Kas yra žingsninis variklis: tipai ir jo veikimas

Žingsninis variklis yra elektromechaninis įtaisas, kuris elektros energiją paverčia mechanine. Be to, tai yra be šepetėlių veikiantis, sinchroninis elektros variklis, galintis padalyti visą sukimąsi į daugybę pakopų. Variklio padėtį galima tiksliai valdyti be jokio grįžtamojo ryšio mechanizmo, jei variklis yra kruopščiai pritaikytas pagal paskirtį. Žingsniniai varikliai yra panašūs į komutuojamus nenoro varikliai. Žingsninis variklis naudoja magnetų veikimo teoriją, kad variklio velenas pasuktų tikslų atstumą, kai užtikrinamas elektros impulsas. Statorius turi aštuonis, o rotorius - šešis polius. Rotoriui prireiks 24 elektros impulsų, kad būtų galima perkelti 24 žingsnius, kad būtų atlikta viena sukimosi revoliucija. Kitas būdas tai pasakyti yra tai, kad rotorius tiksliai judės 15 ° kiekvienam elektros impulsui, kurį gauna variklis.

Statybos ir darbo principas

žingsninio variklio konstrukcija yra gana susijęs su a Nuolatinės srovės variklis . Jame yra nuolatinis magnetas, pavyzdžiui, rotorius, kuris yra viduryje ir pasisuks, kai jį paveiks jėga. Šis rotorius yra uždarytas per Nr. statoriaus, kuris apvyniotas per visą magnetinę ritę. Statorius yra išdėstytas šalia rotoriaus, kad statorių magnetiniai laukai galėtų valdyti rotoriaus judėjimą.

Žingsninis variklis

Žingsninį variklį galima valdyti įjungiant kiekvieną statorių po vieną. Taigi statorius įmagnetins ir veikia kaip elektromagnetinis ašigalis, kuris judėdamas į priekį naudoja atstumia rotoriaus energiją. Alternatyvus statoriaus įmagnetinimas ir išmagnetinimas rotorių palaipsniui perjungs ir leis jam pasisukti per puikų valdymą.

žingsninio variklio veikimo principas yra elektromagnetizmas. Jį sudaro rotorius, pagamintas iš nuolatinio magneto, o statorius - su elektromagnetais. Kai tiekiama statoriaus apvija, statoriuje bus sukurtas magnetinis laukas. Dabar variklio rotorius pradės judėti kartu su statoriaus besisukančiu magnetiniu lauku. Taigi tai yra pagrindinis šio variklio veikimo principas.

Žingsninių variklių konstrukcija

Šiame variklyje yra minkšta geležis, kuri yra uždaryta per elektromagnetinius statorius. Statoriaus poliai, taip pat rotorius, nepriklauso nuo laiptelio rūšies. Įjungus šio variklio statorius, rotorius pasisuks, kad susilygintų su statoriumi, kitaip sukasi, kad būtų mažiausiai tarpo per statorių. Tokiu būdu statoriai įjungiami nuosekliai, kad suktų žingsninį variklį.

Vairavimo technika

Žingsninio variklio vairavimo technika Jie gali būti įmanomi naudojant kai kurias specialias grandines dėl jų sudėtingo dizaino. Yra keletas būdų, kaip vairuoti šį variklį, kai kurie iš jų yra aptariami žemiau, atsižvelgiant į keturių fazių žingsninio variklio pavyzdį.

Vieno sužadinimo režimas

Pagrindinis žingsninio variklio vairavimo būdas yra vienas sužadinimo režimas. Tai senas metodas ir šiuo metu mažai naudojamas, tačiau reikia žinoti apie šią techniką. Taikant šią techniką, kiekvienas etapas, priešingu atveju, statorius šalia vienas kito bus paleidžiamas atskirai arba specialia grandine. Tai įjungs ir išmagnetins statorių, kad rotorius judėtų į priekį.

Pilnas žingsnis

Taikant šią techniką, vienu metu įjungiami du statoriai, o ne vienas per labai trumpą laiką. Ši technika lemia didelį sukimo momentą ir leidžia varikliui vairuoti didelę apkrovą.

Pusės žingsnio važiavimas

Ši technika yra gana susijusi su „Full step drive“, nes du statoriai bus išdėstyti vienas šalia kito taip, kad jis būtų įjungtas pirmiausia, o trečiasis - po to. Toks ciklas, kai du statoriai perjungiami pirmiausia ir po to, kai trečiasis statorius, varys variklį. Ši technika pagerins žingsninio variklio skiriamąją gebą ir sumažins sukimo momentą.

Mikro žingsniai

Ši technika dažniausiai naudojama dėl tikslumo. Kintamo žingsnio srovę tieks žingsninio variklio vairuotojo grandinė link statoriaus ritinių sinusinės bangos formos pavidalu. Ši maža žingsnio srovė gali padidinti kiekvieno žingsnio tikslumą. Ši technika yra plačiai naudojama, nes ji užtikrina aukštą tikslumą ir labai sumažina veikimo triukšmą.

Žingsninio variklio grandinė ir jos veikimas

Žingsniniai varikliai veikia kitaip nei DC teptukų varikliai , kurie sukasi, kai jų gnybtuose yra įtampa. Kita vertus, stepper varikliuose yra daugybė dantytų elektromagnetų, išdėstytų aplink centrinę pavaros formos geležies dalį. Elektromagnetams energiją teikia išorinė valdymo grandinė, pavyzdžiui, mikrovaldiklis.

Žingsninio variklio grandinė

Kad variklio velenas pasisuktų, pirmiausia suteikiama galia vienam elektromagnetui, dėl kurio pavaros dantys magnetiškai traukia elektromagneto dantis. Toje vietoje, kai krumpliaračio dantys taip sulyginami su pirmuoju elektromagnetu, jie šiek tiek atsilieka nuo kito elektromagneto. Taigi įjungus kitą elektromagnetą ir išjungus pirmąjį, pavara šiek tiek pasisuka, kad susilygintų su sekančia, ir iš ten procesas kartojamas. Kiekvienas iš šių nedidelių pasukimų vadinamas žingsniu, o sveikas skaičius žingsnių daro pilną pasukimą.

Tokiu būdu variklį galima pasukti tiksliai. Žingsninis variklis nesisuka nuolat, jie sukasi žingsniais. Yra 4 ritės su 90^arbakampas vienas ant kito pritvirtintas ant statoriaus. Žingsninio variklio jungtys nustatomos pagal ričių sujungimo būdą. Stepper variklyje ritės nėra sujungtos. Variklis turi 90^arbasukimosi žingsnis, kai ritės įjungiamos cikliška tvarka, nustatant veleno sukimosi kryptį.

Šio variklio veikimas parodomas valdant jungiklį. Ritės suaktyvinamos nuosekliai 1 sek. Intervalais. Velenas sukasi 90^arbakiekvieną kartą įjungiant kitą ritę. Jo mažo greičio sukimo momentas tiesiogiai skirsis priklausomai nuo srovės.

Žingsninio variklio tipai

Yra trys pagrindiniai žingsninių variklių tipai:

• Nuolatinis magnetas
• Hibridinis sinchroninis steperis
• Kintamas nenoras steperis

Nuolatinio magneto žingsninis variklis

Nuolatinių magnetų varikliuose rotoriuje naudojamas nuolatinis magnetas (PM) ir jie veikia trauką arba atstūmimą tarp rotoriaus PM ir statoriaus elektromagnetų.

Tai yra labiausiai paplitusi žingsninių variklių rūšis, palyginti su skirtingų tipų rinkoje esančiais žingsniniais varikliais. Šis variklis turi nuolatinius magnetus į variklio konstrukciją. Šis variklis taip pat žinomas kaip skardinės / skardinės variklis. Pagrindinis šio žingsninio variklio pranašumas yra mažesnės gamybos sąnaudos. Kiekvienai revoliucijai ji turi 48–24 žingsnius.

Kintamo nenoro žingsninis variklis

Kintamo nenorumo (VR) varikliai turi paprastą geležinį rotorių ir veikia vadovaudamiesi principu, kad minimalus nenoras atsiranda su mažiausiu tarpu, todėl rotoriaus taškai pritraukiami link statoriaus magneto polių.

Žingsninis variklis, kaip kintamas nenoras, yra pagrindinis variklio tipas ir jis naudojamas pastaruosius daugelį metų. Kaip rodo pavadinimas, rotoriaus kampinė padėtis daugiausia priklauso nuo magnetinės grandinės nenoro, kuris gali susidaryti tarp statoriaus dantų ir rotoriaus.

Hibridinis sinchroninis žingsninis variklis

Hibridiniai žingsniniai varikliai yra pavadinti todėl, kad jie naudoja nuolatinio magneto (PM) ir kintamo nenoro (VR) metodų derinį, kad pasiektų maksimalią galią mažais dydžiais.

Populiariausias variklio tipas yra hibridinis žingsninis variklis nes tai užtikrina gerą našumą, palyginti su nuolatinio magneto rotoriumi, atsižvelgiant į greitį, žingsnio skiriamąją gebą ir laikymo momentą. Tačiau tokio tipo žingsniniai varikliai yra brangūs, palyginti su nuolatinio magneto žingsniniais varikliais. Šis variklis sujungia tiek nuolatinio magneto, tiek kintamo nenorumo žingsninių variklių savybes. Šie varikliai naudojami ten, kur reikalingas mažesnis žingsnio kampas, pavyzdžiui, 1,5, 1,8 ir 2,5 laipsnių.

Kaip pasirinkti žingsninį variklį?

Prieš pasirenkant pakopinį variklį pagal jūsų poreikius, labai svarbu ištirti variklio sukimo momento ir greičio kreivę. Taigi šią informaciją gali gauti variklio dizaineris ir tai yra grafinis variklio sukimo momento simbolis, nurodytu greičiu. Variklio sukimo momento ir greičio kreivė turėtų tiksliai atitikti taikymo būtinybę, kitaip negalima pasiekti numatyto sistemos veikimo.

Laidų tipai

Žingsniniai varikliai paprastai yra dviejų fazių varikliai, pavyzdžiui, vienpoliai, kitaip dvipoliai. Kiekvienai vienpolio variklio fazei yra dvi apvijos. Čia centrinis bakstelėjimas yra įprastas laidas tarp dviejų apvijų link stulpo. Vienpolis variklis turi nuo 5 iki 8 laidų.

Konstrukcijoje, kai dviejų stulpų bendra dalis yra padalinta, kad ir kaip bakstelėta į centrą, šis žingsninis variklis apima šešis laidus. Jei dviejų polių centriniai čiaupai viduje yra trumpi, tada šis variklis turi penkis laidus. „Unipolar“ su 8 laidais palengvins tiek nuoseklų, tiek lygiagrečią sujungimą, o penkių arba šešių laidų variklis turi nuoseklų statoriaus ritės sujungimą. Vienpolio variklio veikimą galima supaprastinti, nes juos eksploatuojant nėra reikalavimo pakeisti srovės srauto varančiojoje grandinėje, vadinamoje dvigubais varikliais.

Bipoliniame žingsniniame variklyje kiekvienam poliui yra viena apvija. Tiekimo kryptį reikia keisti per varančią grandinę, kad ji taptų sudėtinga, todėl šie varikliai vadinami vienodais varikliais.

Žingsninio variklio valdymas keičiant laikrodžio impulsus

Žingsninio variklio valdymas grandinė yra paprasta ir nebrangi grandinė, daugiausia naudojama mažos galios programose. Grandinė parodyta paveikslėlyje, kurią sudaro 555 laikmačiai IC kaip stabilus daugybinis vibratorius. Dažnis apskaičiuojamas naudojant nurodytą santykį.

Dažnis = 1 / T = 1,45 / (RA + 2RB) C Kur RA = RB = R2 = R3 = 4,7 kilo-omas ir C = C2 = 100 µF.

Žingsninio variklio valdymas keičiant laikrodžio impulsus

Laikmačio išvestis naudojama kaip laikrodis dviem 7474 dvigubiems „D“ šlepetėms (U4 ir U3), sukonfigūruotoms kaip žiedo skaitiklis. Kai maitinimas iš pradžių įjungiamas, nustatomas tik pirmasis šnipštas (ty Q išvestis 5 U3 kaištyje bus logika „1“), o kiti trys šlepetės nustatomos iš naujo (ty Q išvestis yra loginė) 0). Gavus laikrodžio impulsą, pirmojo šnipšto loginis „1“ išėjimas perkeliamas į antrąjį šnipštą (U3 9 kaištis).

Taigi, logikos 1 išvestis keičiasi apskritime su kiekvienu laikrodžio impulsu. Visų keturių šlepetių Q išėjimus sustiprina Darlingo tonų tranzistorių matricos, esančios ULN2003 (U2) viduje, ir sujungiamos su laiptelių variklio apvijomis oranžine, ruda, geltona, juoda iki ULN2003 16, 15,14, 13 ir raudonos iki + ve tiekimas.

Bendras apvijos taškas yra prijungtas prie + 12 V nuolatinės srovės maitinimo šaltinio, kuris taip pat yra prijungtas prie ULN2003 9 kontakto. Spalvų kodas, naudojamas apvijoms, gali skirtis nuo gamintojo. Įjungus maitinimą, valdymo signalas, prijungtas prie pirmojo „flip-flop“ ir kitų trijų „flip-flop“ CLR kaiščių „SET“ kaiščio, aktyviai veikia „žemai“ (dėl maitinimo įjungimo atstatymo grandinės, kurią sudaro R1 -C1 derinys), kad nustatytumėte pirmąjį šnipštą ir iš naujo nustatytumėte likusius tris šlepetes.

Atstatžius, IC1 Q1 eina „aukštai“, o visi kiti Q išėjimai eina „žemai“. Išorinį atstatymą galima įjungti paspaudus atstatymo jungiklį. Paspausdami atstatymo jungiklį, galite sustabdyti žingsninį variklį. Variklis vėl pradeda suktis ta pačia kryptimi atleisdamas atstatymo jungiklį.

Skirtumas tarp žingsninio variklio ir servo variklio

Servovarikliai yra tinkami naudoti dideliu sukimo momentu ir greičiu, o žingsninis variklis yra pigesnis, todėl jie naudojami ten, kur reikia didelio laikymo momento, pagreičio su mažu ir vidutiniu, atviro, kitaip uždaro ciklo, lankstumo. Skirtumas tarp žingsninio variklio ir servo variklio apima šiuos dalykus.

Žingsninis variklis vs nuolatinės srovės variklis

Tiek žingsniniai, tiek nuolatinės srovės varikliai naudojami skirtingose ​​pramonės srityse, tačiau pagrindiniai šių dviejų variklių skirtumai šiek tiek glumina. Čia pateikiame keletą bendrų šių dviejų dizainų savybių. Kiekviena charakteristika aptariama toliau.

Žingsninio variklio parametrai

Žingsnio variklio parametrai daugiausia apima žingsnio kampą, kiekvieno apsisukimo žingsnius, kiekvienos sekundės žingsnius ir RPM.

Žingsnio kampas

Žingsninio variklio žingsnio kampą galima apibrėžti kaip kampą, kuriuo variklio rotorius sukasi, kai statoriaus įėjimui suteikiamas vienas impulsas. Variklio skiriamąją gebą galima apibrėžti kaip variklio pakopų skaičių ir rotoriaus apsisukimų skaičių.

Rezoliucija = žingsnių skaičius / rotoriaus apsisukimų skaičius

Variklio išdėstymą galima nuspręsti pakopos kampu ir jis išreiškiamas laipsniais. Variklio skiriamoji geba (žingsnio skaičius) yra ne. žingsnių, kurie sukasi per vieną rotoriaus apsisukimą. Kai variklio žingsnio kampas yra mažas, šio variklio išdėstymas yra didelis.

Objektų išdėstymo per šį variklį tikslumas daugiausia priklauso nuo skiriamosios gebos. Kai skiriamoji geba yra didelė, tikslumas bus mažas.

Kai kurie tikslumo varikliai gali sukurti 1000 žingsnių per vieną apsisukimą, įskaitant 0,36 laipsnio žingsnio kampą. Tipiškas variklis apima 1,8 laipsnio žingsnio kampą su 200 žingsnių kiekvienai apsisukimui. Skirtingi žingsnio kampai, tokie kaip 15, 45 ir 90 laipsnių kampai, labai būdingi įprastiems varikliams. Kampų skaičius gali keistis nuo dviejų iki šešių, o nedidelį žingsnio kampą galima pasiekti per išilgines polių dalis.

Kiekvienos revoliucijos žingsniai

Kiekvienos skiriamosios gebos žingsnius galima apibrėžti kaip žingsnio kampų, reikalingų visam apsisukimui, skaičių. Formulė yra 360 ° / žingsnio kampas.

Žingsniai kiekvienai sekundei

Šis parametras daugiausia naudojamas matuojant per kiekvieną sekundę atliktų žingsnių skaičių.

Revoliucija per minutę

RPM yra revoliucija per minutę. Jis naudojamas matuoti apsisukimų dažnį. Taigi naudodami šį parametrą galime apskaičiuoti apsisukimų skaičių per vieną minutę. Pagrindinis santykis tarp žingsninio variklio parametrų yra toks:

Kiekvienos sekundės žingsniai = revoliucija per minutę x žingsniai per apsisukimą / 60

Žingsninio variklio sąsaja su 8051 mikrovaldikliu

Žingsninio variklio sąsaja su 8051 yra labai paprasta, naudojant tris režimus, tokius kaip bangų pavara, pilno žingsnio pavara ir pusės žingsnio pavara, suteikiant 0 ir 1 variklio keturiems laidams, atsižvelgiant į tai, kokį pavaros režimą turime pasirinkti šiam varikliui valdyti.

Likę du laidai turi būti prijungti prie įtampos. Čia naudojamas vienpolis žingsninis variklis, kai keturi ritės galai, naudojant ULN2003A, sujungiami su pagrindiniais keturiais mikrovaldiklio prievado-2 prievadais.

Šis mikrovaldiklis nepateikia pakankamai srovės ritėms valdyti, todėl dabartiniam tvarkyklės IC patinka ULN2003A. Būtina naudoti ULN2003A ir tai yra NPN „Darlington“ tranzistorių 7 porų rinkinys. Darlingtono poros projektavimas gali būti atliekamas per du bipolinius tranzistorius, kurie yra sujungti, kad būtų pasiektas maksimalus srovės stiprinimas.

ULN2003A tvarkyklės IC įvesties kaiščiai yra 7, išvesties kaiščiai yra 7, kur du kaiščiai skirti maitinimo ir įžeminimo terminalams. Čia naudojami 4 įvesties ir 4 išvesties kaiščiai. Kaip alternatyva ULN2003A, L293D IC taip pat naudojamas srovės stiprinimui.

Jūs turite labai atidžiai stebėti du įprastus laidus ir keturis ritės laidus, kitaip žingsninis variklis nepasuks. Tai galima pastebėti matuojant varžą per multimetrą, tačiau multimetras nerodys jokių rodmenų tarp dviejų laidų fazių. Kai bendrasis laidas ir kiti du laidai yra vienodoje fazėje, jis turi parodyti panašų pasipriešinimą, tuo tarpu, kai du panašios fazės baigiamieji taškai parodys dvigubą atsparumą, palyginti su atsparumu tarp bendro taško ir vieno galinio taško.

Problemų sprendimas

• Trikčių šalinimas yra procesas, skirtas patikrinti variklio būseną, ar variklis veikia, ar ne. Šis kontrolinis sąrašas naudojamas žingsninio variklio trikčių šalinimui.
• Pirmiausia patikrinkite jungtis ir grandinės kodą.
• Jei tai gerai, tada patikrinkite, ar variklis maitinamas tinkamai, kitaip jis tiesiog vibruoja, tačiau nesisuka.
• Jei įtampos maitinimas yra geras, patikrinkite keturių ritės, susijusios su ULN2003A IC, galinius taškus.
• Pirmiausia atraskite du bendruosius taškus ir pritvirtinkite juos prie 12v maitinimo šaltinio, tada pritvirtinkite likusius keturis laidus prie IC ULN2003A. Kol paleidžiamas žingsninis variklis, bandykite visus įmanomus derinius. Jei tai prijungti netinkamai, šis variklis vibruos vietoje besisukančio.

Ar „Stepper“ varikliai gali veikti nuolat?

Paprastai visi varikliai veikia arba sukasi nuolat, tačiau dauguma variklių negali sustoti, kai jiems veikia galia. Kai bandote apriboti variklio ašį, kai jis yra maitinamas, jis degs arba sulūš.

Arba žingsniniai varikliai yra suprojektuoti taip, kad padarytų diskretišką žingsnį, tada vėl palaukite ten ir likite. Jei norime priversti variklį likti vienoje vietoje mažiau laiko, kol vėl žengsite, atrodys, kad jis nuolat sukasi. Šių variklių energijos suvartojimas yra didelis, tačiau galia išsisklaido daugiausia sustabdžius arba blogai sukonstravus variklį, yra tikimybė perkaisti. Dėl šios priežasties, varikliui esant ilgesniam laikui, variklio srovė dažnai mažėja.

Pagrindinė priežastis yra ta, kad kai variklis sukasi, jo įvesties elektros energijos dalis gali būti pakeista į mechaninę galią. Kai variklis sustabdomas, kol jis sukasi, visą ritės vidinę galią galima pakeisti šiluma.

Privalumai

žingsninio variklio privalumai įtraukti šiuos dalykus.

• Tvirtumas
• Paprasta konstrukcija
• Gali dirbti atvirojo ciklo valdymo sistemoje
• Priežiūra yra maža
• Tai veikia bet kurioje situacijoje
• Patikimumas yra didelis
• Variklio sukimosi kampas yra proporcingas įėjimo impulsui.
• Variklio visas sukimo momentas sustojus.
• Tikslus judesio padėties nustatymas ir pakartojamumas, nes gerų žingsninių variklių tikslumas yra 3–5% žingsnio ir ši klaida nėra kaupiama nuo vieno žingsnio prie kito.
• Puikus atsakas į startą, sustabdymą ir važiavimą atgal.
• Labai patikimas, nes variklyje nėra kontaktinių šepečių. Todėl variklio tarnavimo laikas tiesiog priklauso nuo guolio tarnavimo laiko.
• Variklio reakcija į skaitmeninius įvesties impulsus suteikia atviros kilpos valdymą, todėl variklį yra paprasčiau ir pigiau valdyti.
• Galima pasiekti labai mažą greičio sinchroninį sukimąsi su apkrova, tiesiogiai sujungta su velenu.
• Galima realizuoti platų sukimosi greičių diapazoną, nes greitis yra proporcingas įvesties impulsų dažniui.

Trūkumai

žingsninio variklio trūkumai įtraukti šiuos dalykus.

• Efektyvumas yra mažas
• Variklio sukimo momentas greitai mažės
• Tikslumas yra mažas
• Atsiliepimai nenaudojami nurodant galimus praleistus veiksmus
• Mažas sukimo momentas link inercijos santykio
• Itin triukšmingas
• Jei variklis nėra tinkamai valdomas, gali atsirasti rezonansai
• Šį variklį lengva valdyti esant labai dideliam greičiui.
• Būtina tam skirta valdymo grandinė
• Palyginti su nuolatinės srovės varikliais, jis naudoja daugiau srovės

Programos

žingsninio variklio pritaikymas įtraukti šiuos dalykus.

1. Pramoninės mašinos - Žingsniniai varikliai naudojami automobilių matuokliuose ir automatinių gamybos įrengimų staklėse.
2. Saugumas - nauji saugos pramonės stebėjimo produktai.
3. Medicinos - Žingsniniai varikliai naudojami medicininiuose skaitytuvuose, mėginių ėmikliuose, taip pat yra skaitmeninėse dantų fotografijose, skysčių siurbliuose, respiratoriuose ir kraujo analizės aparatuose.
4. Vartotojų elektronika - Fotoaparatų žingsniniai varikliai, skirti automatiniam skaitmeninio fotoaparato fokusavimui ir priartinimo funkcijoms.

Taip pat turi verslo mašinų programas, kompiuterių periferinių įrenginių programas.

Taigi, viskas apie tai žingsninio variklio apžvalga kaip konstrukcija, darbo principas, skirtumai, pranašumai, trūkumai ir jų pritaikymas. Dabar jūs turite idėją apie super variklių tipus ir jų taikymą, jei turite klausimų šia tema ar elektros ir elektroniniai projektai palikite komentarus žemiau.

Nuotraukų kreditas

• Žingsninis variklis MST