Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!

Do obsługi praktycznie wszystkich urządzeń elektrycznych potrzebne są specjalne mechanizmy napędowe. Proponujemy rozważyć, czym jest silnik krokowy, jego konstrukcja, zasada działania i schematy połączeń.

Co to jest silnik krokowy?

Silnik krokowy jest maszyną elektryczną przeznaczoną do przekształcania energii elektrycznej sieci w energię mechaniczną. Strukturalnie składa się z uzwojeń stojana i magnetycznie miękkiego lub magnetycznie twardego wirnika. Cechą charakterystyczną silnika krokowego jest dyskretny obrót, w którym pewna liczba impulsów odpowiada pewnej liczbie ukończonych kroków. Takie urządzenia są najczęściej stosowane w maszynach CNC, robotyce, urządzeniach do przechowywania i odczytu informacji.

W przeciwieństwie do innych typów maszyn, silnik krokowy nie obraca się w sposób ciągły, ale w krokach, z których pochodzi nazwa urządzenia. Każdy taki krok jest tylko częścią jego całkowitego obrotu. Liczba kroków wymaganych do pełnego obrotu wału będzie się różnić w zależności od schematu okablowania, marki silnika i metody sterowania.

Zalety i wady silnika krokowego

Zalety obsługi silnika krokowego obejmują:

  • W silnikach krokowych kąt obrotu odpowiada liczbie przyłożonych sygnałów elektrycznych, podczas gdy po zatrzymaniu obrotu zostaje zachowany pełny moment i utrwalenie;
  • Dokładne pozycjonowanie - zapewnia 3 - 5% ustawionego kroku, który nie kumuluje się od kroku do kroku;
  • Zapewnia szybkie uruchamianie, cofanie, zatrzymywanie;
  • Różni się wysoką niezawodnością ze względu na brak elementów trących do odbioru prądu, w przeciwieństwie do silników kolektorów;
  • Do pozycjonowania silnik krokowy nie wymaga sprzężenia zwrotnego;
  • Może wytwarzać niskie obroty dla bezpośrednio przyłożonego obciążenia bez przekładni;
  • Stosunkowo niższy koszt w porównaniu do tych samych serw;
  • Zapewnia szeroki zakres prędkości wału sterowania prędkością poprzez zmianę częstotliwości impulsów elektrycznych.

Wadami używania silnika krokowego są:

  • Może wystąpić efekt rezonansowy i poślizg jednostki krokowej;
  • Istnieje możliwość utraty kontroli z powodu braku informacji zwrotnej;
  • Ilość zużytej energii elektrycznej nie zależy od obecności lub braku obciążenia;
  • Złożoność zarządzania ze względu na konkretny obwód

Urządzenie i zasada działania

Rys. 1. Zasada działania silnika krokowego

Figura 1 przedstawia 4 uzwojenia, które odnoszą się do stojana silnika, a ich rozmieszczenie jest rozmieszczone tak, że są one pod kątem 90 ° względem siebie. Z tego wynika, że taka maszyna charakteryzuje się stopniem wielkości 90º.

W momencie, gdy napięcie U1 jest dostarczane do pierwszego uzwojenia, wirnik przesuwa się do tego samego 90º. W przypadku naprzemiennego przykładania napięcia U2, U3, U4 do odpowiednich uzwojeń, wał będzie się obracał aż do zakończenia pełnego okręgu. Po czym cykl powtarza się. Aby zmienić kierunek obrotu, wystarczy zmienić kolejność, w jakiej impulsy są podawane do odpowiednich uzwojeń.

Rodzaje silników krokowych

W celu zapewnienia różnych parametrów pracy ważne są zarówno wielkość kroku, o który wał się porusza, jak i moment zastosowany do ruchu. Różnice tych parametrów uzyskuje się dzięki zaprojektowaniu samego wirnika, sposobu połączenia i konstrukcji uzwojeń.

Konstrukcja wirnika

Element obrotowy zapewnia oddziaływanie magnetyczne z polem elektromagnetycznym stojana. Dlatego jego konstrukcja i cechy techniczne bezpośrednio określają tryb pracy i parametry obrotu jednostki skokowej. W celu określenia w praktyce typu silnika krokowego, w przypadku sieci pozbawionej zasilania konieczne jest obrócenie wału, jeśli odczuwa się opór, wskazuje to na obecność magnesu, w przeciwnym razie jest to konstrukcja bez rezystancji magnetycznej.

Reaktywny

Reaktywny silnik krokowy nie jest wyposażony w magnes na wirniku, ale jest wykonany ze stopów miękkich magnetycznie, z reguły jest montowany z płyt w celu zmniejszenia strat indukcyjnych. Konstrukcja w przekroju przypomina zębatkę. Bieguny uzwojeń stojana są zasilane przez przeciwne pary i wytwarzają siłę magnetyczną do przemieszczania wirnika, która porusza się z naprzemiennego przepływu prądu elektrycznego w parach uzwojeń.

Ze zmienną odpornością magnetyczną

Ważną zaletą tej konstrukcji napędu krokowego jest brak momentu zatrzaskowego utworzonego przez pole w stosunku do urządzenia. W rzeczywistości jest to ten sam silnik synchroniczny, w którym wirnik obraca się zgodnie z polem stojana. Wadą jest zmniejszenie wartości momentu obrotowego. Skok silnika odrzutowego wynosi od 5 do 15 °.

Z magnesami trwałymi

W tym przypadku ruchomy element silnika krokowego jest zmontowany z magnesu trwałego, w którym mogą być dwa lub więcej biegunów. Obrót wirnika jest zapewniony przez przyciąganie lub odpychanie biegunów magnetycznych przez pole elektryczne, gdy napięcie jest przykładane do odpowiednich uzwojeń. W tej konstrukcji skok kątowy wynosi 45-90 °.

Z magnesem trwałym

Hybrydowy

Został zaprojektowany, aby połączyć najlepsze cechy dwóch poprzednich modeli, dzięki czemu urządzenie ma mniejszy kąt i nachylenie. Jego wirnik jest wykonany w postaci cylindrycznego magnesu trwałego, który jest namagnesowany wzdłuż osi podłużnej. Strukturalnie wygląda jak dwa okrągłe słupy, na powierzchni których znajdują się zęby wirnika materiału magnetycznego. To rozwiązanie pozwoliło uzyskać doskonałe trzymanie i moment obrotowy.

Urządzenie jest hybrydowym silnikiem krokowym

Zalety hybrydowego silnika krokowego polegają na jego wysokiej dokładności, płynności i szybkości ruchu, w małych krokach - od 0, 9 do 5 °. Stosowane są do zaawansowanych maszyn CNC, urządzeń komputerowych i biurowych oraz nowoczesnych robotów. Jedyną wadą jest stosunkowo wysoki koszt.

Na przykład przeanalizujmy wariant hybrydowych silników obniżających napięcie z 200 krokami pozycjonowania wału. Odpowiednio, każdy z cylindrów będzie miał 50 zębów, z których jeden jest biegunem dodatnim, drugi jest ujemny. Ponadto każdy ząb dodatni znajduje się naprzeciw rowka w cylindrze ujemnym i odwrotnie. Strukturalnie wygląda to tak:

Lokalizacja rowków hybrydy

Z tego powodu na wale silnika krokowego uzyskuje się 100 zmiennych biegunów o doskonałej biegunowości. Stojan ma również zęby, jak pokazano na rysunku 6 poniżej, z wyjątkiem przerw między jego elementami.

Rys. 6. Zasada działania hybrydowego SD

Dzięki tej konstrukcji możliwe jest osiągnięcie przemieszczenia tego samego bieguna południowego w stosunku do stojana w 50 różnych pozycjach. Ze względu na różnicę położenia w połowie pozycji między biegunami północnym i południowym, osiąga się zdolność do poruszania się w 100 pozycjach, a przesunięcie fazowe o jedną czwartą podziału daje możliwość zwiększenia liczby kroków z powodu sekwencyjnego wzbudzenia o kolejne dwa razy, to jest do 200 kroków wału kątowego na 1 obrót.

Zwróć uwagę na fig. 6, zasada działania takiego silnika krokowego polega na tym, że gdy para prądów jest podawana do przeciwległych uzwojeń, przeciwne bieguny wirnika umieszczone za zębami stojana są podciągane i podobne powtarzają się przed nimi w kierunku obrotu.

Według rodzaju uzwojeń

W praktyce silnik krokowy jest silnikiem wielofazowym. Płynność pracy, w której bezpośrednio zależy od liczby uzwojeń - im więcej, tym płynniejszy obrót, ale tym wyższy koszt. W tym przypadku moment obrotowy z liczby faz nie wzrasta, chociaż dla normalnej pracy ich minimalna liczba na stojanie silnika elektrycznego powinna wynosić co najmniej dwa. Liczba faz nie determinuje liczby uzwojeń, więc dwufazowy silnik krokowy może mieć cztery lub więcej uzwojeń.

Unipolarny

Jednobiegunowy silnik krokowy różni się tym, że obwód połączenia uzwojenia ma odgałęzienie od punktu środkowego. Dzięki temu bieguny magnetyczne łatwo się zmieniają. Wadą tej konstrukcji jest wykorzystanie tylko połowy dostępnych obrotów, dzięki czemu osiąga się mniejszy moment obrotowy. Dlatego są duże.

Jednobiegunowy SD

Aby wykorzystać całą moc cewki, średnia moc wyjściowa pozostaje niezwiązana. Rozważmy projekt jednostek jednobiegunowych, mogą one zawierać 5 i 6 wniosków. Ich liczba będzie zależeć od tego, czy środkowy przewód zostanie usunięty oddzielnie od każdego uzwojenia silnika, czy też są połączone ze sobą.

Schemat a) z różnymi, b) z jednym wnioskiem

Dwubiegunowy

Dwubiegunowy silnik krokowy jest podłączony do sterownika za pomocą 4 pinów. W tym przypadku uzwojenia mogą być połączone zarówno szeregowo, jak i równolegle. Rozważmy przykład jego pracy na rysunku.

Bipolarny silnik krokowy

W konstruktywnym schemacie takiego silnika można zaobserwować za pomocą jednego uzwojenia wzbudzenia w każdej fazie. Z tego powodu zmiana kierunku prądu wymaga użycia specjalnych sterowników w obwodzie elektronicznym (chipy elektroniczne przeznaczone do sterowania). Aby osiągnąć ten efekt, możesz użyć mostka H. W porównaniu z poprzednim, urządzenie bipolarne zapewnia ten sam moment o znacznie mniejszych wymiarach.

Podłączenie silnika krokowego

Do zasilania uzwojeń potrzebne jest urządzenie zdolne do wytworzenia impulsu sterującego lub serii impulsów w określonej kolejności. Urządzenia półprzewodnikowe do podłączenia silnika krokowego, sterowniki mikroprocesorowe działają jako takie jednostki. W którym znajduje się zestaw zacisków wyjściowych, każdy z nich określa sposób zasilania i tryb działania.

W zależności od schematu okablowania należy zastosować jeden lub inny wniosek jednostki krokowej. Przy różnych sposobach sumowania jednego lub drugiego zacisku z sygnałem wyjściowym DC uzyskuje się pewną prędkość obrotową, skok lub mikrostep ruchu liniowego w płaszczyźnie. Ponieważ dla niektórych zadań potrzebna jest niska częstotliwość, a dla innych wysoka częstotliwość, ten sam silnik może ustawić parametr kosztem kierowcy.

Typowe schematy połączeń

W zależności od tego, ile pinów jest reprezentowanych na konkretnym silniku krokowym: 4, 6 lub 8 pinów, możliwość wykorzystania jednego lub drugiego obwodu do ich połączenia będzie inna.Spójrz na zdjęcia, tutaj są typowe opcje podłączenia mechanizmu krokowego:

Schematy połączeń dla różnych typów silników krokowych

Pod warunkiem zasilania głównych biegunów maszyny krokowej tego samego kierowcy, zgodnie z tymi schematami, można zauważyć następujące wyróżniające cechy pracy:

  • Przewody są unikalnie połączone z odpowiednimi zaciskami urządzenia. Gdy uzwojenia są połączone szeregowo, indukcyjność uzwojeń wzrasta, ale obniża prąd.
  • Zapewnia wartość paszportową charakterystyk elektrycznych. W obwodzie równoległym prąd wzrasta, a indukcyjność maleje.
  • Po podłączeniu jednej fazy do uzwojenia, moment obrotowy przy niskich prędkościach zmniejsza się i zmniejsza wielkość prądów.
  • Po podłączeniu wykonuje wszystkie charakterystyki elektryczne i dynamiczne zgodnie z paszportem, prądy nominalne. Schemat sterowania jest znacznie uproszczony.
  • Daje o wiele większy moment i jest używany przy dużych prędkościach;
  • Podobnie jak poprzedni, ma na celu zwiększenie momentu obrotowego, ale jest używany do niskich prędkości.

Sterowanie silnikiem krokowym

Działanie jednostki krokowej można wykonać kilkoma metodami. Każdy z nich różni się sposobem przesyłania sygnałów do pary biegunów. Całość emituje metodę aktywacji uzwojeń.

Fala - w tym trybie wzbudzane jest tylko jedno uzwojenie, do którego przyciągane są bieguny wirnika. W tym przypadku silnik krokowy nie jest w stanie pociągnąć dużego obciążenia, ponieważ daje tylko połowę momentu.

Sterowanie falowe

Pełny krok - w tym trybie następuje jednoczesne przełączanie faz, to znaczy oba są jednocześnie wzbudzane. Z tego powodu zapewniony jest maksymalny moment, w przypadku połączenia równoległego lub szeregowego połączenia uzwojeń, zostanie utworzone maksymalne napięcie lub prąd.

Pełne zarządzanie

Pół kroku - to połączenie dwóch poprzednich metod przełączania uzwojeń. Podczas realizacji, której w silniku krokowym, napięcie przemienne jest przykładane najpierw do jednej cewki, a następnie do dwóch na raz. Zapewnia to lepsze mocowanie przy maksymalnej prędkości i większej liczbie kroków.

Zarządzanie połową

Dla łagodniejszego sterowania i przezwyciężenia bezwładności wirnika stosuje się sterowanie mikrokrokowe, gdy sygnał sinusoidalny jest realizowany za pomocą impulsów mikrokrokowych. Dzięki temu siły oddziaływań obwodów magnetycznych w silniku krokowym uzyskują płynniejszą zmianę, aw rezultacie ruch wirnika między biegunami. Pozwala znacznie zredukować szarpnięcia silnika krokowego.

Bez kontrolera

Do sterowania silnikami bezszczotkowymi stosowany jest system mostka H. Co pozwala na zmianę polaryzacji dla odwrotnego silnika krokowego. Można to wykonać na tranzystorach lub mikroprocesorach, które tworzą logiczny łańcuch do przenoszenia kluczy.

Schemat H-bridge

Jak widać, ze źródła zasilania napięcie V jest przykładane do mostka. Gdy styki S1 - S4 lub S3 - S2 zostaną sparowane, prąd przepłynie przez uzwojenia silnika. Co spowoduje obrót w jednym lub drugim kierunku.

Z kontrolerem

Sterownik umożliwia sterowanie silnikiem krokowym w różnych trybach. Sterownik oparty jest na jednostce elektronicznej, która tworzy grupy sygnałów i ich sekwencję, wysyłane do cewek stojana. Aby zapobiec możliwości jego uszkodzenia w przypadku zwarcia lub innej sytuacji awaryjnej samego silnika, każde wyjście jest chronione przez diodę, która nie traci impulsu w przeciwnym kierunku.

Połączenie przez jednobiegunowy sterownik silnika krokowego

Popularne schematy sterowania SM

Obwód sterowania ze sterownika z wyjściem różnicowym

Jest to jedna z najbardziej wolnych od zakłóceń metod działania. W tym przypadku sygnał bezpośredni i odwrotny jest bezpośrednio połączony z odpowiednimi biegunami. W takim schemacie należy zastosować ekranujący przewód sygnałowy. Idealny do małych obciążeń.

Obwód sterowania ze sterownika z wyjściem z otwartym kolektorem

W tym schemacie podłączone są dodatnie wejścia sterownika, które są podłączone do bieguna dodatniego. W przypadku mocy powyżej 9V, specjalny obwód musi być włączony do obwodu, aby ograniczyć prąd. Umożliwia ustawienie wymaganej liczby kroków przy ściśle ustawionej prędkości, określenie przyspieszenia itp.

Najprostszy silnik krokowy kierowcy sam to zrób

Aby zmontować schemat sterownika w domu, przydatne mogą być niektóre elementy ze starych drukarek, komputerów i innego sprzętu. Potrzebne będą tranzystory, diody, rezystory (R) i mikroukład (RG).

Schemat najprostszego sterownika

Aby zbudować program, kieruj się następującą zasadą: przy stosowaniu jednostki logicznej na jednym z pinów D (pozostałe zero sygnału), tranzystor otwiera się i sygnał przechodzi do cewki silnika. W ten sposób wykonywany jest jeden krok.

Na podstawie schematu kompilowana jest płytka z obwodem drukowanym, którą można próbować wykonać samodzielnie lub zamówić. Po tym odpowiednie części są lutowane na płycie. Urządzenie może sterować urządzeniem krokowym z komputera domowego, podłączając się do zwykłego portu USB.

Przydatne wideo

Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!

Kategoria: