emner:
- introduktion
- Permanent magnet stepmotor (PM type)
- Variabel reluktans stepmotor (VR)
- Hybrid stepmotor
Forord:
En stepmotor kan, som navnet antyder, justeres i flere trin. Antallet af trin kan variere. Afhængigt af anvendelsen kan stepmotoren justere fra 4 til 200 trin pr. rotation, hvilket kan svare til en kontrolleret rotation på 0,8° rotorrotation.
Vinkeldrejningen af en stepmotor kan bestemmes meget nøjagtigt. Stepmotoren er grundlæggende én synkron DC elmotor uden kulbørster, fordi delene og kontrolmetoderne er meget ens, men den adskiller sig ikke desto mindre fra denne DC-motor ved følgende egenskaber:
- En stepmotor har et relativt stort moment ved lave hastigheder og kan derfor starte meget hurtigt fra stilstand;
- Bevægelsen af en stepmotor er langsom og meget præcis. DC-motoren bruges til at kunne køre hurtigt i lang tid;
- Steppermotorens omdrejningshastighed og position styres af et styresignal fra styreenheden. Det betyder, at der ikke kræves positionssensor eller anden form for feedback;
- En stepmotor støjer mere og forårsager flere vibrationer sammenlignet med en børsteløs jævnstrømsmotor.
Stepmotoren bruges mange steder i bilen til at få dele til at lave en kontrolleret elektrisk bevægelse. Nedenfor er tre applikationer, hvor stepmotoren kan findes, nemlig: til tomgangsstyring, viserne i instrumentpanelet og varmeventilerne til ventilationsstyring.
Stepmotor til tomgangsstyring:
Gasspjældet på en benzinmotor er lukket i hvile. En lille åbning er påkrævet for at lade motoren gå i tomgang. Passagen skal også være justerbar, fordi temperaturen og belastningen (f.eks. når forbrugere som klimapumpen er tændt) påvirker den nødvendige mængde suget luft.
I moderne motorer styres gasspjældets position præcist. Vi finder også systemer, hvor gasspjældet er helt lukket, og luften ledes rundt om spjældventilen via en bypass-styring. Luftcirkulationen kan realiseres enten via en PWM-styret DC-motor eller ved en stepmotor. Se siden om gashåndtag.
De tre billeder nedenfor er af en stepmotor, der fungerer som tomgangshastighedsregulator. Åbningen af bypasset styres af akslen med den koniske ende. Drejning af ankeret i stepmotoren resulterer i en rotation af snekkegearet.
- Drej mod uret: snekkegear drejer indad (stor åbning i bypass);
- Rotation med uret: snekkegear roterer udad (lille åbning i bypass).
Instrumentpanel:
Instrumentpanelet er ofte udstyret med flere stepmotorer til tankstandsmåler, speedometer, omdrejningstæller, motortemperatur og i eksemplet herunder også forbrugsmåleren under omdrejningstælleren. Instrumentpanelet på en BMW er vist nedenfor.
Bagerst (indvendigt) af instrumentpanelet finder vi de fem stepmotorer med sort hus. Til højre ser vi den pågældende stepmotor uden hus. Her kan du tydeligt se de to spoler og de fire forbindelser (to venstre, to højre), hvorved vi kan genkende den bipolære stepmotor. Stepmotoren kan justere visernålene i små trin. Kommandoen til at justere kommer fra ECU'en i instrumentgruppen.
Følgende diagram viser input og output for stepmotordriveren. Dette er IC'en i instrumentgruppen, der oversætter indgående information til et output for stepmotoren:
- brændstofniveau i tanken (tankflyder);
- køretøjets hastighed (impulsgenerator i gearkasse eller ABS-sensorer);
- motorhastighed (krumtapakselpositionssensor);
- temperatur (kølevæsketemperaturføler).
I blokdiagrammet viser de røde og grønne pile forbindelserne (A til D) på spolerne i stepmotoren.
Luftstyreventiler i brændeovnen:
Vi finder ofte stepmotorer i de elektronisk betjente udluftningsventiler i komfurhus. Billederne nedenfor viser et foto af en lufttemperaturventil (venstre) og en illustration af installationspositionen (højre). Stepmotoren driver ventilen ved hjælp af mekanismen, hvor nummer 4 i illustrationen angiver omdrejningspunktet. Hvis stepmotoren fungerer forkert, eller efter udskiftning, skal start- og slutpositioner angives i ECU'en. Med diagnoseudstyr kan vi lære at ventilen stopper, så ECU'en ved hvornår ventilen er helt åben eller lukket, så den også kan bestemme hvor længe den skal drive stepmotoren til delvist at åbne ventilen.
Permanent magnet stepmotor (PM type):
Denne type stepmotor har en rotor med en permanent magnet. Fordelen ved denne stepmotor er dens enkle konstruktion og derfor en lav kostpris. Nedenfor er information om betjeningen af denne stepmotor.
Steppermotorens rotor kan lave en fuld rotation med flere mellemtrin. I eksemplet på de fire billeder nedenfor er der vist fire mellemtrin pr. rotation. Rotoren kan derfor stoppes for hver 90 grader. Den venstre stepmotor er i position 1, med rotorens nordpol øverst og sydpolen nederst. For at bevæge rotoren 90 grader med uret afbrydes strømmen til spolen med klemmerne C og D, og den anden spole aktiveres. Dette kan ses i den anden stepmotor. Den venstre polsko bliver rød (nordpolen) og den højre bliver sort (sydpolen). Dette vil sætte rotoren i position 2.
Dette fungerer også på denne måde med indstillingerne 3 og 4; spolen mellem C og D aktiveres for position 3, men strømmen løber i modsat retning som i position 1. Den øverste polsko er nu nordpolen og den nederste er sydpolen. Rotoren vil nu være i position 3. For position 4 aktiveres bundspolen igen, og rotoren vil rotere til position 4.
Firetrins stepmotoren kan stoppes for hver 90 grader. Hvis dette er utilstrækkeligt til den applikation, som stepmotoren bruges til, kan den også indstilles i otte trin. Dette er muligt med den samme stepmotor, men under disse mellemtrin vil begge spoler blive aktiveret samtidigt.
Billedet nedenfor viser disse mellemtrin. Dette er trin 5 til 8. Som du kan se, er indstilling 5 mellem trin 1 og 2. Det samme gælder for trin 6 (mellem trin 2 og 3) osv. Under disse mellemtrin løber der en strøm gennem begge spoler.
Når rotoren skal drejes til trin 5, løber der en strøm i både den nederste spole fra A til B og den øverste spole fra C til D. Så der er nu to nordpoler (de røde polsko) og to sydpoler (de sorte polsko). Rotoren vil være i position 5.
For at dreje rotoren 45 grader yderligere (til position 2), gælder diagrammet for stepmotoren med fire positioner igen. Bundspolen vil blive aktiveret igen for at tillade en strøm at flyde fra A til B.
Hvis stepmotoren derefter drejes 45 grader længere (til position 6), vil ovenstående billede gælde igen, med begge spoler aktiveret.
Stepmotoren styres altid af en styreenhed. Transistorerne i styreenhedens driver-IC leverer strømforsyningen og -udledningen til og fra polskoene. Styreenheden indeholder otte transistorer. Ved at styre disse otte transistorer korrekt vil stepmotoren lave en komplet omdrejning i fire eller otte trin. Rotationen kan være i to retninger; venstre og højre. Styreanordningen sikrer, at de korrekte transistorer gøres ledende.
På billedet ser vi en stepmotor, der styres af en kontrolenhed. Transistor 1 og 4 er tændt. For at tydeliggøre styringen er transistorerne og ledningerne farvet røde og brune. Transistor 1 (rød) forbinder klemme A med positiv og transistor 4 (brun) forbinder klemme B til jord.
Fordi transistor 2 og 3 ikke er tændt, løber der ingen strøm gennem dem. Hvis dette var tilfældet, ville der opstå en kortslutning.
På billedet drejes stepmotoren lidt længere. Til dette formål skal transistorerne 6 og 7 også gøres ledende.
For at lade stepmotoren rotere lidt længere, stopper ledningen af transistor 1 og 4. Kun transistor 6 og 7 leder stadig, hvilket får stepmotoren til at indtage position 3.
Til næste trin skal transistor 2 og 3 være tændt.
Variabel reluktans stepmotor (VR):
Ligesom permanent magnet stepmotoren indeholder stepmotoren med variabel reluktans statorpoler med spoler. Den adskiller sig fra den tidligere omtalte stepmotor med sin tandrotor lavet af ferromagnetisk metal, såsom nikkel eller jern. Det betyder, at rotoren ikke er magnetisk. Denne type stepmotor bruges sjældent i dag.
Statorspolen på den ene side (A) er viklet den modsatte vej som spolen på den anden side (A'). Det samme gælder naturligvis for B og B' osv. Rotorens tænder tiltrækkes af den magnetiske flux, der skabes ved at aktivere statorspolerne.
Fordelene ved VR stepmotoren sammenlignet med versionen med permanente magneter er:
- På grund af fraværet af permanente magneter er produktionen af VR stepmotoren mindre skadelig for miljøet;
- Det er ikke nødvendigt at vende polariteten af statorspolerne. Dette giver mulighed for enklere kontrol;
Ulemperne er:
- Lavt drejningsmoment;
- Lav nøjagtighed;
- Højere støjproduktion. Antallet af applikationer, inklusive bilindustrien, er derfor begrænset;
- På grund af fraværet af permanente magneter er der ikke noget holdemoment, når du står stille.
Hybrid stepmotor:
Hybrid stepmotoren har en tandet rotor med permanente magneter og en tandet stator med otte spoler med en lille luftspalte mellem rotoren og stator. Rotoren består af to gear forskudt 3,6° fra hinanden. Der er en stor magnet på indersiden af rotoren. To stålgear presses over magneten. Tandhjulene bliver også magnetiske på grund af tilstedeværelsen af magneten. Det ene tandhjul er magnetiseret som nordpolen og det andet som sydpolen. Hver tand på rotoren bliver til en magnetisk pol. Vi taler derfor om "Nordpolsrotoren" og "Sydpolsrotoren". På grund af gearskiftet vil nord- og sydpolen veksle under rotation. Hvert gear har 50 tænder.
I det øjeblik stepmotordriveren leder strøm gennem en statorspole, bliver spolen magnetisk. Spolernes nordpoler vil tiltrække rotorens sydpoler, hvilket får rotoren til at dreje.
De tre billeder nedenfor viser styringen af de to faser (rød og orange) af hybrid stepmotoren.
A. Steppermotorens rotor har roteret til sin nuværende position (se figuren), fordi de viste spoler er gjort magnetiske.
- Det grønne gear er sydpolen, som er tiltrukket af nordpolerne på statoren;
- Tænderne mellem rotoren og statoren er rettet ind efter hinanden på de steder, hvor rotoren er blevet trukket. For overskuelighedens skyld er disse punkter markeret med et sort mærke i alle tre situationer;
- Det røde gear er bag det grønne gear. Fordi tandhjulene drejes i forhold til hinanden, er de røde tænder synlige. Nordpolerne på rotoren er tiltrukket af sydpolerne på statoren.
B. Styringen har skiftet faser. Magnetfeltet mellem de orange spoler og rotoren er forsvundet. Nu styres spolerne i den "røde" fase, hvilket får magnetfeltet til at blive opbygget mellem de røde spoler og rotoren.
- Som et resultat af at skifte magnetfeltet fra orange til røde spoler, roterer rotoren 1,8° med uret;
- For at rotere rotoren mod uret i stedet for med uret, skulle polariteten (strømmens retning) vendes gennem de røde forbindelser. Strømretningen gennem spolen bestemmer jo retningen af magnetfeltet, og derfor "positionen" af nord- og sydpolen.
C. Styringen har igen skiftet fase, og rotoren er igen drejet 1,8° med uret.
- De samme spoler som i situation A er aktiveret, men polariteten på de orange ledninger er blevet omvendt;
- Rotoren kan igen drejes mod uret ved at styre spolerne som vist i situation B;
- For at få rotoren til at dreje med uret, aktiveres de røde spoler også, men polariteten er vendt i forhold til situation B.
I ovenstående eksempler kan det ses, at nordpolrotoren tiltrækkes af en sydpolspole og samtidig tiltrækkes sydpolrotoren til en nordpolspole. Dette sikrer, at den hybride stepmotor laver meget præcise bevægelser og har desuden et højt moment.
Den hybride stepmotor kan udstyres med flere polpar og flere tænder på rotoren, hvilket tillader trin på op til 0,728° og 500 trin pr. omdrejning.
Relaterede sider:
