Какво е стъпков мотор, защо е необходим и как работи

DC стъпкови двигатели са широко използвани в машините с цифрово управление и роботиката. Основната разлика на този електромотор е принципът на неговата работа. Валът на стъпков мотор не се върти дълго време, а върти само определен ъгъл. Това гарантира точно позициониране на работния елемент в пространството. Захранването на такъв двигател е дискретно, тоест се извършва чрез импулси. Тези импулси също въртят вала под определен ъгъл, всяко такова завъртане се нарича стъпка, оттук и името. Често тези електродвигатели работят в тандем с предавателна кутия, за да увеличат точността на монтажа и въртящия момент на вала и с енкодер, за да проследяват положението на вала в момента. Тези елементи са необходими за предаване и преобразуване на ъгъла на въртене. В тази статия ще разкажем на читателите на сайта ElecroExpert относно устройството, принципа на работа и предназначението на стъпковите двигатели.

Как работи стъпковият мотор

По тип това е безчетов синхронен електродвигател. Състои се от статор и ротор, На ротора обикновено са разположени секции, сглобени от листове от електрическа стомана (на снимката това е "зъбната" част), а тези от своя страна са разделени с постоянни магнити. На статора има намотки под формата на отделни бобини.

Разглобен стъпков мотор

Принцип на работа

Как работи стъпковият мотор може да се разгледа на условен модел. В позиция 1 напрежение с определена полярност се прилага към намотки А и В. В резултат на това в статора се генерира електромагнитно поле. Тъй като са привлечени различни магнитни полюси, роторът ще заеме позицията си по оста на магнитното поле. Освен това магнитното поле на двигателя ще попречи на опитите за промяна на позицията на ротора отвън. Казано по-просто, магнитното поле на статора ще работи, за да запази ротора от промяна на предварително определеното му положение (например, при механични натоварвания на вала).

Принципът на въртене на стъпковия мотор от първоначалното положение (ъгъл 0 °) до ъгъл 90 °

Ако напрежение от същата полярност се приложи към намотки D и C, електромагнитното поле ще се измести. Това кара ротора на постоянния магнит да се завърти до позиция 2. В този случай ъгълът на въртене е 90 °. Този ъгъл ще бъде стъпката на въртене на ротора.

Продължаващ ъгъл на въртене: 180 ° и 270 °

Позиция 3 се постига чрез прилагане на напрежение на обратна полярност към намотките А и В. В този случай електромагнитното поле ще стане противоположно на положение 1, роторът на двигателите ще се измести и общият ъгъл ще бъде 180 °.

При прилагане на напрежение с обратна полярност към намотките D и C, роторът ще завърти ъгъл до 270 ° спрямо първоначалното положение. Когато положителното напрежение е свързано към намотки A и B, роторът ще заеме първоначалното си положение - ще завърши 360 ° оборот.Трябва да се има предвид, че роторът се движи по най-малкия път, тоест от позиция 1 до позиция 4, роторът ще се върти само след преминаване на междинни 2 и 3 позиции. При свързване на намотките след 1 позиция, веднага до 4 позиция, роторът ще се завърти обратно на часовниковата стрелка.

Видове и типове по полярност или вид намотки

В стъпкови двигатели се използват биполярни и еднополярни намотки. Принципът на работа беше разгледан на базата на биполярна машина. Този дизайн включва използването на различни фази за захранване на намотките. Веригата е много сложна и изисква скъпи и мощни контролни карти.

По-опростена схема на управление в еднополярни машини. В такава схема началото на намотките е свързано с общ "плюс". Във втория извод на намотките се прилага последователно минус. Това гарантира въртенето на ротора.

Биполярните стъпкови двигатели са по-мощни, въртящият им момент е с 40% повече, отколкото при еднополюсните. Униполярните електродвигатели са много по-удобни за работа.

 Принципът на управление на униполярния ШД

Видове двигатели за дизайн на ротора

Според вида на конструкцията на ротора, стъпкови двигатели са разделени на машини:

  • с постоянен магнит;
  • с променливо магнитно съпротивление;
  • хибрид.

Постоянният магнитен стъпков двигател на ротора е подреден по същия начин, както в горните примери. Единствената разлика е, че в реалните машини броят на магнитите е много по-голям. Те обикновено се разпространяват на споделено устройство. Броят на полюсите в съвременните двигатели достига 48. Една стъпка при такива електродвигатели е 7,5 °.

Постоянен магнитен ротор

Електродвигатели с променливо магнитно съпротивление. Роторът на тези машини е направен от меки магнитни сплави, те се наричат ​​още "реактивен стъпков двигател". Роторът е сглобен от отделни пластини и в контекста изглежда като зъбно колело. Този дизайн е необходим, така че магнитният поток да се затваря през зъбите. Основното предимство на този дизайн е липсата на заключващ момент. Факт е, че роторът с постоянни магнити е привлечен от металните части на електродвигателя. И да завъртите вала при липса на напрежение на статора е доста трудно. В стъпков двигател с променливо магнитно съпротивление няма такъв проблем. Съществен недостатък обаче е малкият въртящ момент. Наклонът на такива машини обикновено е от 5 ° до 15 °.

Променлив магнитен резистор

Хибридният стъпков мотор е проектиран да съчетава най-добрите характеристики на двата предишни типа. Такива двигатели имат малък наклон в диапазона от 0,9 до 5 °, имат висок въртящ момент и способност за задържане. Най-важният плюс е високата точност на устройството. Такива електродвигатели се използват в най-модерното високо прецизно оборудване. Към минусите може да се припише само високата им цена. В структурно отношение роторът на това устройство е магнетизиран цилиндър, върху който са разположени магнетично меки зъби.

Например, в стъпков двигател с 200 стъпки се използват два диска с 50 зъба. Дисковете са изместени един спрямо друг чрез зъб, така че депресията на положителния полюс съвпада с изпъкналостта на отрицателния и обратно. Поради това роторът има 100 полюса с обратна полярност.

Преместване на полюсите на хибриден ротор на ШД

Тоест южният и северният полюс могат да се изместват спрямо статора в 50 различни позиции и в общо 100. А фазовото изместване на една четвърт дава още 100 позиции, това се прави поради последователно възбуждане.

Хибридна SD верига

Управление на SD

Управлението се осъществява по следните методи:

  1. Wave. При този метод напрежението се прилага само към една намотка, към която се привлича роторът. Тъй като е включена само една намотка, въртящият момент на ротора е малък и не е подходящ за предаване на големи мощности.
  2. Пълна стъпка. В това изпълнение две намотки се възбуждат едновременно, което осигурява максимален въртящ момент.
  3. Половин стъпка. Комбинира първите два метода.В това изпълнение напрежението се прилага първо към една от намотките, а след това към две. По този начин се реализира по-голям брой стъпки и максимална сила на задържане, която спира ротора при високи скорости.
  4. Микростеппингът се извършва чрез прилагане на микроскопни импулси. Този метод осигурява плавно завъртане на ротора и намалява потрепването по време на работа.

Предимства и недостатъци на стъпкови двигатели

Предимствата на този тип електрически машини включват:

  • висок старт, стоп, обратна скорост;
  • валът се върти в съответствие с командата на управляващото устройство под предварително определен ъгъл;
  • ясно фиксиране на позицията след спиране;
  • висока точност на позициониране, без строги изисквания за обратна връзка;
  • висока надеждност поради липсата на колектор;
  • поддържане на максимален въртящ момент при ниски скорости.

недостатъци:

  • възможно нарушение на позиционирането по време на механично натоварване на вала е по-високо от допустимото за конкретен модел двигател;
  • вероятност за резонанс;
  • сложна схема за контрол;
  • ниска скорост на въртене, но това не може да се отдаде на значителни недостатъци, тъй като стъпкови двигатели не се използват за просто завъртане на нещо като безчетковнапример, но за механизми за позициониране.

Стъпковият мотор се нарича още „електрически двигател с крайна позиция“. Това е най-вместимото и в същото време кратко определение на такива електрически машини. Те се използват активно в CNC машини, 3D принтери и роботи. Основният конкурент на стъпковия мотор е серво задвижване, но всеки от тях има своите предимства и недостатъци, които определят целесъобразността на използването на едно или друго във всеки случай.

Свързани материали:

Зареждането ...

Добавете коментар