Как работят стъпковите двигатели

В този пост ще научим за стъпков двигател. Ще проучим какво е стъпков двигател, неговия основен работен механизъм, видове стъпкови двигатели, режими на стъпка и накрая неговите предимства и недостатъци.

Какво е стъпков двигател?

Стъпковият двигател е безчетков двигател, чийто въртящ се вал (ротор) завършва едно завъртане с определен брой стъпки. Поради стъпаловидния характер на въртене той получава името си като стъпков двигател.

Стъпков мотор осигурява прецизен контрол над ъгъла на въртене и скорост. Това е дизайн с отворен цикъл, което означава, че не е приложен механизъм за обратна връзка за проследяване на въртенето.

Той може да променя скоростта си, да променя посоката на въртене и да заключва незабавно в едно положение. Броят на стъпките се определя от броя на зъбите, налични в ротора. Например: ако стъпков двигател се състои от 200 зъба,

360 (градуса) / 200 (без зъби) = 1,8 градуса

И така, всяка стъпка ще бъде 1,8 градуса. Стъпковите двигатели се управляват от микроконтролери и драйверна верига. Той се използва широко в лазерни принтери, 3D принтери, оптични устройства, роботика и др.

Основен работен механизъм:

Стъпковият двигател може да се състои от няколко броя полюси, навити с изолирана медна тел, наречена статор или неподвижна част на двигателя. Подвижната част на двигателя се нарича ротор, който се състои от няколко броя зъби.

Когато единият полюс е захранван, най-близките зъби ще се подравнят с този полюс, а другият зъб на ротора леко ще се измести или не е подравнен с други подове без енергия.

Следващият полюс ще се захранва, а предишният полюс ще се обезсили, а сега подравнените полюси ще се подравнят с понастоящем захранвания полюс, това е една стъпка.

Следващият полюс се захранва и предишният полюс се обезсиля, това прави още една стъпка и този цикъл продължава няколко пъти, за да направи едно пълно завъртане.

Ето още един много прост пример как функционира стъпковият двигател:

Обикновено роторните зъби са магнити, подредени по начин, редуващ се по северния и южния полюс. Подобно на полюсите, които се отблъскват и за разлика от привличането на полюса, сега намотката на полюса „А“ е захранвана и приема енергичен полюс като Северния полюс и ротора като Южния полюс, това привлича южния полюс на ротора към полюс „А“ статор, както е показано на изображението.

Сега полюс А е обезсилен и полюс „В“ е захранван, сега южният полюс на ротора ще се подравни с полюс „В“. Подобен полюс „C“ и полюс „D“ ще активират и обезсилят по същия начин, за да завършат едно завъртане.

Досега бихте разбрали как работи стъпков двигател.

Видове стъпкови двигатели:

Има три вида стъпков двигател:

• Степен с постоянен магнит
• Променлив неохотен степер
• Хибриден синхронен степер

Степер с постоянен магнит:

Стъпковите двигатели с постоянен магнит използват зъби с постоянен магнит в ротора, които са подредени по начин на променлив полюс (Север-Юг-Север-Юг ......), това осигурява по-голям въртящ момент.

Променлив неохотен степер:

Променливият неохотен степер използва мек железен материал като ротор с няколко броя зъби и работи въз основа на принципа, че минималното нежелание се появява при минимална празнина, което означава, че най-близките зъби на ротора се привличат към полюса, когато е под напрежение, като метал привлича към магнит.

Хибриден синхронен степер:

В хибридния стъпков двигател и двата гореспоменати метода се комбинират, за да получат максимален въртящ момент. Това е най-често срещаният тип стъпков двигател и също скъп метод.
Стъпкови режими:

Има 3 вида стъпкови режими

• Пълен стъпков режим
• Режим на половин стъпка
• Микро стъпков режим

Режим на пълна стъпка:

В пълен стъпков режим може да се разбере от следния пример: ако стъпков двигател има 200 зъба, тогава една пълна стъпка е 1,8 градуса (което е дадено в началото на статията), той няма да се върти по-малко или повече от 1,8 градуса.

Пълната стъпка е допълнително класифицирана в два типа:

• Еднофазен режим
• Двуфазен режим

И в двата фазови режима роторът прави една пълна стъпка, основната разлика между тези две е, че единичният режим дава по-малък въртящ момент, а двуфазният режим дава повече въртящ момент.

• Еднофазен режим:

В еднофазен режим само една фаза (група намотки / полюс) се захранва в даден момент, това е методът с най-малко енергия, но също така дава по-малък въртящ момент.

• Двуфазен режим:

В двуфазен режим, двуфазната (две групи намотки / полюс) се захранва в даден момент и произвежда повече въртящ момент (30% до 40%) еднофазния режим.

Режим на половин стъпка:

Режимът на половин стъпка се прави за двойна разделителна способност на двигателя. На половина стъпка, както подсказва името, отнема половината от пълната стъпка, вместо пълна 1,8 градуса, половин стъпка отнема 0,9 градуса.
Половината стъпка се постига чрез алтернативна промяна на еднофазен режим и двуфазен режим. Намалява напрежението върху механичните части и увеличава плавността на въртене. Половината стъпка намалява въртящия момент с около 15%. Но въртящият момент може да се увеличи чрез увеличаване на тока, приложен към двигателя.

Микро стъпка:

Микро стъпка се прави за най-плавното въртене. Една пълна стъпка е разделена на 256 стъпки. За микростепване се нуждае от специален микростеп контролер. Въртящият му момент се намалява с около 30%.

Драйверите трябва да въведат синусоидална вълна за въртене на течността. Драйверите дават два синусоидални входа с 90 градусово извеждане.

Той дава най-добър контрол върху въртенето и намалява значително механичното напрежение и намалява работния шум.

Основните предимства и недостатъци на стъпковия двигател могат да бъдат научени със следните точки:

Предимства:

• Най-добър контрол върху ъгловото въртене.
• Висок въртящ момент при ниска скорост.
• Незабавна промяна в посоката на въртене.
• Минимална механична конструкция.

Недостатъци:

• Захранването се изразходва дори по време на без въртене, което се прави за заключване на ротора във фиксирано положение.
• Няма механизъм за обратна връзка, който да коригира грешките при въртене и да проследява текущата позиция.
• Нуждае се от сложна схема на водача.
• Въртящият момент се намалява при по-висока скорост.
• Не е лесно да управлявате двигателя с по-висока скорост.