Τι είναι ένας βηματικός κινητήρας, γιατί είναι απαραίτητος και πώς λειτουργεί
Οι κινητήρες DC stepper χρησιμοποιούνται ευρέως σε αριθμητικά ελεγχόμενες μηχανές και ρομποτική. Η κύρια διαφορά αυτού του ηλεκτροκινητήρα είναι η αρχή της λειτουργίας του. Ο άξονας του βηματικού κινητήρα δεν περιστρέφεται για μεγάλο χρονικό διάστημα, αλλά περιστρέφεται μόνο μια συγκεκριμένη γωνία. Αυτό εξασφαλίζει την ακριβή τοποθέτηση του αντικειμένου εργασίας στο χώρο. Η παροχή ισχύος ενός τέτοιου κινητήρα είναι διακριτή, δηλαδή πραγματοποιείται με παλμούς. Αυτοί οι παλμοί περιστρέφουν επίσης τον άξονα κατά μια συγκεκριμένη γωνία, κάθε τέτοια περιστροφή ονομάζεται βήμα, εξ ου και το όνομα. Συχνά, αυτοί οι ηλεκτρικοί κινητήρες λειτουργούν σε συνδυασμό με ένα κιβώτιο ταχυτήτων για να αυξήσουν την ακρίβεια της εγκατάστασης και της ροπής στον άξονα, και με έναν κωδικοποιητή για την παρακολούθηση της θέσης του άξονα αυτή τη στιγμή. Αυτά τα στοιχεία είναι απαραίτητα για τη μετάδοση και τη μετατροπή της γωνίας περιστροφής. Σε αυτό το άρθρο θα ενημερώσουμε τους αναγνώστες του ιστότοπου Elecroexpert σχετικά με τη συσκευή, την αρχή λειτουργίας και τον σκοπό των κινητήρων stepper.
Πώς λειτουργεί ένας κινητήρας stepper
Στον τύπο είναι ένας σύγχρονος ηλεκτρικός κινητήρας χωρίς ψήκτρες. Αποτελείται από στάτορα και ρότορα. Στον ρότορα, τα τμήματα είναι συνήθως τοποθετημένα, συναρμολογημένα από φύλλα ηλεκτρικού χάλυβα (στη φωτογραφία αυτό είναι το «γρανάζι») και αυτά, με τη σειρά τους, διαχωρίζονται από μόνιμους μαγνήτες. Στον στάτορα υπάρχουν περιελίξεις με τη μορφή ξεχωριστών πηνίων.
Αρχή λειτουργίας
Ο τρόπος λειτουργίας ενός κινητήρα stepper μπορεί να εξεταστεί σε ένα υπό όρους μοντέλο. Στη θέση 1, εφαρμόζεται τάση συγκεκριμένης πολικότητας στις περιελίξεις Α και Β. Ως αποτέλεσμα, δημιουργείται ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο στο στάτορα. Εφόσον προσελκύονται διαφορετικοί μαγνητικοί πόλοι, ο ρότορας θα πάρει τη θέση του κατά μήκος του άξονα του μαγνητικού πεδίου. Επιπλέον, το μαγνητικό πεδίο του κινητήρα θα εμποδίσει τις προσπάθειες αλλαγής της θέσης του ρότορα από το εξωτερικό. Με απλούς όρους, το μαγνητικό πεδίο του στάτορα θα λειτουργήσει για να εμποδίσει τον ρότορα να αλλάξει την προκαθορισμένη θέση του (για παράδειγμα, κάτω από μηχανικά φορτία στον άξονα).
Εάν εφαρμοστεί τάση ίδιας πολικότητας στις περιελίξεις D και C, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο θα μετατοπιστεί. Αυτό προκαλεί την περιστροφή του ρότορα μόνιμου μαγνήτη στη θέση 2. Σε αυτήν την περίπτωση, η γωνία περιστροφής είναι 90 °. Αυτή η γωνία θα είναι το βήμα περιστροφής του ρότορα.
Η θέση 3 επιτυγχάνεται εφαρμόζοντας τάση αντίστροφης πολικότητας στις περιελίξεις Α και Β. Σε αυτήν την περίπτωση, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο θα γίνει αντίθετο από τη θέση 1, ο ρότορας των κινητήρων θα μετατοπιστεί και η συνολική γωνία θα είναι 180 °.
Κατά την εφαρμογή τάσης αντίστροφης πολικότητας στις περιελίξεις D και C, ο ρότορας περιστρέφεται με γωνία έως 270 ° σε σχέση με την αρχική θέση. Όταν η θετική τάση συνδέεται με τις περιελίξεις Α και Β, ο ρότορας θα πάρει την αρχική του θέση - θα ολοκληρώσει μια περιστροφή 360 °.Πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι ο ρότορας κινείται κατά μήκος της μικρότερης διαδρομής, δηλαδή, από τη θέση 1 έως τη θέση 4, ο ρότορας θα περιστρέφεται μόνο μετά τη διέλευση των ενδιάμεσων θέσεων 2 και 3. Κατά τη σύνδεση των περιελίξεων μετά από 1 θέση, αμέσως στη θέση 4, ο ρότορας θα γυρίσει αριστερόστροφα.
Τύποι και τύποι κατά πολικότητα ή τύπος περιελίξεων
Σε κινητήρες stepper, χρησιμοποιούνται διπολικές και μονοπολικές περιελίξεις. Η αρχή της λειτουργίας εξετάστηκε με βάση μια διπολική μηχανή. Αυτός ο σχεδιασμός περιλαμβάνει τη χρήση διαφορετικών φάσεων για την τροφοδοσία των περιελίξεων. Το κύκλωμα είναι πολύ περίπλοκο και απαιτεί ακριβές και ισχυρές κάρτες ελέγχου.
Ένα απλούστερο σχήμα ελέγχου σε μονοπολικά μηχανήματα. Σε ένα τέτοιο σχήμα, η αρχή των περιελίξεων συνδέεται με ένα κοινό "συν". Στα δεύτερα συμπεράσματα των περιελίξεων, εφαρμόζεται ένα μείον εναλλάξ. Αυτό εξασφαλίζει την περιστροφή του ρότορα.
Οι διπολικοί βηματικοί κινητήρες είναι πιο ισχυροί, η ροπή τους είναι 40% μεγαλύτερη από ό, τι στους μονοπολικούς. Οι μονοπολικοί ηλεκτρικοί κινητήρες είναι πολύ πιο βολικοί στη χρήση.
Τύποι κινητήρων για σχεδιασμό ρότορα
Ανάλογα με τον τύπο του σχεδιασμού του ρότορα, οι κινητήρες stepper χωρίζονται σε μηχανήματα:
- με μόνιμο μαγνήτη
- με μεταβλητή μαγνητική αντίσταση.
- υβριδικό.
Ο μόνιμος κινητήριος βηματικός κινητήρας στον ρότορα είναι διατεταγμένος με τον ίδιο τρόπο όπως στα παραπάνω παραδείγματα. Η μόνη διαφορά είναι ότι σε πραγματικές μηχανές ο αριθμός των μαγνητών είναι πολύ μεγαλύτερος. Διανέμονται συνήθως σε κοινόχρηστο δίσκο. Ο αριθμός των πόλων στους σύγχρονους κινητήρες φτάνει τα 48. Ένα βήμα σε αυτούς τους ηλεκτρικούς κινητήρες είναι 7,5 °.
Ηλεκτρικοί κινητήρες με μεταβλητή μαγνητική αντίσταση. Ο ρότορας αυτών των μηχανών είναι κατασκευασμένος από μαλακά μαγνητικά κράματα, ονομάζονται επίσης "jet stepper motor". Ο ρότορας συναρμολογείται από μεμονωμένες πλάκες και στο περιβάλλον μοιάζει με ένα γρανάζι. Αυτός ο σχεδιασμός είναι απαραίτητος έτσι ώστε η μαγνητική ροή να κλείνει μέσω των δοντιών. Το κύριο πλεονέκτημα αυτού του σχεδιασμού είναι η απουσία μιας στιγμής κλειδώματος. Το γεγονός είναι ότι ο ρότορας με μόνιμους μαγνήτες έλκεται στα μεταλλικά μέρη του ηλεκτροκινητήρα. Και η περιστροφή του άξονα ελλείψει τάσης στον στάτορα είναι αρκετά δύσκολη. Σε έναν κινητήρα stepper με μεταβλητή μαγνητική αντίσταση δεν υπάρχει τέτοιο πρόβλημα. Ωστόσο, ένα σημαντικό μειονέκτημα είναι η μικρή ροπή. Το βήμα αυτών των μηχανών είναι συνήθως από 5 ° έως 15 °.
Ο υβριδικός βηματικός κινητήρας σχεδιάστηκε για να συνδυάζει τα καλύτερα χαρακτηριστικά των δύο προηγούμενων τύπων. Τέτοιοι κινητήρες έχουν μικρό βήμα στην περιοχή από 0,9 έως 5 °, έχουν υψηλή ροπή και ικανότητα συγκράτησης. Το πιο σημαντικό πλεονέκτημα είναι η υψηλή ακρίβεια της συσκευής. Τέτοιοι ηλεκτρικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται στον πιο σύγχρονο εξοπλισμό υψηλής ακρίβειας. Από μειονεκτήματα μπορεί να αποδοθεί μόνο το υψηλό κόστος τους. Δομικά, ο ρότορας αυτής της συσκευής είναι ένας μαγνητισμένος κύλινδρος στον οποίο βρίσκονται μαγνητικά μαλακά δόντια.
Για παράδειγμα, σε έναν stepper κινητήρα 200 βημάτων, χρησιμοποιούνται δύο δίσκοι με 50 δόντια ο καθένας. Οι δίσκοι μετατοπίζονται ο ένας στον άλλο από ένα δόντι έτσι ώστε η κατάθλιψη του θετικού πόλου να συμπίπτει με την προεξοχή του αρνητικού και το αντίστροφο. Λόγω αυτού, ο ρότορας έχει 100 πόλους με αντίστροφη πολικότητα.
Δηλαδή, τόσο ο νότος όσο και ο βόρειος πόλος μπορούν να μετατοπιστούν σε σχέση με τον στάτορα σε 50 διαφορετικές θέσεις και στο σύνολο των 100. Και μια μετατόπιση φάσης ενός τετάρτου δίνει άλλες 100 θέσεις, αυτό γίνεται με διαδοχική διέγερση.
Διαχείριση SD
Η διαχείριση πραγματοποιείται με τις ακόλουθες μεθόδους:
- Κύμα. Σε αυτήν τη μέθοδο, η τάση εφαρμόζεται σε ένα μόνο πηνίο, στο οποίο έλκεται ο ρότορας. Εφόσον εμπλέκεται μόνο μία περιέλιξη, η ροπή του ρότορα είναι μικρή και δεν είναι κατάλληλη για μετάδοση μεγάλων δυνάμεων.
- Πλήρες βήμα. Σε αυτήν την εφαρμογή, δύο περιελίξεις διεγείρονται ταυτόχρονα, γεγονός που εξασφαλίζει μέγιστη ροπή.
- Μισό βήμα. Συνδυάζει τις δύο πρώτες μεθόδους.Σε αυτήν την εφαρμογή, η τάση εφαρμόζεται πρώτα σε μία από τις περιελίξεις και μετά σε δύο. Έτσι, πραγματοποιείται μεγαλύτερος αριθμός βημάτων και μέγιστη δύναμη συγκράτησης που σταματά τον ρότορα σε υψηλές ταχύτητες.
- Το Microstepping πραγματοποιείται με εφαρμογή παλμών microstep. Αυτή η μέθοδος παρέχει ομαλή περιστροφή του ρότορα και μειώνει το τσακισμό κατά τη λειτουργία.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των κινητήρων stepper
Τα πλεονεκτήματα αυτού του τύπου ηλεκτρικών μηχανών περιλαμβάνουν:
- υψηλή εκκίνηση, διακοπή, αντίστροφη ταχύτητα.
- ο άξονας περιστρέφεται σύμφωνα με την εντολή της συσκευής ελέγχου σε μια προκαθορισμένη γωνία ·
- καθαρή σταθεροποίηση της θέσης μετά από μια στάση.
- υψηλή ακρίβεια τοποθέτησης, χωρίς αυστηρές απαιτήσεις ανάδρασης.
- υψηλή αξιοπιστία λόγω έλλειψης συλλέκτη.
- διατηρώντας τη μέγιστη ροπή σε χαμηλές ταχύτητες.
Μειονεκτήματα:
- πιθανώς μια παραβίαση της θέσης κατά τη διάρκεια μηχανικού φορτίου στον άξονα είναι υψηλότερη από την επιτρεπόμενη για ένα συγκεκριμένο μοντέλο κινητήρα.
- πιθανότητα συντονισμού
- σύνθετο σχήμα ελέγχου ·
- χαμηλή ταχύτητα περιστροφής, αλλά αυτό δεν μπορεί να αποδοθεί σε σημαντικά μειονεκτήματα, καθώς οι βηματικοί κινητήρες δεν χρησιμοποιούνται για περιστροφή απλώς χωρίς ψήκτρες, για παράδειγμα, αλλά για μηχανισμούς τοποθέτησης.
Ένας βηματικός κινητήρας ονομάζεται επίσης «ηλεκτρικός κινητήρας θέσης πεπερασμένου ρότορα». Αυτός είναι ο πιο μεγάλος και ταυτόχρονα σύντομος ορισμός τέτοιων ηλεκτρικών μηχανών. Χρησιμοποιούνται ενεργά σε μηχανήματα CNC, 3D εκτυπωτές και ρομπότ. Ο κύριος ανταγωνιστής του κινητήρα stepper είναι σερβο κίνηση, αλλά καθένα από αυτά έχει τα δικά του πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που καθορίζουν την καταλληλότητα χρήσης του ενός ή του άλλου σε κάθε περίπτωση.
Σχετικά υλικά:
Φόρτωση ...
