Stepper motori

Pakāpju motors ir elektromehāniska ierīce, kas pārvērš elektriskos signālus diskrētās vārpstas leņķiskās kustībās. Stepper motoru izmantošana ļauj mašīnu darba korpusiem veikt stingri dozētas kustības, fiksējot savu pozīciju kustības beigās.

Stepper motori ir izpildmehānismi, kas nodrošina fiksētas leņķiskās kustības (pakāpienus). Jebkuras rotora leņķa izmaiņas ir pakāpju motora reakcija uz ievades impulsu.

Diskrētā elektriskā stepper motora piedziņa ir dabiski apvienota ar digitālajām vadības ierīcēm, kas ļauj to veiksmīgi izmantot digitāli vadāmās metāla griešanas iekārtās, industriālajos robotos un manipulatoros, pulksteņu mehānismos.

Diskrētu elektrisko piedziņu var īstenot arī, izmantojot sēriju asinhronie elektromotori, kas īpašās vadības dēļ var darboties soļu režīmā.

Stepper motori tiek izmantoti elektriskajās piedziņās ar jaudu no vata daļas līdz vairākiem kilovatiem.Diskrētās elektriskās piedziņas jaudas skalas paplašināšanu var panākt, izmantojot sērijveida asinhronos elektromotorus, kuri, pateicoties atbilstošai vadībai, var darboties soļu režīmā.

Visu veidu pakāpju motoru darbības princips ir šāds. Ar elektroniskā slēdža palīdzību tiek ģenerēti sprieguma impulsi, kas tiek padoti uz vadības spolēm, kas atrodas uz pakāpju motora statora.

Atkarībā no vadības spoļu ierosmes secības motora darbības spraugā notiek viena vai otra diskrēta magnētiskā lauka izmaiņas. Ar pakāpju motora vadības spoļu magnētiskā lauka ass leņķisko nobīdi tā rotors diskrēti griežas, sekojot magnētiskajam laukam. Rotora rotācijas likumu nosaka vadības impulsu secība, darba cikls un frekvence, kā arī pakāpju motora tips un konstrukcijas parametri.

Stepper motora darbības princips (rotora diskrētas kustības iegūšana) tiks aplūkots, izmantojot divfāzu pakāpju motora vienkāršākās ķēdes piemēru (1. att.).

Rīsi. 1. Vienkāršota shēma pakāpju motoram ar aktīvo rotoru

Pakāpju motoram ir divi skaidri definētu statora stabu pāri, uz kuriem atrodas ierosmes (vadības) tinumi: tinums 3 ar spailēm 1H — 1K un tinums 2 ar spailēm 2H — 2K. Katrs tinums sastāv no divām daļām, kas atrodas statora 1 SM pretējos polios.

Rotors aplūkotajā shēmā ir divu polu pastāvīgais magnēts.Spoles tiek darbinātas ar impulsiem no vadības ierīces, kas pārveido viena kanāla ievades vadības impulsu secību daudzkanālu (atbilstoši pakāpju motora fāžu skaitam).

Aplūkosim pakāpju motora darbību, pieņemot, ka sākotnējā brīdī spriegums tiek pielikts spolei 3. Strāva šajā spolē magnetizēs vertikāli izvietotos polus N un 8. Magnētiskā lauka mijiedarbības rezultātā ar pastāvīgo rotora magnēts, pēdējais ieņems līdzsvara stāvokli, kurā statora un rotora magnētiskā lauka asis ir vienādas.

Pozīcija būs stabila, jo uz rotoru iedarbojas sinhronizācijas moments, kas tiecas atgriezt rotoru līdzsvara stāvoklī: M = Mmax x sinα,

kur M.max — maksimālais moments, α — leņķis starp statora un rotora magnētiskā lauka asīm.

Vadības blokam pārslēdzot spriegumu no spoles 3 uz spoli 2, rodas magnētiskais lauks ar horizontāliem poliem, t.i. statora magnētiskais lauks veic diskrētu rotāciju ar ceturtdaļu no statora apkārtmēra. Šajā gadījumā parādīsies novirzes leņķis starp statora un rotora asīm α = 90 °, un maksimālais griezes moments Mmax iedarbosies uz rotoru. Rotors griezīsies leņķī α = 90 ° un ieņems jaunu stabilu stāvokli. Tādējādi pēc statora lauka pakāpeniskas kustības motora rotors kustas pakāpeniski.

Stepper motora galvenais darbības režīms ir dinamisks. Stepper motori, atšķirībā no sinhronajiem motoriem, ir paredzēti, lai ievadītu sinhronizāciju no dīkstāves un piespiedu elektriskās bremzēšanas.Pateicoties tam, stepper elektriskā piedziņa nodrošina iedarbināšanu, apturēšanu, atpakaļgaitu un pāreju no vienas vadības impulsu frekvences uz otru.

Pakāpju motors tiek iedarbināts, pēkšņi vai pakāpeniski palielinot ieejas signāla frekvenci no nulles uz darba frekvenci, apturēšana notiek, samazinot nulli, un otrādi, mainot pakāpju motora tinumu pārslēgšanas secību.

Pakāpju motorus raksturo šādi parametri: fāžu skaits (vadības spoles) un to savienojuma shēma, pakāpju motora tips (ar aktīvo vai pasīvo rotoru), viena rotora solis (rotora griešanās leņķis ar vienu impulsu ), nominālais barošanas spriegums, maksimālais statiskais laika moments, nominālais griezes moments, rotora inerces moments, paātrinājuma frekvence.

Stepper motori ir vienfāzes, divfāžu un daudzfāžu ar aktīvo vai pasīvo rotoru. Stepper motoru vada elektronisks vadības bloks. Pakāpju motora vadības shēmas piemērs ir parādīts 2. attēlā.

Rīsi. 2. Atvērtā cikla pakāpju motora elektriskās piedziņas funkcionālā shēma

Uz bloka 1 ieeju tiek piegādāts vadības signāls sprieguma impulsu veidā, kas pārvērš impulsu secību, piemēram, četrfāzu vienpolāru impulsu sistēmā (atbilstoši pakāpju motora fāžu skaitam) .

2. bloks ģenerē šos impulsus attiecībā uz ilgumu un amplitūdu, kas nepieciešams normālai slēdža 3 darbībai, pie kura izejām ir pievienoti pakāpju motora tinumi 4. Slēdzis un pārējie bloki tiek darbināti no līdzstrāvas avota. 5.

Paaugstinoties prasībām diskrētās piedziņas kvalitātei, tiek izmantota pakāpju elektriskās piedziņas slēgtā ķēde (3. att.), kas papildus pakāpju motoram ietver pārveidotāju P, komutatoru K un soļu sensoru DSh. Šādā diskrētā piedziņā informācija par darba mehānisma RM vārpstas faktisko stāvokli un pakāpju motora ātrumu tiek ievadīta automātiskā regulatora ieejā, kas nodrošina piedziņas kustības iestatīto raksturu.

Rīsi. 3. Slēgta cikla diskrētās piedziņas funkcionālā shēma

Mūsdienu diskrētās piedziņas sistēmas izmanto mikroprocesoru vadības ierīces. Pakāpju motora piedziņas pielietojumu klāsts nepārtraukti paplašinās. To izmantošana ir daudzsološa metināšanas iekārtās, sinhronizācijas ierīcēs, lentes un ierakstīšanas mehānismos, degvielas padeves kontroles sistēmās iekšdedzes dzinējiem.

Stepper motoru priekšrocības:

• augsta precizitāte, pat ar atvērtas cilpas struktūru, t.i. bez stūres leņķa sensora;

• vietējā integrācija ar digitālās pārvaldības lietojumprogrammām;

• mehānisko slēdžu trūkums, kas bieži rada problēmas ar cita veida dzinējiem.

Stepper motoru trūkumi:

• zems griezes moments, bet salīdzinājumā ar nepārtrauktas piedziņas motoriem;

• ierobežots ātrums;

• augsts vibrācijas līmenis saraustītas kustības dēļ;

• lielas kļūdas un svārstības ar impulsu zudumu atvērtā cikla sistēmās.

Stepper motoru priekšrocības ievērojami pārsniedz to trūkumus, tāpēc tos bieži izmanto gadījumos, kad pietiek ar mazo piedziņas ierīču jaudu.

Rakstā izmantoti materiāli no grāmatas Daineko V.A., Kovalinsky A.I. Lauksaimniecības uzņēmumu elektroiekārtas.