מנועי צעד Stepping Motors מנועי צעד בנויים מרוטור העשוי ממגנט קבוע, ואלקטרומגנטים הממוקמים על הסטטור – החלק הנייח המקיף את הרוטור. ציר המנוע זז מכיוון שקוטבי המגנט הקבוע של הרוטור מנסים להתאים את מיקומם בהתאם לקטבים של הסטטור. מקורות מידע עיקריים http://www.ece.mtu.edu/faculty/rmkieckh/cla/3173/Lab8/Airpax_Catalog_Idx.pdf http://www.micromo.com/n391003/n.html - הסבר על הירידה במומנט כשמשתמשים במיקרו-סטפ. http://www.micromo.com/n390913/n.html למה מנועי צעד מאבדים צעדים ואיך לבחור מנוע צעד (ללא דוגמה). http://catalog.orientalmotor.com/advanced/stepping-motors-?&plpver=11 טופס אינטרנטי המסייע בבחירת מנוע צעד מתאים http://www.netmotion.com/htm_files/adv_motors1.htm http://www.allegromicro.com/en/Products/Design/compumot/index.asp - הסברים על מנועי צעד והשליטה בהם האלקטרומגנטים של הסטטור מופעלים באופן דיגיטאלי בסדר מתאים כדי לגרום לרוטור לנוע כל עוד ההפעלה מתרחשת בסדר הנכון.

הגברת קצב האותות לאלקטרומגנטים תשנה את מהירות הסיבוב, וכאשר מופסק שינוי מיקום הצמד הא.מ המופעל, ננעל המנוע במקומו כפי שנראה באנימציה הבאה. `

קיימים מספר סוגים של מנועי צעד, נכיר את העיקריים: א. Full Step – מנועי צעד עם מספר זוגות של אלקטרומגנטים. בכל צעד מופעל זוג נגדי אחר, כך שהרוטור נע בכל צעד לעבר הצמד הבא. דיוק אפשרי: 0.72 מעלות (דיוקים סטנדרטיים: 3.6, 7.5, 15,18 מעלות. ב. Half Step – זהים במבנה למנועי הצעד הקודמים אך הבקרה של התנועה מתבצעת במספר רב יותר של צעדים: בתחילה מופעל זוג נגדי אחד, אחר כך גם הוא וגם הזוג הקרוב אליו (נוצר חצי צעד), ואז מופעל רק הזוג הקרוב אליו (חצי צעד נוסף). דיוק אפשרי : 0.36 מעלות. יש לזכור ששיטה זו מקטינה את המומנט של המנוע בכ 30 אחוז.

באנימציה הבאה מוראית שליטה בשיטת Full Step עם 5 זוגות של אלקטרומגנטים `

ובאנימציה הבאה מוראית שליטה בשיטת Half Step עם 5 זוגות של אלקטרומגנטים ` Half Rotate and Hold

ג. Micro step motors – מנועי צעד בהם התנועה נוצרת ע"י שילוב של תזמון הזוגות האלקטרומגנטיים המופעלים ושליטה בעוצמת המתח בכל אחד מזוגות. שיטה זו מאפשרת שליטה מדויקת מאד בזווית הצעד והיא נותנת רזולוציה של עד 0.0036 מעלה(כלומר חלוקת הסיבוב ל 10000 צעדים) אך לדיוק זה יש צורך בבקרה בחוג סגור. מכיוון שהמומנט יורד באופן דרסטי לעומת שיטת הצעד המלא או חצי הצעד, מומלץ להשתמש במנועי מיקרו-צעד בעיקר לתנועה חלקה רציפה. יש לזכור שהשגיאה במיקום ציר המנוע במנועי צעד (כ 5% מגודל הצעד) אינה מצטברת, מכיוון שמיקום הציר יהיה המיקום המוגדר + או – השגיאה הנובעת מהטיה שיוצר העומס ומונע מהציר להתמקם בדיוק מול הצמד המתאים. שגיאה זו נשארת אותה שגיאה אם עשה הציר סיבוב אחד או אלפי סיבובים.

כיצד לבחור מנוע צעד מתאים כאשר בוחרים מנוע צעד יש שמונה גורמים בהם צריך להתחשב: מהירות דרושה ב [צעדים/שנייה] מומנט נדרש מומנט ההתמדה של העומס זווית צעד דרושה זמן האטה [במילי-שניות] זמן האצה [במילי-שניות] סוג ההנעה שיקולי גודל ומשקל כשמדברים על מומנט במנוע צעד יש מספר סוגי מומנט אותם יש לדעת: מומנט אחזקה Holding Torque – זה המומנט הדרוש כדי ליצור צעד מלא של המנוע. מומנט האחזקה גבוה מהמומנט הנדרש כדי להמשיך את תנועת המנוע לאחר שהוא כבר נע (Running Torque) ולכן הוא משמש כאמצעי לאחזקת העומס במקומו כאשר האלקטרומגנטים מופעלים ללא שינוי מצב. ככל שמומנט האחזקה גדול יותר כך ישמור המנוע על מיקומו הנכון.

מומנט שיורי – זהו המומנט המחזיק את הציר במקומו גם כשהזוג האלקטרומגנטי לא מופעל. הוא נובע מהכוח המגנטי של המגנט הקבוע של הרוטור וכוחות החיכוך. המומנט הדינמי – המומנט של המנוע בעת תנועה מוגדר בד"כ ע"י שני נתונים: Pull –In Torque : זהו המומנט שהמנוע יכול לשאת בהתחלת ובהפסקת התנועה מבלי לאבד צעד במיקומו. Pull Out Torque– זהו המומנט שיש למנוע בעת שהוא מאיץ למהירות הפעולה הקבועה שלו. זהו לכן בעצם המומנט שמיצר המנוע בפעולה. מומנטים אלו תלויים במהירות התנועה של מנוע הצעד ובד"כ ערכיהם ניתנים בגרף כמו זה המוראה כאן:

ניתן לראות שככל שמהירות התנועה (פולסים בשנייה) גדולה יותר כך יורד המומנט הדינאמי. עקומות אלו הן המפתח לבחירת המנוע המתאים ושיטת ההפעלה המתאימה לו ביישום ספציפי

דוגמה לבחירת מנוע צעד הדוגמה הבאה היא פשוטה מכיוון שאין בה דרישות בנוגע לתאוצת העומס. בדוגמה זו בה העומס הוא עומס חיכוך, חלק מהחישובים כבר בוצע ונמצא שיש צורך במומנט של 25mN*m. ונקבע שרוצים להזיז את העומס בזווית של 67.5 מעלות ב 0.06 שניות מקסימום פתרון: אם ניקח צעד של 7.5 מעלות (צעד סטנדרטי מקובל), על המנוע לבצע 9 צעדים כדי לזוז 67.5 מעלות. 67.5/7.5=9 זה דורש קצב צעדים של: 9/0.06=150 צעדים בשנייה או יותר. נחפש מנוע שנותן Pull-In Torque של 25 במהירות של 150 צעדים בשנייה. לאחר בחינת מספר גרפים של מנועי חברה שאת מנועיה אנו רוצים לרכוש (בדוגמה מודגמים מנועים של חברת Thomson Airpax mechatronic ונבחר מנוע 57L04 שגרף המומנט- מהירות שלו מוצג כאן. אנו רואים שבמהירות 150 צעדים בשנייה המנוע יספק כ 38 mNm ובמהירות 180 בערך הוא יספק כ 25 .

בדוגמה הבאה יש דרישות תאוצה נתונים: על המערכת להניע את העומס למרחק 4 מ"מ בפחות מ 0.5 שניות. המערכת מורכבת ממנוע צעד שיניע בורג הזזה דרך תמסורת הפחתה. התמסורת נבחרה כך ש 100 צעדים של מנוע צעד (7.5 מעלות לצעד) יתנו תזוזה של 4 מ"מ. מומנט ההתמדה של המערכת: רוטור, תמסורת ובורג הולכה חושב ונמצא שהוא כ 0.0025 g*m2 עומס החיכוך נמצא כ: 15mNm . חישוב המהירות (צעדים לשנייה): נבדוק במספר עקומות מנועי צעד עבור עומס חיכוך בלבד מה המהירות המקסימאלית האפשרית . קיבלנו עבור המנוע המוראה שעומס חיכוך 15 מאפשר מהירות של כ 275 צעדים בשנייה, תוצאה סבירה (אנו צריכים 200 צעדים בשנייה).

המהירות המקסימאלית היא 275 צעדים בשנייה נעשה הערכה ראשונית למהירות העבודה (מהירות שתהיה נמוכה מהמהירות המקסימאלית) . ניקח מהירות של 240 צעדים בשנייה ומכאן נגיע למומנט הדרוש למהירות זו: T1=23[mNm] המומנט שיש למנוע כדי ליצור האצה יהיה לכן ההפרש בין המומנט למהירות המקסימאלית למומנט למהירות העבודה: כדי להיות בטוחים יותר ביכולת המנוע ליצור את התאוצה ניקח מקדם בטחון של 60 אחוז : כלומר נצא מהנחה שעבור התאוצה יש למנוע רק מומנט של 4.8 . כך נראית עקומה אופיינית של תאוצת המנוע. ניתן לשלוט בזמנים ע"י שינוי ערכי R ו C

החישובים הבאים נלקחו ממצגת של פרויקט שתוכנן באוניברסיטה בארה"ב – מערכת להנחת כדורי גולף על מעמד ה T . ראשית חושב מומנט האינרציה של הצינור והכדור שעל המנוע לסובב. שנית חושבו מהירויות הסיבוב והתאוצות במערכת בהתבסס על הזמן שהוקצה לביצוע המשימה (2 שניות) ולזווית הסיבוב שעל המערכת לבצע (90 מעלות).

Stepper motor selection - IDC S22 Holding torque = Rotor inertia = שלישית – חושבו המומנטים הנדרשים כדי להאיץ וכדי להניע את המערכת: חישובים אלו הביאו אותם לבחור במנוע הבא: Stepper motor selection - IDC S22 Holding torque = Rotor inertia = עבור הנתונים המחושבים של המערכת שלהם Our specifications - Torque = Inertia =