Βηματικοί κινητήρες, ή βηματικά μοτέρ, ή Stepper motors
Μια παραλλαγή των κινητήρων BLDC είναι οι βηματικοί κινητήρες (Stepper motors). Οι βηματικοί κινητήρες αποτελούνται από έναν περιστρεφόμενο ρότορα και από τους σταθερούς ηλεκτρομαγνήτες (τυλίγματα) το στάτη. Οι βηματικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται αποκλειστικά σε συνδυασμό με ψηφιακά κυκλώματα επειδή οδηγούνται πολύ εύκολα από αυτά. Κινούνται σε ακριβείς γωνιακές αυξήσεις, γνωστές ως βήματα (step), όποτε εφαρμόζονται σε αυτούς ψηφιακοί παλμοί τάσης. Το πλήθος και η ταχύτητα εφαρμογής των παλμών (των βημάτων) ελέγχουν την θέση και την ταχύτητα αντίστοιχα του άξονά τους, που συνδέεται με το ρότορα του κινητήρα.
Στους παραδοσιακούς ηλεκτρικούς κινητήρες εφαρμόζεται μια τάση π.χ. συνεχής DC 12V ή 24V ή εναλλασσόμενη AC 220V και ο άξονάς τους περιστρέφεται. Μόλις σταματήσει η εφαρμογή της τάσης εκτελείται επιβραδυνόμενη κίνηση μέχρι να σταματήσει. Αντίθετα στους βηματικούς κινητήρες εφαρμόζεται τάση σε διαδοχικά τυλίγματά του σε μικρά διακριτά χρονικά βήματα. Μόλις σταματήσει η εφαρμογή της τάσης αυτός σταματάει ακαριαία. Όταν είναι σταματημένος ο βηματικός κινητήρας κλειδώνει και δεν κινείται ελεύθερα όπως ο αναλογικός κινητήρας. Το κλείδωμα αυτό επιτυγχάνεται λόγω της μαγνητικής έλξης του σταματημένου ρότορα πάντοτε απέναντι από ένα τύλιγμα (βλέπε παράπλευρο σχήμα). Το κλείδωμα είναι ακόμα πιο ισχυρό αν συνεχιστεί η τροφοδοσία με τάση του τυλίγματος (όπως συμβαίνει στους εκτυπωτές dot matrix).
Οι βηματικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται σε Εκτυπωτές, Plotter, Οπτικούς δίσκους, Μηχανές CNC, Ρομπότ, Φωτοτυπικά μηχανήματα, Ιατρικά όργανα, Μηχανές συσκευασίας, Ρολόγια, Κάμερες, Χρονοδιακόπτες κ.τ.λ. Γενικότερα χρησιμοποιούνται εκεί όπου απαιτείται ακριβής και εύκολος ψηφιακός έλεγχος θέσης από υπολογιστή. Η κίνησή τους γίνεται εκτελώντας συγκεκριμένο αριθμό βημάτων. Κάθε ένα βήμα αντιστοιχεί σε συγκεκριμένη γωνία. Συνηθισμένοι βηματικοί κινητήρες του εμπορίου εκτελούν βήμα γωνίας 1,80, ή 7,50, ή 150.
Αν οδηγηθεί ένας βηματικός κινητήρας βήματος 1,80 να εκτελέσει 40 βήματα, ο άξονας του θα περιστραφεί κατά 40*1,8=720, παρόμοια ένας βηματικός κινητήρας βήματος 7,50 μετά από 40 βήματα θα περιστραφεί κατά 40*7,5=3000.
Τα βήματα μπορούν να γίνουν μισά 1,80/2= 0,90 με το τέχνασμα: Τροφοδοτούμε π.χ. τα τυλίγματα 2a-2b, μετά ταυτόχρονα τα 2a-2b και τα 1a-1b οπότε έχουμε προσανατολισμό του ρότορα στην ενδιάμεση θέση μεταξύ των 2b και 1a. Μεταξύ των βημάτων παρεμβάλλεται απαραίτητα χρονοκαθυστέρηση. Όσο μικρότερη είναι η χρονοκαθυστέρηση αυτή τόσο πιο γρήγορα γίνεται η εναλλαγή και τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα περιστροφής. Για να αντιστραφεί η φορά περιστροφής του κινητήρα αρκεί να αντιστραφεί η σειρά με την οποία εφαρμόζεται ηλεκτρική τάση στα ζεύγη των ηλεκτρομαγνητών.
Υπάρχουν 2 βασικοί τύποι βηματικών κινητήρων. Οι Bipolar (διπολικοί) και οι Unipolar μονοπολικοί.
Bipolar stepper motor ή διπολικοί βηματικοί κινητήρες
Διαθέτουν 4 αγωγούς, οι οποίοι τροφοδοτούν ανά 2 ζεύγη 4 ηλεκτρομαγνήτες εναλλάσσοντας κατάλληλα την πολικότητα της τάσης. Οι 4 ηλεκτρομαγνήτες 1a-1b και 2a–2b είναι εκ κατασκευής συνδεδεμένοι σε σειρά. Αν τροφοδοτήσουμε τους ηλεκτρομαγνήτες 4 φορές διαδοχικά σύμφωνα με τον πίνακα το μαγνητικό δίπολο στο κέντρο θα περιστραφεί κατά 4 βήματα 90 μοιρών δηλαδή κατά 360 μοίρες. Αντιστροφή εφαρμογής με τη σειρά 0001à1000à0010à0100 προκαλεί αντιστροφή φοράς κίνησης.
Unipolar stepper motor ή Μονοπολικοί βηματικοί κινητήρες
Διαθέτουν 5 ή 6 αγωγούς σύνδεσης των τεσσάρων ηλεκτρομαγνητών Α-Α΄, Β-Β΄, C-C΄ και D-D με την τάση τροφοδοσίας. Τα 2 από τα 6 καλώδια τροφοδοσίας συνδέονται μόνιμα με το - της τροφοδοσίας. Η θετική τάση τροφοδοσίας τοποθετείται διαδοχικά σε ένα από τα 4 καλώδια για εκτέλεση των βημάτων.
Εφαρμόζοντας διαδοχικά τάση π.χ. 5V στα τυλίγματα A-A’, B-B’, C-C και τέλος στα D-D’ έχουμε 4 βήματα ή steps (στο παράπλευρο σχήμα των 4Χ150 =600). Βλέπουμε, ότι εδώ δεν έχουμε εναλλαγές του +5V και 0V στα ίδια καλώδια όπως στο διπολικό βηματικό κινητήρα.
Σύγκριση μονοπολικών και διπολικών κινητήρων
Στο εμπόριο υπάρχουν κινητήρες μόνιμου μαγνήτη μονοπολικοί ή διπολικοί. Η επιλογή μεταξύ της χρήσης ενός μονοπολικού ή διπολικού κινητήρα εξαρτάται από την απλότητα του κυκλώματος οδήγησης τη ροπή και από την απόδοση ισχύος. Οι διπολικοί κινητήρες δίδουν περί το 30% μεγαλύτερη ροπή από τους μονοπολικούς του ίδιου μεγέθους. Αυτό οφείλεται στο ότι στους μονοπολικούς κινητήρες ενεργοποιείται κάθε φορά μόνο το μισό τύλιγμα. Αντίθετα ένας διπολικός κινητήρας ενεργοποιείται κάθε φορά ολόκληρο το τύλιγμα.
Πλεονεκτήματα των βηματικών κινητήρων
Ο έλεγχος είναι σχετικά εύκολος και φτηνός, αφού οδηγούνται πολύ εύκολα από υπολογιστή. Δεν χρειάζονται φρένο, αφού σταματάνε ακαριαία αν δεν εφαρμοστεί παλμός. Στις μικρές ταχύτητες περιστροφής, αλλά και κατά την εκκίνησή παράγουν σχετικά μεγάλη ροπή. Εδώ επισημαίνεται ότι η παραγωγή κίνησης και ο έλεγχος της με βηματικό κινητήρα είναι απλούστατος αφού θα μπορούσε να οδηγηθεί κόστους <10€ από μια πλακετα Arduino.
Μειονεκτήματα των βηματικών κινητήρων:
Θορυβώδης λειτουργία, μικρός βαθμός απόδοσης, συγκρινόμενοι με τους DC έχουν περιορισμένη ταχύτητα και ροπή, σχετικά ακριβοί, πιο ογκώδεις. Γενικά, οι βηματικοί κινητήρες είναι συνήθως μικρότερης ισχύος από έναν ίππο (1hp=746 W) και έτσι χρησιμοποιούνται μόνο σε εφαρμογές ελέγχου θέσης χαμηλής ισχύος.
Ροπή
Μετριέται σε N*m (Newton meters). Eίναι η ροπή που παράγει ο κινητήρας στις διάφορες ταχύτητες περιστροφής του. Η μέγιστη τιμή ροπής κάθε κινητήρα, που ονομάζεται ροπή ακινητοποίησης, είναι η ροπή που παράγει όταν το φορτίο που αντιμετωπίζει είναι τόσο μεγάλο, ώστε να τον ακινητοποιεί. Η ροπή που αναπτύσσεται όταν ο ρότορας ενός stepper motor μετακινείται κατά ένα βήμα ονομάζεται ροπή μετακίνησης.
Συνοψίζοντας: Οι βηματικοί κινητήρες οδηγούνται (τροφοδοτούνται) ΜΟΝΟΝ από ψηφιακά κυκλώματα όπως π.χ. υπολογιστές. Η ταχύτητά τους μεταβάλλεται παρεμβάλλοντας ελεγχόμενο επιθυμητό χρονικό διάστημα ανάμεσα σε κάθε βήμα. Είναι ακριβότεροι, προσφέρουν δυνατότητα οποιουδήποτε ελέγχου. Συνήθως διατίθενται εμπορικά με ονομασίες NEMA ΧΧ. Όπου ΧΧ είναι ενδεικτικό των διαστάσεων τους.
Μια παραλλαγή των κινητήρων BLDC είναι οι βηματικοί κινητήρες (Stepper motors). Οι βηματικοί κινητήρες αποτελούνται από έναν περιστρεφόμενο ρότορα και από τους σταθερούς ηλεκτρομαγνήτες (τυλίγματα) το στάτη. Οι βηματικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται αποκλειστικά σε συνδυασμό με ψηφιακά κυκλώματα επειδή οδηγούνται πολύ εύκολα από αυτά. Κινούνται σε ακριβείς γωνιακές αυξήσεις, γνωστές ως βήματα (step), όποτε εφαρμόζονται σε αυτούς ψηφιακοί παλμοί τάσης. Το πλήθος και η ταχύτητα εφαρμογής των παλμών (των βημάτων) ελέγχουν την θέση και την ταχύτητα αντίστοιχα του άξονά τους, που συνδέεται με το ρότορα του κινητήρα.
Στους παραδοσιακούς ηλεκτρικούς κινητήρες εφαρμόζεται μια τάση π.χ. συνεχής DC 12V ή 24V ή εναλλασσόμενη AC 220V και ο άξονάς τους περιστρέφεται. Μόλις σταματήσει η εφαρμογή της τάσης εκτελείται επιβραδυνόμενη κίνηση μέχρι να σταματήσει. Αντίθετα στους βηματικούς κινητήρες εφαρμόζεται τάση σε διαδοχικά τυλίγματά του σε μικρά διακριτά χρονικά βήματα. Μόλις σταματήσει η εφαρμογή της τάσης αυτός σταματάει ακαριαία. Όταν είναι σταματημένος ο βηματικός κινητήρας κλειδώνει και δεν κινείται ελεύθερα όπως ο αναλογικός κινητήρας. Το κλείδωμα αυτό επιτυγχάνεται λόγω της μαγνητικής έλξης του σταματημένου ρότορα πάντοτε απέναντι από ένα τύλιγμα (βλέπε παράπλευρο σχήμα). Το κλείδωμα είναι ακόμα πιο ισχυρό αν συνεχιστεί η τροφοδοσία με τάση του τυλίγματος (όπως συμβαίνει στους εκτυπωτές dot matrix).
Οι βηματικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται σε Εκτυπωτές, Plotter, Οπτικούς δίσκους, Μηχανές CNC, Ρομπότ, Φωτοτυπικά μηχανήματα, Ιατρικά όργανα, Μηχανές συσκευασίας, Ρολόγια, Κάμερες, Χρονοδιακόπτες κ.τ.λ. Γενικότερα χρησιμοποιούνται εκεί όπου απαιτείται ακριβής και εύκολος ψηφιακός έλεγχος θέσης από υπολογιστή. Η κίνησή τους γίνεται εκτελώντας συγκεκριμένο αριθμό βημάτων. Κάθε ένα βήμα αντιστοιχεί σε συγκεκριμένη γωνία. Συνηθισμένοι βηματικοί κινητήρες του εμπορίου εκτελούν βήμα γωνίας 1,80, ή 7,50, ή 150.
Αν οδηγηθεί ένας βηματικός κινητήρας βήματος 1,80 να εκτελέσει 40 βήματα, ο άξονας του θα περιστραφεί κατά 40*1,8=720, παρόμοια ένας βηματικός κινητήρας βήματος 7,50 μετά από 40 βήματα θα περιστραφεί κατά 40*7,5=3000.
Τα βήματα μπορούν να γίνουν μισά 1,80/2= 0,90 με το τέχνασμα: Τροφοδοτούμε π.χ. τα τυλίγματα 2a-2b, μετά ταυτόχρονα τα 2a-2b και τα 1a-1b οπότε έχουμε προσανατολισμό του ρότορα στην ενδιάμεση θέση μεταξύ των 2b και 1a. Μεταξύ των βημάτων παρεμβάλλεται απαραίτητα χρονοκαθυστέρηση. Όσο μικρότερη είναι η χρονοκαθυστέρηση αυτή τόσο πιο γρήγορα γίνεται η εναλλαγή και τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα περιστροφής. Για να αντιστραφεί η φορά περιστροφής του κινητήρα αρκεί να αντιστραφεί η σειρά με την οποία εφαρμόζεται ηλεκτρική τάση στα ζεύγη των ηλεκτρομαγνητών.
Υπάρχουν 2 βασικοί τύποι βηματικών κινητήρων. Οι Bipolar (διπολικοί) και οι Unipolar μονοπολικοί.
Bipolar stepper motor ή διπολικοί βηματικοί κινητήρες
Διαθέτουν 4 αγωγούς, οι οποίοι τροφοδοτούν ανά 2 ζεύγη 4 ηλεκτρομαγνήτες εναλλάσσοντας κατάλληλα την πολικότητα της τάσης. Οι 4 ηλεκτρομαγνήτες 1a-1b και 2a–2b είναι εκ κατασκευής συνδεδεμένοι σε σειρά. Αν τροφοδοτήσουμε τους ηλεκτρομαγνήτες 4 φορές διαδοχικά σύμφωνα με τον πίνακα το μαγνητικό δίπολο στο κέντρο θα περιστραφεί κατά 4 βήματα 90 μοιρών δηλαδή κατά 360 μοίρες. Αντιστροφή εφαρμογής με τη σειρά 0001à1000à0010à0100 προκαλεί αντιστροφή φοράς κίνησης.
Unipolar stepper motor ή Μονοπολικοί βηματικοί κινητήρες
Διαθέτουν 5 ή 6 αγωγούς σύνδεσης των τεσσάρων ηλεκτρομαγνητών Α-Α΄, Β-Β΄, C-C΄ και D-D με την τάση τροφοδοσίας. Τα 2 από τα 6 καλώδια τροφοδοσίας συνδέονται μόνιμα με το - της τροφοδοσίας. Η θετική τάση τροφοδοσίας τοποθετείται διαδοχικά σε ένα από τα 4 καλώδια για εκτέλεση των βημάτων.
Εφαρμόζοντας διαδοχικά τάση π.χ. 5V στα τυλίγματα A-A’, B-B’, C-C και τέλος στα D-D’ έχουμε 4 βήματα ή steps (στο παράπλευρο σχήμα των 4Χ150 =600). Βλέπουμε, ότι εδώ δεν έχουμε εναλλαγές του +5V και 0V στα ίδια καλώδια όπως στο διπολικό βηματικό κινητήρα.
Σύγκριση μονοπολικών και διπολικών κινητήρων
Στο εμπόριο υπάρχουν κινητήρες μόνιμου μαγνήτη μονοπολικοί ή διπολικοί. Η επιλογή μεταξύ της χρήσης ενός μονοπολικού ή διπολικού κινητήρα εξαρτάται από την απλότητα του κυκλώματος οδήγησης τη ροπή και από την απόδοση ισχύος. Οι διπολικοί κινητήρες δίδουν περί το 30% μεγαλύτερη ροπή από τους μονοπολικούς του ίδιου μεγέθους. Αυτό οφείλεται στο ότι στους μονοπολικούς κινητήρες ενεργοποιείται κάθε φορά μόνο το μισό τύλιγμα. Αντίθετα ένας διπολικός κινητήρας ενεργοποιείται κάθε φορά ολόκληρο το τύλιγμα.
Πλεονεκτήματα των βηματικών κινητήρων
Ο έλεγχος είναι σχετικά εύκολος και φτηνός, αφού οδηγούνται πολύ εύκολα από υπολογιστή. Δεν χρειάζονται φρένο, αφού σταματάνε ακαριαία αν δεν εφαρμοστεί παλμός. Στις μικρές ταχύτητες περιστροφής, αλλά και κατά την εκκίνησή παράγουν σχετικά μεγάλη ροπή. Εδώ επισημαίνεται ότι η παραγωγή κίνησης και ο έλεγχος της με βηματικό κινητήρα είναι απλούστατος αφού θα μπορούσε να οδηγηθεί κόστους <10€ από μια πλακετα Arduino.
Μειονεκτήματα των βηματικών κινητήρων:
Θορυβώδης λειτουργία, μικρός βαθμός απόδοσης, συγκρινόμενοι με τους DC έχουν περιορισμένη ταχύτητα και ροπή, σχετικά ακριβοί, πιο ογκώδεις. Γενικά, οι βηματικοί κινητήρες είναι συνήθως μικρότερης ισχύος από έναν ίππο (1hp=746 W) και έτσι χρησιμοποιούνται μόνο σε εφαρμογές ελέγχου θέσης χαμηλής ισχύος.
Ροπή
Μετριέται σε N*m (Newton meters). Eίναι η ροπή που παράγει ο κινητήρας στις διάφορες ταχύτητες περιστροφής του. Η μέγιστη τιμή ροπής κάθε κινητήρα, που ονομάζεται ροπή ακινητοποίησης, είναι η ροπή που παράγει όταν το φορτίο που αντιμετωπίζει είναι τόσο μεγάλο, ώστε να τον ακινητοποιεί. Η ροπή που αναπτύσσεται όταν ο ρότορας ενός stepper motor μετακινείται κατά ένα βήμα ονομάζεται ροπή μετακίνησης.
Συνοψίζοντας: Οι βηματικοί κινητήρες οδηγούνται (τροφοδοτούνται) ΜΟΝΟΝ από ψηφιακά κυκλώματα όπως π.χ. υπολογιστές. Η ταχύτητά τους μεταβάλλεται παρεμβάλλοντας ελεγχόμενο επιθυμητό χρονικό διάστημα ανάμεσα σε κάθε βήμα. Είναι ακριβότεροι, προσφέρουν δυνατότητα οποιουδήποτε ελέγχου. Συνήθως διατίθενται εμπορικά με ονομασίες NEMA ΧΧ. Όπου ΧΧ είναι ενδεικτικό των διαστάσεων τους.
Βηματικοί κινητήρες (Stepper Motors)
Φωτογραφία διπολικού βηματικού κινητήρα
Σχηματική παράσταση λειτουργίας διπολικού βηματικού
Τρόπος εφαρμογής παλμών 5V για παραγωγή κίνησης σε διπολικούς βηματικούς κινητήρες
Σχηματική παράσταση διπολικού βηματικού κινητήρα με αντιδιαμετρικά κείμενα πηνία με βήμα 22,50
Σχηματική παράσταση τυλιγμάτων μονοπολικού βηματικού κινητήρα
Πίνακας ενεργοποίησης τυλιγμάτων μονοπολικού βηματικού κινητήρα για παραγωγή κανονικού ολόκληρου βήματος
Πίνακας ενεργοποίησης τυλιγμάτων μονοπολικού βηματικού κινητήρα για παραγωγή μισού βήματος
Η τάση +5V είναι ενδεικτική και εξαρτάται από τον κινητήρα (μπορεί να είναι π.χ. 3, ή 5 ή 12V)
Καμπύλη ροπής - στροφών ή ταχύτητας βημάτων ενός Stepper
Κίνηση βηματικού κινητήρα στα διαδοχικά ηλεκτρομαγνητικά τυλίγματα με ολόκληρο και μισό βήμα
Τυπικός βηματικός κινητήρας Stepper motor
Για δωρεάν παροχή τεχνικής βοήθειας
6942264553
6942264553