: Schrittmotor

A léptetőmotor egy komutátor - és szénkefe - nélküli egyenáramú motor, melynek a forgása több, egyenlő lépésre van tagolva. A forgórész nagyon pontosan pozícionálható, és álló helyzetben is tartónyomatékot fejt ki. A motorok - felépítésük alapján - három nagy csoportba sorolhatók:

en: Permanent Magnet, PM

Ebben a típusban a forgórész egymás mellé, sávokba rendezett felmágnesezett elemekből áll. Az állórészben elektromágnesek találhatók. Ezeknek a tekercseinek a megfelelő sorrendben áram alá kapcsolásával forgómozgás hozható létre a nem fogazott és fixen felmágnesezett forgórészen.

Ez a megoldás általában a kisebb és alacsony kölségű motorok sajátja, mivel a felbontása alacsony, 7° - 15° között változhat, így egy fordulat legfeljebb 24 lépésre bontható a teljes-lépéses módban, de általában mikrolépéses vezérléshez is alkalmazható (ilyenkor jóval nagyobb lépésszám érhető el rajta).

Jellemző kivitelében a forgórész 90 mágnesből áll, mig az állórész 4 elektromágnesből.
Állandó mágneses léptetőmotor

Ilyen motorok találhatók a PC-k hűtőventilátoraiban, a merevlemezek, CD-k/DVD-k meghajtóiban.

en: Variable Reluctance, VR

A változó mágneses léptetőmotorokben a forgórész lágy ferromágneses anyagból kerül kialakításra (azaz nem állandó mágnesekből). Fontos, hogy az állórész és a forgórész horonyainak a száma eltérő legyen, így több lépésű pozícionálás valósítható meg ezekkel a motorokkal. Változó mágneses léptetőmotor

en: Hybrid
A hibrid megoldás, azaz a fenti VR és PM típusok ötvözete a leggyakrabban alkalmazott léptetőmotor típus. Jellemzően teljes lépéses módban 200 lépés alatt tesz meg egy fordulatot, azaz 1,8°-os lépésekkel rendelkezik. Mivel a mikrolépéses vezérléshez is alkalmazható, így a lépésköz jelentősen csökkenthető a típusnál.

Unipoláris vezérlésnél a tekercselésnek csillagpontja van, és a tekercseket kapcsolótranzisztorok kapcsolják be és ki.

A lenti ábrán néhány jellemző vezetékezés látható. A negyedik esetben az is látható, hogy vannak léptetőmotorok, amik mind unipoláris, mint bipoláris kötéssel is alkalmazhatók:

Unipoláris / bipoláris típusú léptetőmotorok

Egyébként ezek a legjellemzőbb típusok is, amellett, hogy a legelterjedtebb típus az első, azaz a négyvezetékes bipoláris motor. A motorok vezetékezése standardizált, ennek a három (négy) jellemző típusnak a vezeték-színsémái az alábbi képen találhatók meg (rákattintva nagyítható):

Léptetőmotorok jellemző vezeték-színsémáiNEMA 17/42 hibrid léptetőmotor

A fázisszám a léptetőmotor meghajtását végző áram fázisainak számát jelenti, amelyet az egyes fázisok között lévő villamos fázisszöggel tudunk jellemezni. A fázisszám így a motor függetlenül kapcsolható tekercseinek számát is jelenti, amely konstrukciós alapjellemző. A leggyakrabban alkalmazott léptetőmotorok jellemzően 4 fázissal és 90°-os fázisszöggel rendelkeznek.

A fázisszám-fázisszög összefüggés: Φ=360°/Z, Φ:fázisszög, Z:fázisszám.

en: degrees per step / steps per revolution
Ez is egy konstrukciós alapjellemző, azt jelzi, hogy a motor hány (teljes) lépésben tud megtenni egy fordulatot. A lépésszám mellett ez a (teljes) lépésszöggel is jellemezhető.

A lépésszám-lépésszög összefüggés: φ=360°/z, φ:lépésszög, z:lépésszám.

A legjellemzőbb lépésszám per fordulat értékek: 24, 48, 200.

Áttétel

en: gearing

A lépésszámot/lépésszöget a motor áttételei nyilván befolyásolják: például egy 32:1 áttételezésű, 24-es lépésszámú motor (32*24) 768 lépésben fog megtenni egy fordulatot, így a lépésszöge 0,47° lesz.

Az áttétel a motor fordulatszámát csökkenti, míg nyomatékát emeli.

A teljes lépések esetén a tekercsek minden lépésben a névleges feszültséggel kerülnek vezérlésre. Köztes lépések úgy hozhatók létre, hogy ezt a feszültséget felezzük / negyedeljük / 2 hatványaival osztjuk. A felezés esetén több esetben a mikrolépéses módtól a félléptetéses módot is megkülönböztetik. Erősen motorfüggő, hogy a lépéseket mennyi további, úgynevezett mikrolépésre tudjuk tagolni, de ennek a technikának a maximuma az 1/32-es mikrolépés általában. A mikrolépésekhez szükséges kvázi analógvezérlést többnyire a PWM technikán keresztül szokás megvalósítani. Ez a megoldás vezérlési oldalról is kissé összetettebb hardvert igényel.

Mikrolépéses vezérlés

Jobb hijján áram-visszavezetésnek fordítom. A mikrolépéses mód jellemzően PWM-en keresztül kerül a léptetőmotoroknál megvalósításra, a PWM pedig FET-eken keresztül kerül kivezérlésre. A FET bekapcsolt állapotában a tekercseken induktív terhelés jön létre, ami a FET lekapcsolása után ellenirányú áramot generál az áramkörben, így adott esetben a FET idő előtti tönkremenetelét eredményezheti.

Decay 1

Ennek a problémának a feloldására több lehetőség is nyílik, így például diódán vagy egy FET-ekből összeállított H-hídon kersztül is kezelni lehet ezt a helyzetet, ráadásul a helyzet kezelésére rögtön kétféle módszer is létezik. Illetve három:

"Fast Decay" mód

Ebben az esetben az indukciós áram elvezetése gyorsan történik: Működés közben az áram az AH és BL FET-eken folyik át. Ezeknek a lezáródása esetén (az impulzus végeztével) az AL és BH FET-ek gondoskodnak a gyors elvezetésről:

"Fast Decay" mód forrás: https://ebldc.com/?p=86

"Slow Decay" mód

Ilyenkor az indukciós áram elvezetése lassan történik: Működés közben az áram az AH és BL FET-eken folyik át. Ezeknek a lezáródása esetén (az impulzus végeztével) az AL és BL FET-ek gondoskodnak a gyors elvezetésről:

"Slow Decay" mód forrás: https://ebldc.com/?p=86

"Mixed Decay" mód

Ebben a módban a fenti lassú és gyors decay-ek kombinálása történik, bizonyos % megosztással. Elvileg, ha ez a százalékérték közelít a gyors decay-hez, akkor (ha a léptetőmotor nem mikrolépés-vezérlésben van) a motor merevebben "beleáll" a pozíciókba, míg a lassú decay aránya tompítja ezt. Elvileg.

NEMA léptetőmotor standard A NEMA egy amerikai szabványosítási intézet, mely a léptetőmotorok szabványosítására is kísérletet tett, több-kevesebb sikerrel.

A NEMA szabvány alapvetően a motorok méretét szabványosította, teljesítményük nyilván függ a méretüktől, de erről a szabvány egyértelműen nem rendelkezik.

A lenti táblázatban a főbb NEMA osztályok méretezéseit foglaltam össze:

NEMA standardNEMA 8NEMA 11NEMA 14NEMA 17NEMA 23NEMA 34NEMA 42
DD: A motor mérete ~20.3 mm
~0.8 inch
~28 mm
~1.1 inch
~35.6 mm
~1.4 inch
~43.2 mm
~1.7 inch
~58.4 mm
~2.3 inch
~86.4 mm
~3.4 inch
~106.7 mm
~4.2 inch
a: a rögzítőfuratok távolsága16 mm
0.630 inch
23 mm
0.905 inch
26 mm
1.024 inch
31 mm
1.220 inch
47.14 mm
1.854 inch
69.7 mm
2.744 inch
88.9 mm
3.500 inch
b: a tengely átmérője4 mm
0.157 inch
5 mm
0.197 inch
5 mm
0.197 inch
5 mm
0.197 inch
6.35 mm
0.250 inch
9.5 mm
0.375 inch
16 mm
0.625 inch
c: tengelyhossz maximum mm
24 mm
0.945 inch
20.6 mm
0.810 inch
31.8 mm
1.250 inch
35.1 mm
1.380 inch
d: belső átmérő15 mm
0.590 inch
22 mm
0.866 inch
22 mm
0.866 inch
22 mm
0.866 inch
38.1 mm
1.500 inch
73 mm
2.875 inch
55.5 mm
2.186 inch
e: belső rész kiemelkedése maximum mm
1.5 mm
0.059 inch
2 mm
0.079 inch
2 mm
0.079 inch
2 mm
0.079 inch
1.6 mm
0.062 inch
1.6 mm
0.062 inch
1.6 mm
0.062 inch
f: motorház átmérője 43.8 mm
1.725 inch
66.7 mm
2.625 inch
98.4 mm
3.875 inch
125.7 mm
4.950 inch
g: rögzítőfuratok átmérője3 mm
0.118 inch
4 mm
0.157 inch
4 mm
0.157 inch
5 mm
0.195 inch
5 mm
0.195 inch
5.5 mm
0.218 inch
7.1 mm
0.281 inch
NEMA léptetőmotor standardNEMA léptetőmotor standard