Έλεγχος βηματικού κινητήρα

Οι ηλεκτρικοί κινητήρες μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια, και όπως για τους βηματικούς κινητήρες, μετατρέπουν την ενέργεια των ηλεκτρικών παλμών σε περιστροφικές κινήσεις του ρότορα. Η κίνηση που δημιουργείται από τη δράση κάθε παλμού ξεκινά και επαναλαμβάνεται με υψηλή ακρίβεια, καθιστώντας τους σφαιρικούς κινητήρες αποτελεσματικούς κινητήρες για συσκευές που απαιτούν ακριβή τοποθέτηση.

Οι βηματικοί κινητήρες μόνιμου μαγνήτη περιλαμβάνουν: έναν ρότορα μόνιμου μαγνήτη, περιελίξεις στάτορα και έναν μαγνητικό πυρήνα. Τα ενεργειακά πηνία δημιουργούν μαγνητικούς βόρειους και νότιους πόλους όπως φαίνεται. Το κινούμενο μαγνητικό πεδίο του στάτορα αναγκάζει τον ρότορα να ευθυγραμμίζεται μαζί του ανά πάσα στιγμή. Αυτό το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο μπορεί να συντονιστεί ελέγχοντας τη διέγερση σειράς των πηνίων του στάτορα για την περιστροφή του ρότορα.

Το σχήμα δείχνει ένα διάγραμμα μιας τυπικής μεθόδου διέγερσης για έναν κινητήρα δύο φάσεων. Στη φάση Α τα δύο πηνία του στάτορα ενεργοποιούνται και αυτό αναγκάζει τον ρότορα να έλκεται και να κλειδώνει καθώς οι αντίθετοι μαγνητικοί πόλοι έλκονται μεταξύ τους.Όταν οι περιελίξεις της φάσης Α είναι απενεργοποιημένες, οι περιελίξεις της φάσης Β είναι ενεργοποιημένες, ο ρότορας περιστρέφεται δεξιόστροφα (Αγγλικά CW — δεξιόστροφα, CCW — αριστερόστροφα) 90 °.

Στη συνέχεια η φάση Β σβήνει και η φάση Α ανάβει, αλλά οι πόλοι είναι πλέον αντίθετοι από αυτό που ήταν στην αρχή. Αυτό οδηγεί στην επόμενη στροφή 90°. Στη συνέχεια, η φάση Α απενεργοποιείται, η φάση Β ενεργοποιείται με αντίστροφη πολικότητα. Η επανάληψη αυτών των βημάτων θα προκαλέσει την περιστροφή του ρότορα δεξιόστροφα σε βήματα των 90°.

Ο σταδιακός έλεγχος που φαίνεται στο σχήμα ονομάζεται μονοφασικός έλεγχος. Ένας πιο αποδεκτός τρόπος βηματικού ελέγχου είναι ο ενεργός έλεγχος δύο φάσεων, όπου και οι δύο φάσεις του κινητήρα είναι πάντα ενεργοποιημένες, αλλά η πολικότητα σε μία από αυτές αλλάζει, όπως φαίνεται στο σχήμα.

Αυτός ο έλεγχος αναγκάζει τον ρότορα του βηματικού κινητήρα να κινείται έτσι ώστε να ευθυγραμμίζεται με κάθε βήμα στο κέντρο του σχηματισμένου βόρειου και νότιου πόλου, μεταξύ των προεξοχών του μαγνητικού κυκλώματος. Επειδή και οι δύο φάσεις είναι πάντα ενεργοποιημένες, αυτή η μέθοδος ελέγχου παρέχει 41,4% περισσότερη ροπή από τον έλεγχο με μία ενεργή φάση, αλλά απαιτεί διπλάσια ηλεκτρική ισχύ.

Μισό βήμα

Ένας βηματικός κινητήρας μπορεί επίσης να είναι "ημι-βηματικός", στη συνέχεια προστίθεται ένα στάδιο ενεργοποίησης κατά τη μετάβαση φάσης. Αυτό μειώνει τη γωνία του βήματος στο μισό. Για παράδειγμα, αντί για 90 °, ένας βηματικός κινητήρας μπορεί να κάνει περιστροφές 45 ° σε κάθε «μισό βήμα», όπως φαίνεται στο σχήμα.

Αλλά η λειτουργία μισού βήματος εισάγει απώλεια ροπής 15-30%, σε σύγκριση με τον έλεγχο βήματος με δύο ενεργές φάσεις, επειδή μία από τις περιελίξεις είναι ανενεργή κατά τη διάρκεια του μισού βήματος και αυτό τελικά οδηγεί σε απώλεια ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, που επενεργεί ο ρότορας, δηλαδή η καθαρή απώλεια ροπής.

Διπολικό πηνίο

Ο έλεγχος βημάτων δύο φάσεων προϋποθέτει την παρουσία διπολικής περιέλιξης στάτορα. Κάθε φάση έχει το δικό της πηνίο και όταν το ρεύμα αντιστρέφεται μέσω των πηνίων, αλλάζουν και οι ηλεκτρομαγνητικές πολικότητες. Το αρχικό στάδιο είναι χαρακτηριστικό διφασικό πρόγραμμα οδήγησης φαίνεται στο σχήμα. Το σχήμα ελέγχου φαίνεται στον πίνακα. Μπορεί να φανεί πόσο απλά αλλάζοντας την κατεύθυνση του ρεύματος μέσω των πηνίων είναι δυνατό να αλλάξει η μαγνητική πολικότητα στις φάσεις.

Μονοπολικό πηνίο

Ένας άλλος τυπικός τύπος πηνίου είναι το μονοπολικό πηνίο.Εδώ τα πηνία χωρίζονται σε δύο μέρη και όταν ενεργοποιείται το ένα μέρος του πηνίου δημιουργείται ένας βόρειος πόλος, όταν το άλλο μέρος ενεργοποιείται δημιουργείται ένας νότιος πόλος. Αυτή η λύση ονομάζεται μονοπολικό πηνίο επειδή η ηλεκτρική πολικότητα που είναι υπεύθυνη για το ρεύμα δεν αλλάζει ποτέ. Τα στάδια ελέγχου φαίνονται στο σχήμα.

Αυτός ο σχεδιασμός επιτρέπει τη χρήση ενός απλούστερου ηλεκτρονικού μπλοκ. Ωστόσο, σχεδόν το 30% της ροπής χάνεται εδώ σε σύγκριση με ένα διπολικό πηνίο επειδή τα πηνία έχουν το μισό σύρμα σαν διπολικό πηνίο.

Άλλες γωνίες κλίσης

Για να αποκτήσετε μικρότερες γωνίες βήματος, είναι απαραίτητο να υπάρχει μεγαλύτερος αριθμός πόλων τόσο στον ρότορα όσο και στον στάτορα. Ο ρότορας 7,5° έχει 12 ζεύγη πόλων και ο μαγνητικός πυρήνας του στάτη έχει 12 προεξοχές. Δύο αυτιά μπομπίνα και δύο κουλούρες.

Αυτό δίνει 48 πόλους για κάθε βήμα 7,5°. Στο σχήμα μπορείτε να δείτε τις 4-πολικές ωτίδες σε τομή. Είναι φυσικά δυνατό να συνδυαστούν τα βήματα για να επιτευχθούν μεγάλες μετατοπίσεις, για παράδειγμα έξι βήματα των 7,5° θα οδηγήσουν σε περιστροφή του ρότορα 45°.

Ακρίβεια

Η ακρίβεια των βηματικών κινητήρων είναι 6-7% ανά βήμα (χωρίς συσσώρευση). Ένας βηματικός κινητήρας με βήματα 7,5° θα βρίσκεται πάντα εντός 0,5° από τη θεωρητικά προβλεπόμενη θέση, ανεξάρτητα από το πόσα βήματα έχουν ήδη γίνει. Το σφάλμα δεν θα συσσωρευτεί επειδή μηχανικά κάθε 360 ° επαναλαμβάνεται βήμα προς βήμα. Χωρίς φορτίο, η φυσική θέση των πόλων του στάτορα και του ρότορα σε σχέση μεταξύ τους θα είναι η ίδια ανά πάσα στιγμή.

Αντήχηση

Οι βηματικοί κινητήρες έχουν τη δική τους συχνότητα συντονισμού, επειδή είναι συστήματα όπως το βάρος του ελατηρίου. Όταν ο ρυθμός είναι ίδιος με τη συχνότητα φυσικού συντονισμού του κινητήρα, ο θόρυβος που δημιουργείται από τον κινητήρα μπορεί να ακουστεί και η δόνηση ενισχύεται.

Το σημείο συντονισμού εξαρτάται από την εφαρμογή του κινητήρα, το φορτίο του, αλλά γενικά η συχνότητα συντονισμού κυμαίνεται από 70 έως 120 βήματα ανά δευτερόλεπτο. Στη χειρότερη περίπτωση, ο κινητήρας θα χάσει την ακρίβεια του ελέγχου εάν μπει σε συντονισμό.

Ένας εύκολος τρόπος για να αποφύγετε προβλήματα συντονισμού συστήματος είναι να αλλάξετε τον ρυθμό μακριά από το σημείο συντονισμού. Στη λειτουργία μισού ή μικροβήματος, το πρόβλημα συντονισμού μειώνεται επειδή το σημείο συντονισμού εγκαταλείπεται καθώς αυξάνεται η ταχύτητα.

Ροπή

Η ροπή ενός βηματικού κινητήρα είναι συνάρτηση: ταχύτητας βήματος, ρεύμα περιέλιξης στάτη, τύπος κινητήρα. Η ισχύς ενός συγκεκριμένου βηματικού κινητήρα σχετίζεται επίσης με αυτούς τους τρεις παράγοντες.Η ροπή ενός βηματικού κινητήρα είναι το άθροισμα της ροπής τριβής και της αδρανειακής ροπής.

Η ροπή τριβής σε γραμμάρια ανά εκατοστό είναι η δύναμη που απαιτείται για τη μετακίνηση ενός φορτίου που ζυγίζει συγκεκριμένο αριθμό γραμμαρίων με μοχλοβραχίονα μήκους 1 cm. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι καθώς αυξάνεται η ταχύτητα βήματος του κινητήρα, το πίσω EMF στον κινητήρα , δηλαδή αυξάνεται η τάση που παράγεται από τον κινητήρα. Αυτό περιορίζει το ρεύμα στις περιελίξεις του στάτη και μειώνει τη ροπή.