מנועי צעד ("מנוע צעדים" או "מנוע צועד") הם מנועים אלקטרוניים בהם ניתן לשלוט בצורה מדוייקת על מידת הסיבוב וכיוונו. מנועי צעד מאופיינים ברמת דיוק גבוהה (מנוע טיפוסי יכול להסתובב בכ-0.9-1.8 מעלות לכל כיוון) ובמהירות גבוהה יחסית.

מנועי צעד ניתן למצוא במכשירים רבים ובניהם מדפסות (ראש המדפסת לרוב נע ימינה ושמאלה באמצעות מנוע צעד), סורקים (תנועת הנורה הסורקת מבוצעת באמצעות מנוע צעד), דיסקים קשיחים ועוד.

הדגמה של מנוע צעד

מאפיינים ויתרונות של מנועי צעדים

ישנם מספר מאפיינים של מנועי צעד שגרמו להם להיות סוג המנוע הנבחר עבור מספר רב של אפליקציות:

1. ניתן להגדיר במדויק את מידת הסיבוב הרצויה בדיוק של +-צעד (באמצעות שיטות הנקראות Half-Stepping ו-Micro-Stepping ניתן אף להגיע לדיוק גבוה בהרבה ועל כל בהמשך). לכן על מנת לנוע מרחק זוויתי מסוים על בקר המנוע לשלוח את מספר הצעדים הרצוי והאלמנט המכני המחובר למנוע ינוע בדיוק באותו מרחק זוויתי.
2. מנועי צעד מתאפיינים בתנע זוויתי גבוה כאשר הם נעים במהירות זוויתית נמוכה. יתרון זה שימושי כמובן להאצת משקל למהירות גבוהה.
3. למנועי צעד יש כח החזק זוויתי (Holding Torque) גבוה מאד. למעשה המנוע נמצא במצב "נעילה עצמית" - מניעת תנועה לשני הכיוונים, כל עוד ומתח סלילי המנוע אינו משתנה.
4. ניתן לומר שמנועי צעד מותאמים ישירות לשיטות בקרת הינע דיגיטליות. באמצעות בקר פשוט ניתן להניע את המנוע בשיטת צעד\כיוון ולממשקו בקלות לרכיבים דיגיטליים כגון מחשבים או מיקרו-מעבדים. זאת בניגוד למנוע DC רגיל שבקרתו הנה אנלוגית.
5. למנועי צעד יש יכולת מעולה לדיוק במיקום ואפילו חשוב מכך, שגיאות בביצוע פקודת מנוע אינן נצברות (במקרה של דילוג על צעד מסוים, נניח בשל בעיה מכנית, לא יושפע קיומו או דיוקו של הצעד הבא).
6. מנועי צעד הם מנועים הבנויים בצורה מכנית פשוטה יחסית, בדרך כלל עם שני מייסבים פנימיים בלבד ולכן לא נדרשת תחזוקה שוטפת של המנוע ויש להם בלאי נמוך. לכן מנועי צעד נחשבים בדרך כלל למנועים בעלי יחס עלות\תועלת גבוהה.

רבים מיתרונות אלו הופכים מנועי צעד ליעילים עבור סוגים שונים של רובוטים. פער המחיר בינם לבין מנועי סרוו (Servo) הוא יתרון בולט.

חסרונות של מנועי צעד

החיסרון הבולט ביותר של מנוע צעד הוא פעולה בחוג פתוח, כלומר חוסר החיווי על ביצוע צעד, על מיקום המנוע (Position Feedback) ועל מהירותו (Velocity Feedback). לחסרון זה יש השפעה מהותית על היכולת להגיע לדיוק גבוה והוא מוריד את רמת הבטיחות של המערכת. חשבו לדוגמה על מנוע צעד שמניע עצם מסוים ובמהלך תנועתו נתקל בעצם כבד אחר. בשלב זה המנוע מתאמץ מאד כדי להמשיך ולבצע את התנועה, אך ללא הועיל. היות ואין לבקר המנוע חיווי לגבי כישלון\הצלחת הוראותיו, הוא ימשיך לנסות ולהניע את המנוע, מה שיגרום לבלאי מואץ מאד של המנוע ו\או נזק מכני למכונה\רובוט עליה הוא מורכב.

מבנה מנוע צעד

מנוע צעד מורכב ממספר סלילים המסודרים במעגל. כאשר עובר זרם באחד הסלילים הוא הופך למגנטי (אלקטרומגנטיות) ובכך מושך את ראש המנוע לכיוונו.

סוגי מנוע צעד

ישנם שני סוגים עיקריים של מנועי צעד: מנועי Unipolar, ומנועי Bipolar. ההבדל ביניהם הוא האופן בו מחוברים האלקטרומגנטים. יתרונם של מנועים יוניפולאריים הוא בפשוט הבקרה שלהם, אך מנגד, כוחם חלש יותר משל מנועים ביפולאריים. יתרונם של מנועים ביפולאריים הוא חוזק רב יותר בהשוואה למנוע יוניפולארי בגודל דומה, אך מנגד נדרש מעגל בקרה שמסוגל לשנות את כיוון הזרם בעת ביצוע כל צעד. מנוע ביפולארי מכיל שני אלקטרומגנטים, ומנוע יוניפולארי מכיל 4 אלקטרומגנטים. ישנם מנועים היברידיים שמאפשרים לעבוד בצורה יוניפולארית או ביפולארית על ידי שינוי אופן השימוש בחוטי המנוע.

שליטה ובקרה של מנוע צעד

בניגוד למנוע DC רגיל, השימוש במנועי צעד מורכב יותר. אין כאן שני הדקים שכאשר מחברים אותם למקור מתח המנוע מתחיל להסתובב. על מנת להניע מנוע צעד יש ליצור רצף צעדים (Stepping Sequence) - הדלקה וכיבוי מבוקרים של סלילי המנוע. כאשר סליל או סלילים מסוימים דולקים, ראש המנוע נמשך לכיוונם.

ישנם ארבעה סוגים של רצפי צעדים: צעד רגיל, צעד כפול, חצי צעד, מיקרו-צעדים. בדוגמאות הבאות אסקור את השיטות השונות.

הנעת מנוע צעד באמצעות צעד רגיל

בשיטה זו פועלים בצורה הבסיסית ביותר - הזרמת זרם באלקטרומגנט אחד בכל פעם.

אנימציה להמחשה:

רצף כזה צורך הכי מעט אנרגיה ומייצר את התנועה החלקה ביותר.

הנעת מנוע צעד באמצעות צעד כפול

בשיטה זו מפעילים שני סלילים יחדיו בכל פעם.

אנימציה למהחשה:

שיטה זו אינה מייצרת תנועה חלקה כמו השיטה הקודמת ודורשת זרם כפול, אך מייצרת מומנט גדול כמעט פי שניים.

הנעת מנוע צעד באמצעות חצאי-צעדים

אנימציה להמחשה:

שיטה זו מאפשרת השגת דיוק גבוהה פי שניים מיכולתו הבסיסית של המנוע. לדוגמה עבור מנוע הנע ב-1.8 מעלה עבור כל צעד, ניתן להגיע לתנועה של 0.9 מעלה.

החיסרון הוא שבחצי מהשלבים צריכת הזרם היא כפולה מצריכת הזרם בשיטת "צעד מלא".

בניית בקר למנוע צעד

הצורה הנוחה ביותר לשליטה על מנוע צעד היא מימוש בקרה בשיטת "צעד\כיוון". בשיטה זו הקלט למעגל הוא שתי רגליים בלבד - כיוון הסיבוב הרצוי (עם כיוון השעון או נגד כיוון השעון), והאם לבצע סיבוב. הבקר עצמו מדליק ומכבה את הסלילים בהתאם לשיטות ההנעה שפורטו למעלה.

לבקר המנוע יש 6 כניסות ו-5 יציאות, לפי הפירוט הבא:
2 כניסות לחיבור מתח הפעולה של המעגל (זרם ישר, מעל 5V), ואדמה
2 כניסות לחיבור מתח הפעולה של המנוע (זרם ישר, עד 50V, ו-25 אמפר), ואדמה
2 כניסות נוספות לשליטה על המנוע, האחת לביצוע צעד והשנייה להגדרת כיוון הצעד
5 יציאות לחיבור המנוע (4 סלילים + חיבור משותף)

סכמת חשמלית עבור מעגל אלקטרוני לבקרה על מנוע צעד

קישורים

• דוגמה לבקר למכונת CNC המשתמש בעקרון זה של בקרת מנוע צעד.
• Jones on Stepping Motors -אתר (באנגלית) עם מידע מקיף ומפורט בנושאי מנועי צעד

שאלות ומידע נוסף