מנוע צעדים או stepper motor הוא סוג בולט של מנוע חשמלי מבוסס זרם ישר (DC). איך הוא עובד, איפה אפשר למצוא מנוע כזה, אילו סוגים קיימים ומהם החסרונות של מנוע צעדים? הינה כל מה שצריך לדעת.
כיצד עובד מנוע צעדים?
העיקרון הבסיסי של מנוע צעדים פשוט – בכל הפעלה שלו ובאמצעות יצירת שדות אלקטרומגנטיים הוא נע מספר “צעדים” מבוקש ורק את הצעדים האלה, בשונה ממנועים חשמליים רגילים אשר לרוב נעים בצורה סיבובית רצופה. כל “צעד” של מנוע צעדים הוא סיבוב של הציר שלו בזווית קטנה מסוימת וקבועה. עם זאת, המנגנון כולו יוצר בסופו של דבר תנועה, אשר יכולה להיות או סביב הציר (תנועה בזווית רצויה) או תנועה ישרה.
היכן אפשר למצוא מנוע צעדים?
מנועים אלה נפוצים בקשת רחבה מאוד של יישומים. כמה דוגמאות בולטות הן השימוש בהם במכונות אריזה ובמכונות CNC (שבהן חיוני דיוק מרבי), במדפסות (למיקום ראש ההדפסה) ובמצלמות (לשליטה בזום). ככלל, רואים זאת בעיקר היכן שדרוש דיוק רב ושמהירות התנועה היא נמוכה או בינונית.
מה מייחד את מנוע הצעדים משאר המנועים?
מנועי הצעד בולטים במאפיינים וביתרונות האלה:
- דיוק גבוה – מנועים אלה נעים היטב ובדיוק גבוה לנקודה המבוקשת. הם גם עושים זאת שוב ושוב באותה רמת דיוק (מה שנקרא חזרתיות או repeatability). כמו כן, תקלה המתרחשת לגבי צעד אחד, לא מפריעה בהכרח לביצוע צעדים נוספים בהמשך.
- כוח – למנוע צעד יש מומנט סיבוב (torque) גבוה יחסית.
- פשטות והשלכותיה – מאחר שאלה מנועים פשוטים למדי, הדבר מתבטא בשורת יתרונות שנובעים מכך. בהם מחיר נמוך יחסית, בלאי נמוך מאוד וצמצום דרישות התחזוקה.
- בטיחות – אלה מנועים פחות מסוכנים במקרי כשל, מאחר שאז הם לרוב מפסיקים את פעולתם.
- החזקת העומס – מנוע צעד מסוגל להמשיך ולהחזיק עומס שמופעל עליו. זאת, גם כאשר הוא לא בתנועה (אז יכולת זו מכונה holding torque) ואפילו כאשר הוא לא מקבל מתח (residual torque).
- עמידות – אם העומס על המנוע עולה על העומס שבשבילו הוא מיועד הוא לא יינזק.
- מתאימים למערכות דיגיטליות – מנועי צעד מתאימים מאוד לחיבור למערכות דיגיטליות.
מהם החסרונות של מנוע הצעדים?
במקביל, יש למנועים אלה גם כמה וכמה חסרונות אשר עשויים להיות משמעותיים (בהתאם לנסיבות), בהם:
- בקרה יותר מוגבלת – במנוע הצעדים אין פידבק על מיקומו ולכן זו מערכת מהסוג שמכונה “חוג פתוח”. זאת, בשונה ממה שנקרא מנוע סרוו (servo) אשר מספק גם פידבק מתמיד על מיקום, כחלק ממנגנון בקרת הינע. כך מתקבלת מה שנקרא מערכת “בחוג סגור”. לכן מנוע צעדים הוא עקרונית סוג מנוע פחות מדויק ממנוע סרוו. מצד שני, יש שיטות שונות להתגבר על מגבלה זו.
- יעילות נמוכה כמנוע – כל צעד שמנוע צעד עושה, דורש כמות אנרגייה שנחשבת לגבוהה יחסית. הזכרנו קודם יכולת החזקת העומס (holding torque). יכולת זו שהיא יתרון במצב סטאטי, מפריעה כאשר נדרשת תנועה. נוסף לכך, מנוע הצעד לא נותן פתרון טוב כאשר נדרשת האצה מהירה.
- יעילותו נחלשת עם המהירות – מומנט הסיבוב (torque) של מנועים אלה נחלש ככל שמהירות הסיבוב עולה.
- רעש – מנועים אלה עשויים להיות די רועשים ביחס לעבודה שהם עושים.
סוגי מנועי צעד
כמו מנועים חשמליים בכלל, גם מנועי צעד מגיעים במבחר גדול של אפשרויות. כך אפשר להתאים את סוג המנוע היעיל ביותר לכל מטרה. למשל בשביל תכנון מכונות כגון מכונות הרכבה. במבט על, מנועים אלה הם משלושה סוגים: Permanent magnet stepper motor, Variable reluctance stepper motor ו-Hybrid synchronous stepper motor. קבוצות האלקטרומגנטים במנוע צעד מכונות phases ויש חלוקה גם לפי היבט זה למנועים מסוג Unipolar ומנועים מסוג Bipolar.
לסיכום
מנוע הצעדים הוכיח את עצמו לאורך השנים היטב. בכך הוא קיבע את מקומו כאחד מסוגי המנועים השימושיים ביותר וסביר שעוד נמשיך ונראה שעושים בו שימוש נרחב.
