Стъпков двигател: принцип на работа, схема, описание, характеристики

В съвременната електротехника се използват много различни устройства, някои от които са предназначени за автоматизация на технологични операции. Това също е стъпков двигател. Принципът на действие и устройството на това устройство са описани в статията.

Какво е това?

Това е името на електромеханичното устройство, използвано за предаване на управляващия сигнал на механично движение ротор. Всяко движение завършва с фиксиране в строго определена позиция. Устройството е ъглово или линейно. Струва си да си спомним, че степърът двигател, принцип на работа който ще бъде описан по-долу, е синхронно устройство.

Системи за управление с отворен цикъл (без обратна връзка)

Най-често това оборудване се контролира от специална електронна схема. Той се захранва само от източник на променлив ток. Такива двигатели често се използват в схеми, където се изисква контрол на скоростта. Това предотвратява необходимостта от използване на скъпа и сложна обратна връзка, а защитата на мотора става по-опростена (необходимо е само да се осигури бързо отстраняване на енергия).

Този принцип на работа се използва в схеми с отворен цикъл. Трябва да се помни, че тази схема (без обратна връзка) е икономически изгодна, но има редица значителни ограничения.

По този начин въртенето на ротора е доста нестабилно, вибрационно, поради което скоростта и другите характеристики на движението по никакъв начин не могат да бъдат толкова точни, колкото в DC двигателите с обратна връзка. За да се разшири обхватът на стъпковия двигател, е необходимо да се намерят начини за намаляване на вибрациите.

Конфигуриране на системата

За да се разбере по-добре конструкцията на стъпковия двигател и принципа на неговото функциониране, е възможно да се разгледа схемата на функциониране на устройството под негов контрол, която беше използвана преди 20 години за производство на перфораторни карти. За тази цел бяха прилагани универсално три- и четирифазни SD. Сега ще разгледаме схемата на първата.

Вече споменахме, че роторът на двигателя се върти на определено разстояние в отговор на всеки контролен импулс. Стойността на тази ротация се изразява в градуси и се нарича стъпка. Логическата схема е включена по време на приемането на сигнала, след което веднага определя фазата, необходима за активирането. След това той изпраща своя сигнал към инвертора, отговарящ за текущата стойност, която използват стъпкови двигатели. Характеристиките на това оборудване включват използването на различни типове управляващи вериги. Като правило, последните се монтират от широко използвани транзистори, въпреки че сравнително наскоро за тази цел са използвали интегрални схеми. С високия си потенциал на изход, необходимата фаза на намотката (например първата) е автоматично възбудена. Ако потенциалът намалее, фазата автоматично се изключва. Така се защитава електромоторът.

Фазите се обозначават с поредни номера 1, 2, 3 и т.н. или с букви A, B, C и т.н. Последният вариант се използва само при някои двуфазни двигатели. По този начин само една фаза от две, три или четири налични (в зависимост от вида на двигателя) е развълнувана във всеки конкретен момент. При обясняването на принципите на действие на такова устройство това обстоятелство се споменава постоянно, но е необходимо да се разбере, че тази схема изобщо не е идеален метод за контрол.

Стъпка и увеличение

Най-простият вариант е подаването на единични импулси от управляващата верига. В този случай, например, двигателят наведнъж върти водещото зъбно колело на конвейера за известно разстояние напред. Следва да се отбележи, че когато масивният механизъм се подава само с една стъпка, проблемът с вибрациите допълнително се влошава и се усеща значителната инерция.

В такива случаи е много по-оправдано да се използва стъпков двигател, който може да направи няколко движения за един контролен импулс. Също така не боли да използваш звездичка с по-малки зъби. Между другото, всяко такова движение се нарича увеличение.

В случаите, описани от нас, нарастването е равно на една и няколко стъпки, съответно. След всеки цикъл двигателят спира известно време, след което всичко се повтаря отново. Това се нарича инкрементално движение и инкрементален контрол, съответно.

Ако едно движение се изпълни на няколко стъпки (както бе обсъдено по-горе) и може да няма колебания на ротора. Когато движението е едно стъпало, колебанията трябва да бъдат загасени посредством специално електронно устройство. По принцип стъпкови двигатели (характеристиките, които обмисляме) принадлежат към устройствата от висок клас, защото тяхната работа изисква много сложно електронно "пълнене".

Общ принцип на управление

За едно увеличение броят на стъпките е повече от четири пъти в някои производствени линии, конвейери. Когато данните от устройството за съхранение (вътрешна флаш памет, твърд диск на компютъра) се изпращат на контролера, те се извършват блокирано блокирано. Всеки от тях съдържа строго определен брой символи (32, 48 или 64), а в различни системи и за различни цели на устройството тази цифра може да варира значително.

Не е изненадващо, че през последните години домашните продукти, базирани на микрокомпютър Arduino, стават често срещани. Стъпков двигател в този дизайн е идеален, тъй като в такъв сноп може да се адаптира както като електроцентрала за играчка, така и за сравнително сложно промишлено оборудване.

Блокът за данни се прехвърля в полупроводниковата памет на контролера преди употреба, след което движението ще започне в съответствие с инструкциите, написани в първия информационен блок (необходимо е да се установят тези характеристики преди да се свърже мотора).

След като изпълни инструкциите, системата започва да чете втория масив от информация. Ако всяко движение се състои от много малки стъпки, трябва да се монтира допълнителна каскада пред главния контролер. Най-често неговите функции се извършват от входния контролер. Той изпраща данни към втория контролен контур на интервал, определен от системата (Arduino). Стъпков двигател в този случай е защитено от претоварване с искания.

Някои особености при използването на SD

Ще ви разкажем за някои от нюансите на използването на стъпкови двигатели и ще дадем определение на термините, които често се използват в тази област:

- Малък ъгъл на стъпалото. Както вече знаете, след всеки управляващ импулс, роторът на мотора се върти до определена степен. Колкото по-малка е стъпката, толкова по-голяма е скоростта. Важно е да знаете, че стъпкови двигатели могат много добре да осигурят много малка стъпка. Номерът на стъпката в този случай е броят на оборотите на стъпка и тази стойност е много важна за инженерите. Тя се изчислява по следната формула:

S = 360 / theta-S, където S е стъпковият номер, theta - ъгъла на терена (ъгъл на въртене).

В повечето случаи задвижването на стъпковия двигател може да извършва 96, 128 или 132 стъпки на оборот. Четирифазните модели понякога имат стойност 200. Редките видове прецизни двигатели само с една революция могат да направят 500 или 1000 стъпки наведнъж. За простите сортове обаче това е недостижимо, тъй като техният ъгъл на завъртане е 90, 45 или 15 °.

- Висока точност на скоростта. Този параметър определя цялостното качество на устройството. Вече знаете, че работата на стъпковия двигател включва неговото спиране и фиксиране в определено положение след изпълнението на блока с данни. Разбира се, конвенционалната механика недвусмислено ни казва, че поради инерция, фрикционна сила и други фактори, са възможни всички отклонения от дадените параметри.

Борба с нежеланите явления

Пространството между ротора и зъбите на статора винаги е минимално, за да се увеличи здравината на закрепването. Точността на точно позициониране зависи от характеристиките само на инвертора, тъй като други фактори го засягат в много по-малка степен.

И сега е необходимо да се вземат предвид редица важни характеристики и концепции, като максималния статичен момент, позициите на "мъртвия" ротор и точността на позициониране на всички тези позиции. За дефинирането на горните термини съществуват едновременно две общоприети общи понятия.

Максимален статичен ефект

Както вече казахме, той има две позиции наведнъж:

• Запазване. Това е максималният допустим ефект, който теоретично може да се приложи върху вала на вече възбуден стъпков двигател без да се получи движение.
• Фиксирането. Съответно, това е и максималният статичен ефект, който може теоретично да бъде приложен към вала на непряка моторна машина, без да има последващо въртене.

Колкото е по-висок моментът на задържане, толкова по-малка е вероятността от позиционни грешки, причинени от непредсказуемото натоварване (например, кондензаторите на двигателите не са успели). Пълният въртящ момент на закрепване е възможно само в моделите на двигателя, в които се използват постоянни магнити.

Мъртви позиции на ротора

Има три позиции наведнъж, в които роторът спира напълно:

• Положение на равновесието. Тя напълно спира възбудения стъпков двигател.
• Фиксиране. Състоянието, в което спира ротора, също се задейства. Но тази концепция се използва само за тези двигатели, в които дизайнът има постоянен магнит.
• В модерните модели на стъпкови двигатели, които отговарят на всички норми за екологична и енергийна сигурност, когато спирачът е спрян, намотката е напълно изключена.

За точността на позициониране

И накрая, нека да поговорим за най-важната концепция. Става въпрос за точността на позициониране. Може да се отбележи колко е важно в работата на сложно промишлено оборудване. Има два важни термини:

• Грешка в ъгловото положение. Определя се като положително или отрицателно отклонение от нормативното ъглово състояние, което често се наблюдава в случаите на преход на ротора от една позиция в друга. Като правило инертността е виновна, както и лошото монтиране на части.
• Точност на позициониране. Това е максималната стойност на грешките на ъгловото положение на ротора, които се получават през целия период на стъпково движение.

Важно! Намерете регулаторна информация за всяка категория стъпкови двигатели могат да бъдат както на официалната страница на техните производители, така и от референтната документация, която е приложена към тези продукти. Като правило стойността на грешката е в диапазона от +0,08 до -0,03 °. Просто казано, точността на позициониране се изчислява като сумата от тези два показателя: 0,08 ° + 0,03 ° = 0,11 °.

По този начин стъпковият мотор, принципът на който описваме, се отнася до оборудване с висока точност.

Високо съотношение на електромагнитния момент към момент на инерция

Както можете да си представите, от стъпковия двигател се изисква да стартира движението колкото е възможно по-скоро, след като контролният импулс пристигне в контролера. Тя трябва да спре точно толкова бързо, че има висока точност на позициониране. Ако по време на движението последователността на контролния импулс се прекъсне, двигателят спира да работи в позицията, определена от последния импулс.

Също така трябва да се има предвид, че съотношението на електромагнитния момент към инерционния момент на ротора в SH трябва да бъде много по-високо от това на конвенционалните електрически мотори.

Скорост на стъпване и честота на импулсите

Тъй като скоростта на SD всъщност представлява броя на стъпките за единица време, вместо термина "скорост на въртене" в специализираната литература, често е възможно да се намери определението за "стъпка на ускоряване". Преди да свържете мотора, е необходимо да прочетете за тези нюанси.

Тъй като в повечето стъпкови двигатели тази честота е равна на броя на управляващите импулси, човек не бива да се изненадва от неговото необичайно обозначение в техническите справочници. По-точно, за такива двигатели единицата за измерване често е херц (Hz).

Важно е да се разбере, че стъпковата скорост на реалната скорост на ротора по никакъв начин не отразява. Експерти смятат, че няма причина да не се използва в описанието на стъпкови двигатели един и същ брой обороти в минута, който се използва при описанието на техническите характеристики на конвенционалните електродвигатели. Връзката между действителната скорост на въртене и неговия аналогов етап се изчислява по следната формула:

n = 60f / S, където n е скоростта на въртене, изразена в обороти на минута; f е стъпката; S е броят на стъпките.

Между другото, как да се определи необходимите кондензатори за електродвигатели? Това е много просто! Достатъчно е просто да използвате тази формула:

С = 66middot-Рном

Лесно е да се досетите какво означава РНМО номинална мощност електрически мотор в kW.

Най-простата схема за свързване на двигателя EM-178

И сега ще разгледаме най-простата връзка на стъпков двигател, използвайки модел EM-178 като пример, който се използва широко в индустриалните принтери.

Не е възможно просто да запишете работата по-просто, защото има милиони много разнообразни модели, чиито характеристики имат значителни различия.

Понастоящем се използват различни видове електродвигатели с този дизайн. В тази статия ще обсъждаме най-често срещаните.

Джет двигатели

Това разнообразие от устройства е широко използвано за този ден. Всъщност, това е почти стандартно трифазен мотор, на статора, на които има шест зъба. Просто казано, всеки два вилки, които се противопоставят една на друга, принадлежат към една и съща фаза. Използва се серийно или паралелно свързване на техните бобини.

Що се отнася до ротора, на него са разположени само четири зъба. Най-често производителите на статори и ротори произвеждат магнитен мек материал, но често е възможно да се срещат само масивни ротори, изработени от обикновени метали. Въпросът е, че има само едно важно изискване за веществата, които влизат в производството им: те трябва да осигурят най-добра проводимост на магнитното поле. Това е изключително важно, ако обсъдим стъпковия двигател: принципът на работа е пряко свързан със силата на магнитното поле.

Устройства с постоянни магнити

Като ротор се използва магнит с цилиндрична форма, на статора има четири зъба с индивидуална намотка. За да се намали по-силно ъгълът на стъпване, при тези модели на стъпкови двигатели е необходимо да се увеличи както броят на полюсите на ротора, така и броят на зъбите на статора. Трябва обаче да се помни, че и двата параметъра имат доста строги физически ограничения. В последния параграф на нашата статия има информация за техния алтернативен дизайн (биполярен стъпков двигател), но такива модели не могат да бъдат намерени толкова често.

Както вече казахме, стъпкови устройства с постоянни магнити спират в строго фиксирана позиция, дори и в случаите, когато напрежението от намотките се премахва. В този случай се задейства същия заключващ механизъм, който споменахме по-горе, позицията на фиксиране.

Използването на постоянни магнити е оправдано от много гледни точки, но в същото време тяхното приложение може веднага да доведе до няколко проблема. Първо, цената им далеч не е достъпна. Между другото, колко е такъв стъпков двигател? Цената на моделите с постоянни магнити надхвърля 100 000 рубли.

На второ място, максималната плътност на магнитното поле може да не е твърде висока, тъй като тази стойност е ограничена от магнетизацията на самия носител. По този начин сравнително евтините постоянни феритни магнити не позволяват получаването на повече или по-малко достатъчна сила на полето. И какви са другите видове електродвигатели, работещи по този принцип?

Хибридни инсталации

Има и друг тип стъпков двигател, използващ частично същия принцип. Хибридните модели работят както с реактивни, така и с магнитни двигатели.

Роторът има почти същия дизайн като реактивния SD, но тук намотките се произвеждат с малко по-различна схема. Фактът е, че при всяка полюсова намотка има само една бобина (трифазна SD). Не е трудно да се предположи, че две бобини вече са навити в четирифазни модели. Намотката се извършва в съответствие с схемата bifilar. Особеността е, че по време на възбуждане на бобините се създава магнитно поле с различни поляризации (биполярен стъпков двигател).