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.

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.

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:

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):

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.

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.

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.

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:

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:

forrás: https://ebldc.com/?p=86

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:

forrás: https://ebldc.com/?p=86

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.

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 standard	NEMA 8	NEMA 11	NEMA 14	NEMA 17	NEMA 23	NEMA 34	NEMA 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 távolsága	16 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 átmérője	4 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 átmérő	15 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 átmérője	3 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