Οι βηματικοί κινητήρες είναι ένας από τους απλούστερους κινητήρες για την εφαρμογή σε ηλεκτρονικά σχέδια όπου απαιτείται επίπεδο ακρίβειας και επαναληψιμότητας. Δυστυχώς, η κατασκευή βηματικών κινητήρων θέτει έναν περιορισμό μάλλον χαμηλής ταχύτητας στον κινητήρα, πολύ χαμηλότερο από την ταχύτητα που μπορούν να οδηγήσουν ο κινητήρας από τα ηλεκτρονικά. Όταν απαιτείται λειτουργία μεγάλης ταχύτητας ενός βηματικού μοτέρ, η δυσκολία εφαρμογής αυξάνεται καθώς αρχίζουν να εισέρχονται διάφοροι παράγοντες.
Συντελεστές μοτέρ υψηλού βαθμού ταχύτητας
Πολλοί παράγοντες καθίστανται σημαντικοί σχεδιασμοί και προκλήσεις εφαρμογής όταν οι βηματικοί κινητήρες κινούνται με υψηλές ταχύτητες. Όπως πολλά συστατικά, η πραγματική συμπεριφορά των βηματικών κινητήρων δεν είναι ιδανική και μακριά από τη θεωρία. Η μέγιστη ταχύτητα των βηματικών μοτέρ θα διαφέρει ανάλογα με τον κατασκευαστή, το μοντέλο και την επαγωγή του κινητήρα με ταχύτητες 1000-3000 RPM που μπορούν να επιτευχθούν (για υψηλότερες ταχύτητες, οι σερβοκινητήρες είναι μια καλύτερη επιλογή). Οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν την οδήγηση με βηματικό μοτέρ σε υψηλές ταχύτητες είναι:
Αδράνεια
Κάθε κινούμενο αντικείμενο έχει αδράνεια που αντιστέκεται στην αλλαγή επιτάχυνσης ενός αντικειμένου. Σε εφαρμογές χαμηλότερης ταχύτητας, είναι δυνατό να ξεκινήσετε την οδήγηση ενός βηματικού μοτέρ με την επιθυμητή ταχύτητα χωρίς να χάσετε ένα βήμα. Ωστόσο, η προσπάθεια να οδηγηθεί ένα φορτίο σε ένα βηματικό μοτέρ σε υψηλή ταχύτητα αμέσως είναι ένας πολύ καλός τρόπος να παραλείψετε τα βήματα και να χάσετε τη θέση. Εκτός από πολύ ελαφριά φορτία με ελάχιστα αδρανειακά αποτελέσματα, ένας βηματικός κινητήρας πρέπει να αυξάνεται από χαμηλή ταχύτητα σε υψηλή ταχύτητα για να διατηρεί τη θέση και την ακρίβειά του. Οι προηγμένοι έλεγχοι βηματικών κινητήρων περιλαμβάνουν περιορισμούς επιτάχυνσης και στρατηγικές για την αντιστάθμιση της αδράνειας.
Καμπύλες ροπής
Η ροπή του βηματικού μοτέρ δεν είναι η ίδια για κάθε ταχύτητα λειτουργίας αλλά πέφτει καθώς αυξάνεται η ταχύτητα βηματισμού. Ο λόγος για αυτό βασίζεται στις επιχειρησιακές αρχές των βηματικών κινητήρων. Το σήμα μετάδοσης για τους βηματικούς κινητήρες παράγει ένα μαγνητικό πεδίο στα πηνία του κινητήρα προκειμένου να δημιουργηθεί η δύναμη να λάβει ένα βήμα. Ο χρόνος που χρειάζεται το μαγνητικό πεδίο για να φτάσει σε πλήρη ισχύ εξαρτάται από την επαγωγή του πηνίου, την τάση οδήγησης και τον περιορισμό ρεύματος. Καθώς αυξάνεται η ταχύτητα οδήγησης, ο χρόνος που παραμένουν τα πηνία με την πλήρη ισχύ τους μειώνεται και η ροπή που παράγει ο κινητήρας πέφτει.
Σήμα μετάδοσης κίνησης
Για να μεγιστοποιηθεί η δύναμη σε ένα βηματικό μοτέρ, το ρεύμα του σήματος οδήγησης πρέπει να φτάσει στο μέγιστο ρεύμα οδήγησης και σε εφαρμογές υψηλής ταχύτητας, αυτό πρέπει να γίνει όσο το δυνατόν γρηγορότερα. Η οδήγηση ενός βηματικού μοτέρ με σήμα υψηλότερης τάσης μπορεί να συμβάλει στη βελτίωση της ροπής στις υψηλές ταχύτητες που εφαρμόζονται αυτόματα σε λύσεις οδηγού βηματικού σταθερού ρεύματος.
Νεκρή ζώνη
Η ιδανική ιδέα ενός κινητήρα επιτρέπει την οδήγηση σε οποιαδήποτε ταχύτητα με χειρότερη μείωση της ροπής καθώς η ταχύτητα αυξάνεται. Δυστυχώς, οι βηματικοί κινητήρες έχουν συχνά μια νεκρή ζώνη, όπου ο κινητήρας δεν μπορεί να οδηγήσει το φορτίο σε δεδομένη ταχύτητα. Αυτό οφείλεται στην απήχηση στο σύστημα και ποικίλλει για κάθε προϊόν και σχεδιασμό.
Αντήχηση
Οι βηματικοί κινητήρες κινούν μηχανικά συστήματα και όλα τα μηχανικά συστήματα μπορούν να υποφέρουν από συντονισμό. Ο συντονισμός συμβαίνει όταν η συχνότητα οδήγησης ταιριάζει με τη φυσική συχνότητα του συστήματος και η ενέργεια που προστίθεται στο σύστημα τείνει να αυξήσει τη δόνηση και την απώλεια ροπής παρά την ταχύτητά του. Σε εφαρμογές όπου οι υπερβολικές δονήσεις θα έχουν προβλήματα, είναι ιδιαίτερα σημαντικό να βρεθεί και να παραβλεφθεί η ταχύτητα του κινητήρα βημάτων συντονισμού. Ακόμη και οι εφαρμογές που μπορούν να ανεχθούν κραδασμούς πρέπει να αποφεύγουν την αντήχηση όπου είναι δυνατόν, καθώς μπορούν να μειώσουν σημαντικά τη διάρκεια ζωής του συστήματος.
Μέγεθος βήματος
Οι βηματικοί κινητήρες έχουν λίγες στρατηγικές οδήγησης διαθέσιμες, συμπεριλαμβανομένου του micro stepping το οποίο επιτρέπει μικρότερα από τα πλήρη βήματα που πρέπει να γίνουν από τον κινητήρα. Αυτά τα μικρά βήματα έχουν μειωμένη ακρίβεια, αλλά κάνουν τη λειτουργία του βηματικού κινητήρα πιο ήσυχη σε χαμηλότερες ταχύτητες. Οι βηματικοί κινητήρες μπορούν να κινούνται τόσο γρήγορα και ο κινητήρας δεν βλέπει καμία διαφορά σε ένα μικρό βήμα ή ένα πλήρες βήμα. Για λειτουργία σε πλήρη ταχύτητα απαιτείται συχνά η οδήγηση ενός βηματικού μοτέρ με πλήρη βήματα. Εντούτοις, η χρήση της μικροδιακοπής μέσω της καμπύλης επιτάχυνσης του κινητήρα της βαθμίδας μπορεί να μειώσει σημαντικά το θόρυβο και τις κραδασμούς στο σύστημα.
