Βηματικοί κινητήρες

Ένας βηματικός κινητήρας είναι μια ηλεκτρομηχανική συσκευή που μετατρέπει τα ηλεκτρικά σήματα σε διακριτές γωνιακές κινήσεις ενός άξονα. Η χρήση βηματικών κινητήρων επιτρέπει στα σώματα εργασίας των μηχανών να εκτελούν αυστηρά δοσομετρημένες κινήσεις στερεώνοντας τη θέση τους στο τέλος της κίνησης.

Οι βηματικοί κινητήρες είναι ενεργοποιητές που παρέχουν σταθερές γωνιακές κινήσεις (βήματα). Οποιαδήποτε αλλαγή στη γωνία του ρότορα είναι η απόκριση του βηματικού κινητήρα στον παλμό εισόδου.

Ένας διακριτός ηλεκτρικός βηματικός κινητήρας συνδυάζεται φυσικά με ψηφιακές συσκευές ελέγχου, γεγονός που του επιτρέπει να χρησιμοποιείται με επιτυχία σε ψηφιακά ελεγχόμενες μηχανές κοπής μετάλλων, σε βιομηχανικά ρομπότ και χειριστές, σε μηχανισμούς ρολογιών.

Μια διακριτή ηλεκτρική κίνηση μπορεί επίσης να υλοποιηθεί χρησιμοποιώντας μια σειρά ασύγχρονοι ηλεκτροκινητήρες, το οποίο λόγω ειδικού ελέγχου μπορεί να λειτουργήσει σε λειτουργία βήματος.

Οι βηματικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικούς κινητήρες με ισχύ από κλάσμα βατ έως αρκετά κιλοβάτ.Μια επέκταση της κλίμακας ισχύος μιας διακριτής ηλεκτρικής κίνησης μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας σειριακούς ασύγχρονους ηλεκτρικούς κινητήρες, οι οποίοι, λόγω του κατάλληλου ελέγχου, μπορούν να λειτουργήσουν σε λειτουργία βήματος.

Η αρχή λειτουργίας των βηματικών κινητήρων όλων των τύπων είναι η εξής. Με τη βοήθεια ενός ηλεκτρονικού διακόπτη, παράγονται παλμοί τάσης, οι οποίοι τροφοδοτούνται στα πηνία ελέγχου που βρίσκονται στον στάτορα του βηματικού κινητήρα.

Ανάλογα με την ακολουθία διέγερσης των πηνίων ελέγχου, συμβαίνει μία ή άλλη διακριτή αλλαγή στο μαγνητικό πεδίο στο κενό λειτουργίας του κινητήρα. Με τη γωνιακή μετατόπιση του άξονα του μαγνητικού πεδίου των πηνίων ελέγχου του βηματικού κινητήρα, ο ρότορας του περιστρέφεται διακριτά ακολουθώντας το μαγνητικό πεδίο. Ο νόμος της περιστροφής του ρότορα καθορίζεται από τη σειρά, τον κύκλο λειτουργίας και τη συχνότητα των παλμών ελέγχου, καθώς και από τον τύπο και τις παραμέτρους σχεδιασμού του βηματικού κινητήρα.

Η αρχή λειτουργίας ενός βηματικού κινητήρα (απόκτηση διακριτής κίνησης του ρότορα) θα εξεταστεί χρησιμοποιώντας το παράδειγμα του απλούστερου κυκλώματος ενός βηματικού κινητήρα δύο φάσεων (Εικ. 1).

Ρύζι. 1. Απλοποιημένο διάγραμμα βηματικού κινητήρα με ενεργό ρότορα

Ο βηματικός κινητήρας έχει δύο ζεύγη σαφώς καθορισμένων πόλων στάτη στους οποίους βρίσκονται οι περιελίξεις διέγερσης (ελέγχου): περιέλιξη 3 με ακροδέκτες 1H — 1K και περιέλιξη 2 με ακροδέκτες 2H — 2K. Κάθε περιέλιξη αποτελείται από δύο μέρη που βρίσκονται σε αντίθετους πόλους του στάτορα 1 SM.

Ο ρότορας στο υπό εξέταση σχήμα είναι ένας διπολικός μόνιμος μαγνήτης.Τα πηνία τροφοδοτούνται από παλμούς από μια συσκευή ελέγχου που μετατρέπει μια μονοκάναλη ακολουθία παλμών ελέγχου εισόδου σε πολυκαναλική (ανάλογα με τον αριθμό των φάσεων του βηματικού κινητήρα).

Εξετάστε τη λειτουργία ενός βηματικού κινητήρα, υποθέτοντας ότι την αρχική στιγμή η τάση εφαρμόζεται στο πηνίο 3. Το ρεύμα σε αυτό το πηνίο θα μαγνητίσει τους κάθετα τοποθετημένους πόλους N και 8. Ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης του μαγνητικού πεδίου με το μόνιμο μαγνήτης του ρότορα, ο τελευταίος θα καταλαμβάνει μια θέση ισορροπίας στην οποία οι άξονες του μαγνητικού πεδίου του στάτορα και του δρομέα είναι οι ίδιοι.

Η θέση θα είναι σταθερή επειδή υπάρχει μια ροπή συγχρονισμού που ενεργεί στον ρότορα που τείνει να επαναφέρει τον ρότορα στη θέση ισορροπίας: M = Mmax x sinα,

όπου M.max — η μέγιστη ροπή, α — η γωνία μεταξύ των αξόνων του μαγνητικού πεδίου του στάτη και του δρομέα.

Όταν η μονάδα ελέγχου αλλάζει την τάση από το πηνίο 3 στο πηνίο 2, δημιουργείται ένα μαγνητικό πεδίο με οριζόντιους πόλους, δηλ. το μαγνητικό πεδίο του στάτορα κάνει μια διακριτή περιστροφή με το ένα τέταρτο της περιφέρειας του στάτη. Σε αυτήν την περίπτωση, θα εμφανιστεί μια γωνία απόκλισης μεταξύ των αξόνων του στάτορα και του ρότορα α = 90 ° και η μέγιστη ροπή Mmax θα ενεργήσει στον ρότορα. Ο ρότορας θα περιστραφεί κατά γωνία α = 90 ° και θα πάρει μια νέα σταθερή θέση. Έτσι, μετά τη βηματική κίνηση του πεδίου του στάτορα, ο ρότορας του κινητήρα κινείται σταδιακά.

Ο κύριος τρόπος λειτουργίας του βηματικού κινητήρα είναι δυναμικός. Οι βηματικοί κινητήρες, σε αντίθεση με τους σύγχρονους κινητήρες, έχουν σχεδιαστεί για να εισέρχονται σε συγχρονισμό από στάση και αναγκαστική ηλεκτρική πέδηση.Χάρη σε αυτό, η βηματική ηλεκτρική κίνηση παρέχει εκκίνηση, διακοπή, αντιστροφή και μετάβαση από τη μία συχνότητα παλμών ελέγχου στην άλλη.

Ο βηματικός κινητήρας ξεκινά με μια ξαφνική ή σταδιακή αύξηση της συχνότητας του σήματος εισόδου από το μηδέν στο λειτουργικό, η διακοπή γίνεται με τη μείωση του μηδενός και το αντίστροφο γίνεται με την αλλαγή της σειράς μεταγωγής των περιελίξεων του βηματικού κινητήρα.

Οι βηματικοί κινητήρες χαρακτηρίζονται από τις ακόλουθες παραμέτρους: τον αριθμό των φάσεων (πηνία ελέγχου) και το σχήμα σύνδεσής τους, τον τύπο του βηματικού κινητήρα (με ενεργό ή παθητικό ρότορα), ένα βήμα ρότορα (η γωνία περιστροφής του ρότορα με έναν μόνο παλμό ), ονομαστική τάση τροφοδοσίας, μέγιστη στατική χρονική στιγμή, ονομαστική ροπή, ροπή αδράνειας ρότορα, συχνότητα επιτάχυνσης.

Οι βηματικοί κινητήρες είναι μονοφασικοί, διφασικοί και πολυφασικοί με ενεργό ή παθητικό ρότορα. Ο βηματικός κινητήρας ελέγχεται από μια ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου. Ένα παράδειγμα ενός σχεδίου ελέγχου βηματικού κινητήρα φαίνεται στο Σχήμα 2.

Ρύζι. 2. Λειτουργικό διάγραμμα ηλεκτρικής κίνησης βηματικού κινητήρα ανοιχτού βρόχου

Ένα σήμα ελέγχου με τη μορφή παλμών τάσης παρέχεται στην είσοδο του μπλοκ 1, το οποίο μετατρέπει την ακολουθία παλμών, για παράδειγμα, σε ένα τετραφασικό σύστημα μονοπολικών παλμών (σύμφωνα με τον αριθμό των φάσεων του βηματικού κινητήρα) .

Το μπλοκ 2 παράγει αυτούς τους παλμούς σε σχέση με τη διάρκεια και το πλάτος που απαιτούνται για την κανονική λειτουργία του διακόπτη 3, στις εξόδους του οποίου συνδέονται οι περιελίξεις του βηματικού κινητήρα 4. Ο διακόπτης και τα άλλα μπλοκ τροφοδοτούνται από μια πηγή συνεχούς ρεύματος 5.

Με αυξημένες απαιτήσεις για την ποιότητα μιας διακριτής μετάδοσης κίνησης, χρησιμοποιείται ένα κλειστό κύκλωμα βηματικού ηλεκτροκινητήρα (Εικ. 3), το οποίο, εκτός από έναν βηματικό κινητήρα, περιλαμβάνει έναν μετατροπέα P, έναν μεταγωγέα K και έναν αισθητήρα βήματος DSh. Σε μια τέτοια διακριτή κίνηση, πληροφορίες σχετικά με την πραγματική θέση του άξονα του μηχανισμού εργασίας RM και την ταχύτητα του βηματικού κινητήρα τροφοδοτούνται στην είσοδο του αυτόματου ρυθμιστή, ο οποίος παρέχει τη ρυθμισμένη φύση της κίνησης της κίνησης.

Ρύζι. 3. Λειτουργικό διάγραμμα μιας διακριτής κίνησης κλειστού βρόχου

Τα σύγχρονα διακριτά συστήματα κίνησης χρησιμοποιούν χειριστήρια μικροεπεξεργαστή. Η γκάμα εφαρμογών για κινητήρες βηματικού κινητήρα διευρύνεται συνεχώς. Η χρήση τους είναι πολλά υποσχόμενη σε μηχανές συγκόλλησης, συσκευές συγχρονισμού, ταινίες και μηχανισμούς εγγραφής, συστήματα ελέγχου παροχής καυσίμου για κινητήρες εσωτερικής καύσης.

Τα πλεονεκτήματα των βηματικών κινητήρων:

• υψηλή ακρίβεια, ακόμη και με δομή ανοιχτού βρόχου, π.χ. χωρίς αισθητήρα γωνίας τιμονιού.

• εγγενής ενοποίηση με εφαρμογές ψηφιακής διαχείρισης·

• έλλειψη μηχανικών διακοπτών που συχνά προκαλούν προβλήματα με άλλους τύπους κινητήρων.

Μειονεκτήματα των βηματικών κινητήρων:

• χαμηλή ροπή, αλλά σε σύγκριση με κινητήρες συνεχούς κίνησης.

• περιορισμένη ταχύτητα?

• υψηλό επίπεδο δόνησης λόγω σπασμωδικής κίνησης.

• μεγάλα σφάλματα και ταλαντώσεις με απώλεια παλμών σε συστήματα ανοιχτού βρόχου.

Τα πλεονεκτήματα των βηματικών κινητήρων υπερτερούν κατά πολύ των μειονεκτημάτων τους, επομένως χρησιμοποιούνται συχνά σε περιπτώσεις όπου η μικρή ισχύς των συσκευών μετάδοσης κίνησης είναι επαρκής.

Το άρθρο χρησιμοποιεί υλικά από το βιβλίο Daineko V.A., Kovalinsky A.I. Ηλεκτρολογικός εξοπλισμός αγροτικών επιχειρήσεων.