Индустриална електротехника и автоматика
Популярни

Стъпкови мотори

Стъпковият мотор (двигател) е безколекторен постояннотоков електродвигател, на който валът се върти на определени фиксирани градуси т.е. стъпки, откъдето е и името на мотора, без роторът да прави цял оборот. Това се осъществява благодарение на специалната конструкция на двигателя. За него е характерно, че предварително се знае ъгълът на стъпката без затова да е необходим сензор. Тази стъпка се определя от конструктивните особености на двигателя и неговата управляваща верига. Най-често моторите се използват за стъпки от 15°, 7,5°, 1,8° и 0,9°. Най-голямо приложение намират стъпкови мотори със стъпка от 1.8° (200 стъпки).

 

Устройство на стъпковия мотор

Като всеки електродвигател, стъпковият мотор има неподвижна част – статор и подвижна част – ротор. Статорът има статорни ядра, на които са навити статорните намотки, а роторът може да е:

  • постоянен магнит
  • електромагнит
  • комбинация от двете

При моторите с постоянен магнит, полюсите на ротора са праволинейни и успоредни на оста на статора. Поради намагнитването на ротора се осигурява по-голям магнитен поток и съответно по-голям въртящ момент, от другите два вида, но са чувствителни към обратното ЕМП генерирано в ротора, което не им позволява да реагират бързо.

Електромагнитните стъпкови двигатели се използват там, където е от значение скоростта на завъртане на ротора след подадена команда.

Хибридните мотори са по-скъпи от тези с постоянен магнит но те осигуряват по-малка стъпка, голям въртящ момент и висока скорост на реакция. Те съчетават най-добрите характеристики на другите два вида. Конструкцията на хибридния стъпков двигател се отличава с това, че при тях роторът има аксиално разположени зъби, като типичният им брой е от 100 до 400, което съответства на стъпка 3,6° – 0,9°. Статорът също има зъби (ядра), върху които са разположени намотките. Когато полюсите са 100, което е 50 чифта и моторът е двуфазен стъпката става 1,8°.

Стъпкови мотори 1

Принцип на действие

Чрез подаване на напрежение на една или повече фази на статора, през съответната намотка протича електрически ток, който генерира електромагнитно поле. Роторът реагира на подаденото ЕМП и се ориентира с полюсите си към захранената намотка. Така той се завърта на определени градуси докато се преведе в съответствие с полето.

Този начин на действие на стъпковите мотори ги прави много точни, лесни за работа, не особено скъпи и затова намират много широко приложение в автоматизацията, роботиката, астрономическите обсерватории за прецизно завъртане на антената или телескопа. Когато товарът, който трябва да се завърти и позиционира е тежък, се налага използването и на сервомотор преди стъпковия.

За да работи стъпковия мотор правилно, статорните бобини трябва да се захранват в определена последователност. Има няколко устройства, които се използват, за да подадат необходимото напрежение към намотките:

  • Транзисторен мост. Това е устройството, което е най-близо до статорните намотки и осъществява пряка електрическа връзка с тях. Транзисторите играят роля на електрически управляеми прекъсвачи, които чрез включване и изключване прехвърлят електрическото захранване от една намотка на друга и по този начин управляват тока на намотките. За всяка фаза на стъпковия двигател е необходим един транзисторен мост;
  • Драйвър. Или по-точно pre-driver. Той контролира активирането на транзисторите, осигурявайки необходимото напрежение и ток. Драйверите могат да контролират само напрежението и да осигурят извършването на стъпката, но не и скоростта, с която това да стане. По-съвременните драйвъри регулират и тока, протичащ през активната намотка и така имат контрол върху въртящия момент и цялата динамика на процеса;
  • Микроконтролен блок. Програмира се от потребителя да генерира сигнали към драйвера, за да се постигне желаното поведение на стъпковия мотор.

 

Вижте всички Стъпкови мотори във Викиват ТУК

 

Видове стъпкови мотори

За да се постигне правилната посока на завъртане на ротора е необходимо не само да се захранят намотките, но и да се контролира посоката на тока през тях, защото така се определя посоката на магнитното поле, генерирано от самата намотка. Според разположението на статорните бобини и посоката на тока, която се подава към тях различаваме:

  • Униполярни стъпкови двигатели. При него един от проводниците е свързан към средната точка на бобината. Чрез транзисторен мост се сменя посоката на тока през намотката. Недостатъкът е, че във всеки един момент се използва само половината от намотката и съответно интензитетът е 50% от възможния.
  • Биполярни стъпкови двигатели. При тях се използва Н-мост от транзистори. Схемата прилича на латинската буква Н, откъдето идва и името и. Четири транзистора са разположени по вертикалите на буквата Н и се включват по диагонал. При единия диагонал стъпковия двигател ще направи завъртане под определен градус по посока на часовниковата стрелка, а при другия – в обратна. При това решение се използва пълната мощност на намотката и се постига максимален въртящ момент.

Стъпкови мотори 2

Приложения на стъпковите мотори

За разлика от моторите с колектор и четки, стъпковите мотори са не само точни в позиционирането, но и с много дълъг живот. Освен това за устройства базирани на стъпкови двигатели не се изискват ограничителни превключватели или крайни изключватели. Роторът им също може да се фиксира без необходимостта от електромагнитни и спирачни системи, като например електромагнитни съединители. Единственото, което е необходимо е да се подава един минимален ток в статора, който да задържа ротора в желаното положение. Това е т.н. задържащ ток, който е 25 – 50% от номиналния. Тези свойства на стъпковите мотори са определили и обхвата им на приложение. Стъпковият мотор намира приложение в:

  • Машини за прецизно гравиране и фрезоване, като той е отговорен за подаването и изтеглянето на режещия ръб на инструмента;
  • Командване на манипулаторите (ръцете) на роботите. Благодарение на стъпковия мотор, роботът може да хване яйце без да го счупи;
  • Периферни и дискови устройства;
  • Охранителни видеокамери с управление от разстояние. За промяна на наклона, мащабиране, фокусиране;
  • Като генератори на енергия в малки вятърни турбини и тогава се наричат стъпкови генератори, а не мотори;
  • 3D принтери;
  • Складова автоматизация;
  • Оръжейни системи с прецизно насочване;
  • Банкомати, продажба на билети, асансьори;
  • Професионални фотоапарати за регулиране отварянето на блендата;
  • Автоматизация в различни области на промишлеността, като автомобилостроенето, метало и дървопреработването;
  • При управлението на кораби, самолети и др.

 

Вижте всички Стъпкови мотори във Викиват ТУК

 

Предимства и недостатъци на стъпковите двигатели

 

Предимства

 

  • Поради конструкцията си, стъпковите мотори не се нуждаят от датчик за следене положението на ротора. Тъй като валът се движи чрез извършване на стъпки, когато се знае техния брой, той еднозначно отговаря на положението на ротора във всеки момент.
  • Простота на конструкцията. Стъпковият мотор не е устроен сложно. Отличава се и с простота на управлението в сравнение с други двигатели. Освен това може лесно да се постигне определяне на висока точност на позицията на ротора му от около 007 °.
  • Стъпковите двигатели имат добър въртящ момент при ниски скорости, което ги прави чудесни за задържане на позиция.
  • Те са трайни. Имат дълъг живот и не се нуждаят от поддръжка.

Недостатъци

  • Стъпковите мотори не са особено мощни. Ако въртящия момент на натоварването е прекалено голям, те могат да пропуснат стъпка. Това се отразява негативно на точността на управлението, защото не се знае положението на ротора и това може да доведе до грешки.
  • Те работят с максимален ток, дори когато са неподвижни, което се отразява на ефективността им.

 

текст: инж. Д. Костов

Сходни публикации
Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван.

Бутон за връщане нагоре
Затвори