Предмети:
- въведение
- Стъпков двигател с постоянен магнит (PM тип)
- Стъпков двигател с променливо съпротивление (VR)
- Хибриден стъпков двигател
Предговор:
Стъпковият двигател, както подсказва името, може да се регулира в няколко стъпки. Броят на стъпките може да варира. В зависимост от приложението стъпковият двигател може да регулира от 4 до 200 стъпки на завъртане, което може да възлиза на контролирано завъртане от 0,8° завъртане на ротора.
Ъгълът на въртене на стъпков двигател може да се определи много точно. Стъпковият двигател е основно един синхронен постояннотоков електродвигател без въглеродни четки, тъй като частите и методите за управление са много сходни, но въпреки това се отличава от този DC двигател със следните свойства:
- Стъпковият двигател има сравнително голям въртящ момент при ниски скорости и следователно може да започне много бързо от покой;
- Движението на стъпковия двигател е бавно и много прецизно. DC моторът се използва, за да може да работи бързо за дълго време;
- Скоростта на въртене и позицията на стъпковия двигател се управляват от управляващ сигнал от управляващия блок. Това означава, че не е необходим сензор за позиция или друга форма на обратна връзка;
- Стъпковият двигател издава повече шум и причинява повече вибрации в сравнение с безчетковия DC двигател.
Стъпковият двигател се използва на много места в автомобила, за да накара частите да извършват контролирано електрическо движение. По-долу са три приложения, в които може да се намери стъпковият двигател, а именно: за управление на празен ход, ръцете в арматурното табло и вентилите на нагревателя за управление на вентилацията.
Стъпков двигател за управление на празен ход:
Дроселовата клапа на бензинов двигател е затворена в покой. Необходим е малък отвор, за да може двигателят да работи на празен ход. Проходът също трябва да е регулируем, тъй като температурата и натоварването (напр. когато са включени консуматори като помпата на климатика) влияят върху необходимото количество засмукан въздух.
При съвременните двигатели положението на дроселовата клапа се контролира прецизно. Откриваме и системи, при които дроселовата клапа е напълно затворена и въздухът се насочва около дроселовата клапа чрез байпасно управление. Циркулацията на въздуха може да се осъществи или чрез PWM-управляван DC мотор, или чрез стъпков двигател. Вижте страницата за дросел.
Трите изображения по-долу са на стъпков двигател, който служи като регулатор на скоростта на празен ход. Отварянето на байпаса се контролира от вала с коничен край. Завъртането на арматурата в стъпковия двигател води до въртене на червячната предавка.
- Завъртете обратно на часовниковата стрелка: червячната предавка се завърта навътре (голям отвор в байпаса);
- Въртене по посока на часовниковата стрелка: червячната предавка се върти навън (малък отвор в байпаса).
Панел с инструменти, меню с опции:
Арматурното табло често е оборудвано с множество стъпкови двигатели за нивомера в резервоара, скоростомера, оборотомера, температурата на двигателя и в примера по-долу също и разходомера под оборотомера. Арматурното табло на BMW е показано по-долу.
В задната (вътрешна) част на арматурното табло намираме петте стъпкови двигателя с черен корпус. Вдясно виждаме въпросния стъпков двигател без корпус. Тук можете ясно да видите двете бобини и четирите връзки (две леви, две десни), по които можем да разпознаем биполярния стъпков двигател. Стъпковият двигател може да регулира иглите на показалеца на малки стъпки. Командата за настройка идва от ECU в арматурното табло.
Следната диаграма показва входовете и изходите на драйвера на стъпковия двигател. Това е IC в инструменталния клъстер, който преобразува входящата информация в изход за стъпковия двигател:
- ниво на гориво в резервоара (поплавък на резервоара);
- скорост на автомобила (генератор на импулси в скоростната кутия или ABS сензори);
- скорост на двигателя (сензор за положение на коляновия вал);
- температура (датчик за температура на охлаждащата течност).
В блоковата диаграма червените и зелените стрелки показват връзките (A до D) на намотките в стъпковия двигател.
Въздушни направляващи вентили в печката:
Често намираме стъпкови двигатели в електронно управляваните вентилационни вентили в печка къща. Изображенията по-долу показват снимка на вентил за температура на въздуха (вляво) и илюстрация на позицията на монтаж (вдясно). Стъпковият двигател управлява клапана посредством механизма, където номер 4 на илюстрацията показва точката на въртене. Ако стъпковият двигател работи неправилно или след смяна, началната и крайната позиция трябва да бъдат известни в ECU. С диагностично оборудване можем да научим спирането на клапана, така че ECU да знае кога клапанът е напълно отворен или затворен, така че да може също да определи колко време трябва да задвижва стъпковия двигател, за да отвори частично клапана.
Стъпков двигател с постоянен магнит (PM тип):
Този тип стъпков двигател има ротор с постоянен магнит. Предимството на този стъпков двигател е неговата проста конструкция и следователно ниска себестойност. По-долу е дадена информация за работата на този стъпков двигател.
Роторът на стъпковия двигател може да направи пълно завъртане с няколко междинни стъпки. В примера на четирите изображения по-долу са показани четири междинни стъпки на завъртане. Следователно роторът може да се спира на всеки 90 градуса. Левият стъпков двигател е в позиция 1, със северния полюс на ротора отгоре и южния полюс отдолу. За да преместите ротора на 90 градуса по посока на часовниковата стрелка, токът към намотката с клеми C и D се прекъсва и другата намотка се захранва. Това може да се види във втория стъпков двигател. Лявата обувка става червена (северният полюс), а дясната става черна (южният полюс). Това ще постави ротора в позиция 2.
Това също работи по този начин с настройки 3 и 4; намотката между C и D е захранена за позиция 3, но токът тече в обратна посока, както в позиция 1. Обувката на горния полюс сега е северният полюс, а долната е южният полюс. Сега роторът ще бъде в позиция 3. За позиция 4 долната намотка се захранва отново и роторът ще се завърти до позиция 4.
Четирискоростният стъпков двигател може да се спира на всеки 90 градуса. Ако това не е достатъчно за приложението, за което се използва стъпковият двигател, той може да бъде настроен и на осем стъпки. Това е възможно със същия стъпков двигател, но по време на тези междинни стъпки и двете намотки ще бъдат захранвани едновременно.
Изображението по-долу показва тези междинни стъпки. Това са стъпки от 5 до 8. Както можете да видите, настройка 5 е между стъпки 1 и 2. Същото важи и за стъпка 6 (между стъпки 2 и 3) и т.н. По време на тези междинни стъпки през двете бобини протича ток.
Когато роторът трябва да се завърти до стъпка 5, ток протича както в долната намотка от A към B, така и в горната намотка от C към D. Така че сега има два северни полюса (червените обувки на прът) и два южни полюса (черните обувки на прът). Роторът ще бъде в позиция 5.
За да завъртите ротора на още 45 градуса (до позиция 2), отново важи диаграмата на стъпковия двигател с четири позиции. Долната намотка ще бъде отново захранена, за да позволи на ток да тече от A към B.
Ако след това стъпковият двигател се завърти още на 45 градуса (до позиция 6), изображението по-горе ще се приложи отново, като и двете намотки са под напрежение.
Стъпковият двигател винаги се управлява от контролно устройство. Транзисторите в драйвера IC на управляващото устройство осигуряват захранване и разреждане на ток към и от полюсните обувки. Блокът за управление съдържа осем транзистора. Чрез правилното управление на тези осем транзистора стъпковият двигател ще направи пълен оборот в четири или осем стъпки. Въртенето може да бъде в две посоки; ляво и дясно. Контролното устройство гарантира, че правилните транзистори са направени проводими.
На изображението виждаме стъпков двигател, който се управлява от контролно устройство. Транзисторите 1 и 4 са включени. За да се изясни управлението, транзисторите и проводниците са оцветени в червено и кафяво. Транзистор 1 (червен) свързва клема A към плюс, а транзистор 4 (кафяв) свързва клема B към маса.
Тъй като транзисторите 2 и 3 не са включени, през тях не протича ток. Ако това беше така, щеше да възникне късо съединение.
На изображението стъпковият двигател е завъртян малко по-напред. За тази цел транзисторите 6 и 7 също трябва да бъдат направени проводими.
За да позволи на стъпковия двигател да се завърти още малко, спира проводимост на транзистори 1 и 4. Само транзистори 6 и 7 все още провеждат, карайки стъпковия двигател да заеме позиция 3.
За следващата стъпка транзисторите 2 и 3 трябва да бъдат включени.
Стъпков двигател с променливо съпротивление (VR):
Подобно на стъпковия двигател с постоянен магнит, стъпковият двигател с променливо съпротивление съдържа полюси на статора с намотки. Той се различава от разгледания по-рано стъпков двигател със своя зъбен ротор, изработен от феромагнитен метал, като никел или желязо. Това означава, че роторът не е магнитен. Този тип стъпков двигател рядко се използва в наши дни.
Намотката на статора от едната страна (A) е навита в обратната посока като намотката от другата страна (A'). Същото, разбира се, важи за B и B' и т.н. Зъбците на ротора се привличат от магнитния поток, създаден от захранването на намотките на статора.
Предимствата на VR стъпковия двигател спрямо версията с постоянни магнити са:
- Поради липсата на постоянни магнити, производството на VR стъпков двигател е по-малко вредно за околната среда;
- Не е необходимо да се обръща полярността на намотките на статора. Това позволява по-опростен контрол;
Недостатъците са:
- Нисък въртящ момент;
- Ниска точност;
- По-високо производство на шум. Поради това броят на приложенията, включително автомобилните, е ограничен;
- Поради липсата на постоянни магнити, няма задържащ въртящ момент, когато стоите неподвижни.
Хибриден стъпков двигател:
Хибридният стъпков двигател има назъбен ротор с постоянни магнити и назъбен статор с осем намотки с малка въздушна междина между ротора и статора. Роторът се състои от две зъбни колела, изместени на 3,6° едно спрямо друго. От вътрешната страна на ротора има голям магнит. Две стоманени зъбни колела са притиснати върху магнита. Зъбните колела също стават магнитни поради наличието на магнит. Едната предавка е намагнетизирана като северния полюс, а другата като южния полюс. Всеки зъб на ротора се превръща в магнитен полюс. Следователно говорим за „ротор на Северния полюс“ и „ротор на Южния полюс“. Поради смяната на предавките, северният и южният полюс ще се редуват по време на въртене. Всяко зъбно колело има 50 зъба.
В момента, в който драйверът на стъпковия двигател проведе ток през статорна намотка, намотката става магнитна. Северните полюси на намотките ще привличат южните полюси на ротора, карайки ротора да се върти.
Трите изображения по-долу показват управлението на двете фази (червена и оранжева) на хибридния стъпков двигател.
A. Роторът на стъпковия двигател се е завъртял до текущата си позиция (вижте фигурата), тъй като показаните бобини са направени магнитни.
- Зеленото зъбно колело е южният полюс, който е привлечен от северните полюси на статора;
- Зъбците между ротора и статора са подравнени един спрямо друг на местата, където роторът е бил издърпан. За по-голяма яснота тези точки са обозначени с черен знак и в трите ситуации;
- Червеното зъбно колело е зад зеленото зъбно колело. Тъй като зъбните колела се въртят едно спрямо друго, червените зъби се виждат. Северните полюси на ротора се привличат към южните полюси на статора.
B. Управлението е променило фазите. Магнитното поле между оранжевите намотки и ротора е изчезнало. Сега намотките на "червената" фаза се контролират, което води до изграждане на магнитно поле между червените намотки и ротора.
- В резултат на превключването на магнитното поле от оранжевите към червените намотки, роторът се завърта на 1,8° по часовниковата стрелка;
- За да завъртите ротора обратно на часовниковата стрелка вместо по часовниковата стрелка, полярността (посоката на тока) трябваше да бъде обърната през червените връзки. В крайна сметка посоката на тока през намотката определя посоката на магнитното поле и следователно "позицията" на северния и южния полюс.
C. Управлението отново е променило фазата и роторът отново се е завъртял по посока на часовниковата стрелка с 1,8°.
- Същите намотки като в ситуация А са под напрежение, но полярността на оранжевите проводници е обърната;
- Роторът може отново да се завърти обратно на часовниковата стрелка чрез контролиране на намотките, както е показано в ситуация B;
- За да накарате ротора да се завърти по посока на часовниковата стрелка, червените намотки също се захранват, но полярността е обърната в сравнение със ситуация B.
В горните примери може да се види, че роторът на северния полюс е привлечен от намотка на южния полюс и в същото време роторът на южния полюс е привлечен от намотка на северния полюс. Това гарантира, че хибридният стъпков двигател прави много прецизни движения и също така има висок въртящ момент.
Хибридният стъпков двигател може да бъде оборудван с повече двойки полюси и повече зъби на ротора, което позволява стъпки до 0,728° и 500 стъпки на оборот.
