Ugrás a tartalomhoz

Szenzor- és aktuátortechnika

Dr. Halmai Attila (2012)

EDUTUS Főiskola

Léptetőmotorok

Léptetőmotorok

A léptetőmotorok modellje

A léptetőmotor meghatározása:

A léptetőmotor egy digitálisan vezérelhető elektromágneses aktuátor, legtöbbször forgó mozgás előállítására szolgál.

A léptetőmotor alkalmazási területe:

Léptetőmotorokat általában akkor alkalmazunk, amikor a mozgássá átalakítandó információ digitális formában áll rendelkezésre, és a kimenetről nincs visszacsatolásunk, tehát nem szabályozási, hanem vezérlési feladatról van szó.

A léptetőmotor legfontosabb tulajdonságai felhasználási szempontból:

  • a motor szögsebessége csak kivételes esetben állandó;

  • a meghatározott lépésszög miatt a motor forgórésze csak diszkrét helyzetekben állhat meg;

  • a motor álló helyzetben is áramot fogyaszt, ilyenkor a hatásfoka nulla;

  • digitális rendszerekhez könnyen illeszthető.

A léptetőmotorok legfontosabb ismérvei:

  • a forgórész fogazott lágyvas vagy állandó mágnes;

  • nincs árambevezetés a forgórészbe;

  • az állórész az óramotorok kivételével többfázisú tekercseléssel rendelkezik;

  • a szögsebesség általában nem egyenletes, a motor „darabol”, kis lépésfrekvenciáknál a szögsebesség irányt vált.

A léptetőmotor működését az alábbi, 3.5.1.1. ábra segítségével lehet legkönnyebben megérteni.

3.5.1.1. ábra

A valóságban mechanikus kapcsolók helyett mikroprocesszorral vezérelt kapcsolótranzisztorokat találunk. A kapcsolók ciklikus működtetésével a mágneses mezőt egy-egy lépéssel továbbléptetjük, ami magával viszi a forgórészt, közben nyomaték leadására képes.  

A léptetőmotorok jelleggörbéi

A léptetőmotorokra legjellemzőbb a lépésfrekvencia-nyomaték jelleggörbe. Ezt mutatja a 3.5.2.1. ábra.

3.5.2.1. ábra

Az A tartományra jellemző, hogy ezen belül képes a motor egy lépésen belül elindulni vagy leállni (start-stop üzem). A B tartományban ez már nincs meg, itt csak átmenetileg lehet működtetni a léptetőmotort. Induláskor és leálláskor vissza kell térni az A tartományba. A C tartományban nem lehetséges működtetni a léptetőmotort.  

A statikus jelleggörbe

A statikus nyomatéki jelleggörbe egy szinuszhoz hasonló görbe a forgórész szögelfordulásának függvényében (3.5.3.1. ábra).

3.5.3.1. ábra

A statikus jelleggörbét illetően fontos észrevenni, hogy a forgórész ideálisan pontos szöghelyzetében a forgatónyomaték értéke éppen zérus. Ahhoz, hogy nyomaték legyen, kismértékű szögelfordulás (szöghiba) szükséges.

A dinamikus jelleggörbe

A dinamikus jelleggörbénél az időbeli változásokra is tekintettel kell lenni. Mivel a léptetőmotor működése másodrendű modellel közelíthető, nem meglepő, hogy alacsony lépésfrekvenciáknál csillapodó túllendülések következnek be. Ezzel az a baj, hogy beálláskor a szögsebesség előjelet vált, a gyakorlatban a motor nagyon hangossá válik. Nagy lépésfrekvenciáknál a szögsebesség csaknem folytonos. Ezeket mutatja a 3.5.4.1. ábra.

3.5.4.1. ábra

A léptetőmotorok fajtái

A léptetőmotorokat a forgórész kialakítása alapján 3 nagy csoportba szokás sorolni. A táblázatot a 3.5.5.1. ábra mutatja.

3.5.5.1. ábra Forrás: TU Ilmenau

A reluktancia léptetőmotorok forgórésze fogazott, mágnesesen lágy anyag.

Az állórész és a forgórész fogszáma különböző.

Az állandómágneses léptetőmotorok forgórésze radiálisan mágnesezett permanens mágnesből készül, állórésze pedig hasonló a reluktancia motoréhoz. Az állandó mágnes miatt a tekercsek gerjesztetlen állapotában is van tartó nyomaték.

A hibrid léptetőmotorok a legelterjedtebb típusú léptetőmotorok. Elterjedésüket kedvező paramétereik indokolják. A hibrid motorok ötvözik a reluktancia és az állandómágneses motorok előnyeit.

A léptetőmotorok vezérlése

A léptetőmotorokat vezérlési szempontból két csoportra lehet osztani:

  • unipoláris és

  • bipoláris vezérlésűekre.

Unipoláris vezérlésnél a tekercselésnek csillagpontja van, és a tekercseket kapcsolótranzisztorok kapcsolják be és ki. A vezérlést a 3.5.6.1. ábra mutatja.

3.5.6.1. ábra

A bipoláris vezérléshez (3.5.6.2. ábra) feleannyi tekercs, de kétszer annyi tranzisztor szükséges, mert a tekercsekben meg kell fordítani az áram irányát (hídkapcsolás).

3.5.6.2. ábra

A mikrolépéses üzemmód esetén a teljes lépést rendszerint a 2 hatványai szerint elosztjuk úgy, hogy a motorfázisok árama a 3.5.6.3. ábra szerint alakuljon. Ennek az elektronikus aláosztásnak azonban csak akkor van értelme, ha a mikrolépések a súrlódási és terhelési viszonyok miatt valóban be is következnek.

3.5.6.3. ábra

A léptetőmotorokat a meghajtó elektronika fázisszáma alapján is szokás osztályozni.

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.

Az alábbi táblázat a fázisszám-fázisszög összefüggést (φ=360º/z) mutatja, azzal a megjegyzéssel, hogy egyfázisú konstrukciót nem lehet, öt fázisnál nagyobb fázisszámot pedig gazdaságossági okokból nem érdemes készíteni.

Fázisszám (z) fázisszög (φ) tulajdonság
2180°csak óraszerkezetekben használják
3120°ritkább, mint a négyfázisú
490°a leggyakoribb
572°a legkisebb lépésszög

Gyakorlati megvalósítások

A léptetőmotorok gyakorlati megvalósításainál a konstruktőrök törekednek a kis lépésszögű, nagy nyomatékú motorok előállítására. Ennek az az oka, hogy a léptetőmotorok alkalmazásával tulajdonképpen hajtóműveket lehet megtakarítani, mert a DC motorokkal szemben a léptetőmotorok fordulatszáma alacsony, nyomatékuk viszonylag nagy. Az egyik legkedveltebb konstrukció a két- (fizikailag négy-) fázisú, 1,8°-os lépésszögű léptetőmotor. Ennél 1 körülforduláshoz 200 teljes lépés szükséges. A forgórész sok pólusát ún. homopoláris kivitellel érik el, amely konstrukcióra az jellemző, hogy a forgórészben egy darab axiálisan mágnesezett állandó mágnes van. A 3.5.7.1. ábrán csak három póluspárt láthatunk, de az elv több póluspárnál is ugyanaz.

3.5.7.1. ábra

A 3.5.7.2. ábrán egy hibrid háromfázisú léptetőmotor álló- és forgórészét láthatjuk, a következő, 3.5.7.3. ábrán pedig néhány szétbontott kétfázisú léptetőmotor látható.

3.5.7.2. ábra

3.5.7.3. ábra Forrás: Wikipédia