Βηματικός κινητήρας

Μαθήματα:

Εισαγωγή
Βηματικός κινητήρας μόνιμου μαγνήτη (τύπου PM)
Βηματικός κινητήρας μεταβλητής απροθυμίας (VR)
Υβριδικός βηματικός κινητήρας

Εισαγωγή:
Ένας βηματικός κινητήρας, όπως υποδηλώνει το όνομα, μπορεί να ρυθμιστεί σε πολλά βήματα. Ο αριθμός των βημάτων μπορεί να διαφέρει. Ανάλογα με την εφαρμογή, ο βηματικός κινητήρας μπορεί να ρυθμίσει από 4 έως 200 βήματα ανά περιστροφή, που μπορεί να ισοδυναμεί με ελεγχόμενη περιστροφή 0,8° περιστροφής του ρότορα.
Η γωνιακή περιστροφή ενός βηματικού κινητήρα μπορεί να προσδιοριστεί με μεγάλη ακρίβεια. Ο βηματικός κινητήρας είναι βασικά ένας σύγχρονος ηλεκτροκινητήρας συνεχούς ρεύματος χωρίς βούρτσες άνθρακα, επειδή τα εξαρτήματα και οι μέθοδοι ελέγχου είναι πολύ παρόμοια, αλλά ωστόσο διακρίνεται από αυτόν τον κινητήρα συνεχούς ρεύματος από τις ακόλουθες ιδιότητες:

Ένας βηματικός κινητήρας έχει σχετικά μεγάλη ροπή σε χαμηλές στροφές και επομένως μπορεί να ξεκινήσει πολύ γρήγορα από στάση.
Η κίνηση ενός βηματικού κινητήρα είναι αργή και πολύ ακριβής. Ο κινητήρας συνεχούς ρεύματος χρησιμοποιείται για να μπορεί να λειτουργεί γρήγορα για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Η ταχύτητα περιστροφής και η θέση του βηματικού κινητήρα ελέγχονται από ένα σήμα ελέγχου από τη μονάδα ελέγχου. Αυτό σημαίνει ότι δεν απαιτείται αισθητήρας θέσης ή άλλη μορφή ανάδρασης.
Ένας βηματικός κινητήρας κάνει περισσότερο θόρυβο και προκαλεί περισσότερους κραδασμούς σε σύγκριση με έναν κινητήρα συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες.

Ο βηματικός κινητήρας χρησιμοποιείται σε πολλά σημεία του αυτοκινήτου για να κάνει τα εξαρτήματα να κάνουν μια ελεγχόμενη ηλεκτρική κίνηση. Ακολουθούν τρεις εφαρμογές στις οποίες μπορεί να βρεθεί ο βηματικός κινητήρας, συγκεκριμένα: για τον έλεγχο του ρελαντί, τα χέρια στον πίνακα οργάνων και οι βαλβίδες του θερμαντήρα για τον έλεγχο εξαερισμού.

Βηματικός κινητήρας για τον έλεγχο ρελαντί:
Η βαλβίδα γκαζιού ενός βενζινοκινητήρα είναι κλειστή σε κατάσταση ηρεμίας. Απαιτείται ένα μικρό άνοιγμα για να επιτρέψει στον κινητήρα να λειτουργεί στο ρελαντί. Η δίοδος πρέπει επίσης να είναι ρυθμιζόμενη, επειδή η θερμοκρασία και το φορτίο (π.χ. όταν είναι ενεργοποιημένοι καταναλωτές όπως η αντλία κλιματισμού) επηρεάζουν την απαιτούμενη ποσότητα αέρα που αναρροφάται.
Στους σύγχρονους κινητήρες, η θέση της βαλβίδας γκαζιού ελέγχεται με ακρίβεια. Βρίσκουμε επίσης συστήματα στα οποία η βαλβίδα γκαζιού είναι εντελώς κλειστή και ο αέρας οδηγείται γύρω από τη βαλβίδα γκαζιού μέσω ενός ελέγχου παράκαμψης. Η κυκλοφορία του αέρα μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε μέσω ενός κινητήρα DC ελεγχόμενου από PWM είτε μέσω ενός βηματικού κινητήρα. Δείτε τη σελίδα σχετικά με το γκάζι.

Οι τρεις παρακάτω εικόνες είναι ενός βηματικού κινητήρα που χρησιμεύει ως ελεγκτής ταχύτητας ρελαντί. Το άνοιγμα της παράκαμψης ελέγχεται από τον άξονα με το κωνικό άκρο. Η περιστροφή του οπλισμού στον βηματικό κινητήρα έχει ως αποτέλεσμα την περιστροφή του ατέρμονα γραναζιού.

Στρίψτε αριστερόστροφα: το γρανάζι ατέρμονα γυρίζει προς τα μέσα (μεγάλο άνοιγμα στην παράκαμψη).
Δεξιόστροφη περιστροφή: το γρανάζι ατέρμονα περιστρέφεται προς τα έξω (μικρό άνοιγμα στην παράκαμψη).

Πίνακας οργάνων:
Ο πίνακας οργάνων είναι συχνά εξοπλισμένος με πολλαπλούς βηματικούς κινητήρες για το μετρητή στάθμης του ρεζερβουάρ, το ταχύμετρο, το ταχύμετρο, τη θερμοκρασία κινητήρα και στο παρακάτω παράδειγμα επίσης το μετρητή κατανάλωσης κάτω από το στροφόμετρο. Ο πίνακας οργάνων μιας BMW φαίνεται παρακάτω.

Στο πίσω μέρος (μέσα) του ταμπλό οργάνων βρίσκουμε τους πέντε βηματικούς κινητήρες με μαύρο περίβλημα. Στα δεξιά βλέπουμε τον εν λόγω βηματικό κινητήρα χωρίς περίβλημα. Εδώ μπορείτε να δείτε καθαρά τα δύο πηνία και τις τέσσερις συνδέσεις (δύο αριστερά, δύο δεξιά) με τις οποίες μπορούμε να αναγνωρίσουμε τον διπολικό βηματικό κινητήρα. Ο βηματικός κινητήρας μπορεί να ρυθμίσει τις βελόνες δείκτη σε μικρά βήματα. Η εντολή ρύθμισης προέρχεται από την ECU στον πίνακα οργάνων.

Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει τις εισόδους και τις εξόδους του οδηγού βηματικού κινητήρα. Αυτό είναι το IC στον πίνακα οργάνων που μεταφράζει τις εισερχόμενες πληροφορίες σε έξοδο για τον βηματικό κινητήρα:

στάθμη καυσίμου στη δεξαμενή (πλωτήρας δεξαμενής).
ταχύτητα οχήματος (γεννήτρια παλμών στο κιβώτιο ταχυτήτων ή αισθητήρες ABS).
ταχύτητα κινητήρα (αισθητήρας θέσης στροφαλοφόρου άξονα).
θερμοκρασία (αισθητήρας θερμοκρασίας ψυκτικού).

Στο μπλοκ διάγραμμα, τα κόκκινα και πράσινα βέλη δείχνουν τις συνδέσεις (Α έως Δ) στα πηνία του βηματικού κινητήρα.

Βαλβίδες οδηγού αέρα στην εστία:
Συχνά βρίσκουμε βηματικούς κινητήρες στις ηλεκτρονικά λειτουργούμενες βαλβίδες εξαερισμού στο σόμπα σπίτι. Οι παρακάτω εικόνες δείχνουν μια φωτογραφία μιας βαλβίδας θερμοκρασίας αέρα (αριστερά) και μια απεικόνιση της θέσης εγκατάστασης (δεξιά). Ο βηματικός κινητήρας λειτουργεί τη βαλβίδα μέσω του μηχανισμού, όπου ο αριθμός 4 στην εικόνα δείχνει το σημείο περιστροφής. Εάν ο βηματικός κινητήρας λειτουργεί εσφαλμένα ή μετά την αντικατάσταση, οι θέσεις έναρξης και λήξης πρέπει να γνωστοποιούνται στην ECU. Με τον διαγνωστικό εξοπλισμό μπορούμε να μάθουμε τα σταματά της βαλβίδας, έτσι ώστε η ECU να γνωρίζει πότε η βαλβίδα είναι πλήρως ανοιχτή ή κλειστή, ώστε να μπορεί επίσης να καθορίσει πόσο χρόνο θα πρέπει να κινήσει τον βηματικό κινητήρα για να ανοίξει μερικώς η βαλβίδα.

Βηματικός κινητήρας μόνιμου μαγνήτη (τύπου PM):
Αυτός ο τύπος βηματικού κινητήρα έχει ρότορα με μόνιμο μαγνήτη. Το πλεονέκτημα αυτού του βηματικού κινητήρα είναι η απλή κατασκευή του και επομένως η χαμηλή τιμή του. Ακολουθούν πληροφορίες σχετικά με τη λειτουργία αυτού του βηματικού κινητήρα.

Ο ρότορας του βηματικού κινητήρα μπορεί να κάνει πλήρη περιστροφή με πολλά ενδιάμεσα βήματα. Στο παράδειγμα στις τέσσερις εικόνες παρακάτω, εμφανίζονται τέσσερα ενδιάμεσα βήματα ανά περιστροφή. Επομένως, ο ρότορας μπορεί να σταματήσει κάθε 90 μοίρες. Ο αριστερός βηματικός κινητήρας βρίσκεται στη θέση 1, με τον βόρειο πόλο του ρότορα στην κορυφή και τον νότιο πόλο στο κάτω μέρος. Για να μετακινήσετε τον ρότορα 90 μοίρες δεξιόστροφα, διακόπτεται το ρεύμα στο πηνίο με τους ακροδέκτες C και D και ενεργοποιείται το άλλο πηνίο. Αυτό φαίνεται στον δεύτερο βηματικό κινητήρα. Το παπούτσι του αριστερού πόλου γίνεται κόκκινο (ο βόρειος πόλος) και το δεξί γίνεται μαύρο (ο νότιος πόλος). Αυτό θα βάλει τον ρότορα στη θέση 2.

Αυτό λειτουργεί επίσης με αυτόν τον τρόπο με τις ρυθμίσεις 3 και 4. το πηνίο μεταξύ C και D ενεργοποιείται για τη θέση 3, αλλά το ρεύμα ρέει προς την αντίθετη κατεύθυνση όπως στη θέση 1. Το πέλμα του πάνω πόλου είναι τώρα ο βόρειος πόλος και το κάτω είναι ο νότιος πόλος. Ο ρότορας θα βρίσκεται τώρα στη θέση 3. Για τη θέση 4, το κάτω πηνίο ενεργοποιείται ξανά και ο ρότορας θα περιστραφεί στη θέση 4.

Ο βηματικός κινητήρας τεσσάρων ταχυτήτων μπορεί να σταματά κάθε 90 μοίρες. Εάν αυτό είναι ανεπαρκές για την εφαρμογή για την οποία χρησιμοποιείται ο βηματικός κινητήρας, μπορεί επίσης να ρυθμιστεί σε οκτώ βήματα. Αυτό είναι δυνατό με τον ίδιο βηματικό κινητήρα, αλλά κατά τη διάρκεια αυτών των ενδιάμεσων βημάτων και τα δύο πηνία θα ενεργοποιούνται ταυτόχρονα.

Η παρακάτω εικόνα δείχνει αυτά τα ενδιάμεσα βήματα. Αυτά είναι τα βήματα 5 έως 8. Όπως μπορείτε να δείτε, η ρύθμιση 5 είναι μεταξύ των βημάτων 1 και 2. Το ίδιο ισχύει και για το βήμα 6 (μεταξύ των βημάτων 2 και 3) κ.λπ. Κατά τη διάρκεια αυτών των ενδιάμεσων βημάτων, ένα ρεύμα ρέει διαμέσου και των δύο πηνίων.
Όταν ο ρότορας πρέπει να γυρίσει στο βήμα 5, ένα ρεύμα ρέει τόσο στο κάτω πηνίο από το Α στο Β όσο και στο πάνω πηνίο από το C στο D. Έτσι, υπάρχουν τώρα δύο βόρειοι πόλοι (τα παπούτσια με κόκκινο κοντάρι) και δύο νότιοι πόλοι (τα μαύρα παπούτσια με πόλο). Ο ρότορας θα βρίσκεται στη θέση 5.

Για να περιστρέψετε τον ρότορα κατά 45 μοίρες περαιτέρω (στη θέση 2), ισχύει ξανά το διάγραμμα του βηματικού κινητήρα με τέσσερις θέσεις. Το κάτω πηνίο θα ενεργοποιηθεί ξανά για να επιτρέψει σε ένα ρεύμα να ρέει από το Α στο Β.
Εάν ο βηματικός κινητήρας γυρίσει στη συνέχεια 45 μοίρες περαιτέρω (στη θέση 6), η παραπάνω εικόνα θα εφαρμοστεί ξανά, με τα δύο πηνία ενεργοποιημένα.

Ο βηματικός κινητήρας ελέγχεται πάντα από μια συσκευή ελέγχου. Τα τρανζίστορ στο IC του οδηγού της συσκευής ελέγχου παρέχουν την τροφοδοσία και την εκφόρτιση ρεύματος προς και από τα παπουτσάκια πόλου. Η μονάδα ελέγχου περιέχει οκτώ τρανζίστορ. Με τον σωστό έλεγχο αυτών των οκτώ τρανζίστορ, ο βηματικός κινητήρας θα κάνει μια πλήρη περιστροφή σε τέσσερα ή οκτώ βήματα. Η περιστροφή μπορεί να γίνει σε δύο κατευθύνσεις. αριστερά και δεξιά. Η συσκευή ελέγχου διασφαλίζει ότι τα σωστά τρανζίστορ γίνονται αγώγιμα.

Στην εικόνα βλέπουμε έναν βηματικό κινητήρα που ελέγχεται από μια συσκευή ελέγχου. Τα τρανζίστορ 1 και 4 είναι ενεργοποιημένα. Για να διευκρινιστεί ο έλεγχος, τα τρανζίστορ και τα καλώδια έχουν κόκκινο και καφέ χρώμα. Το τρανζίστορ 1 (κόκκινο) συνδέει τον ακροδέκτη Α στο θετικό και το τρανζίστορ 4 (καφέ) συνδέει τον ακροδέκτη Β στη γείωση.

Επειδή τα τρανζίστορ 2 και 3 δεν είναι ενεργοποιημένα, δεν ρέει ρεύμα μέσα από αυτά. Εάν συνέβαινε αυτό, θα προέκυπτε βραχυκύκλωμα.
Στην εικόνα ο βηματικός κινητήρας περιστρέφεται λίγο πιο πέρα. Για το σκοπό αυτό, τα τρανζίστορ 6 και 7 πρέπει επίσης να γίνουν αγώγιμα.

Για να μπορέσει ο βηματικός κινητήρας να περιστραφεί λίγο περισσότερο, η αγωγιμότητα των τρανζίστορ 1 και 4 σταματά. Μόνο τα τρανζίστορ 6 και 7 εξακολουθούν να αγώγουν, με αποτέλεσμα ο βηματικός κινητήρας να πάρει τη θέση 3.

Για το επόμενο βήμα, τα τρανζίστορ 2 και 3 πρέπει να είναι ενεργοποιημένα.

Βηματικός κινητήρας μεταβλητής απροθυμίας (VR):
Όπως ο βηματικός κινητήρας μόνιμου μαγνήτη, ο βηματικός κινητήρας μεταβλητής απροθυμίας περιέχει πόλους στάτορα με πηνία. Διαφέρει από τον βηματικό κινητήρα που συζητήθηκε προηγουμένως με τον οδοντωτό ρότορα του από σιδηρομαγνητικό μέταλλο, όπως νικέλιο ή σίδηρο. Αυτό σημαίνει ότι ο ρότορας δεν είναι μαγνητικός. Αυτός ο τύπος βηματικού κινητήρα χρησιμοποιείται σπάνια στις μέρες μας.

Το πηνίο του στάτορα στη μία πλευρά (Α) τυλίγεται αντίθετα όπως το πηνίο στην άλλη πλευρά (Α'). Το ίδιο φυσικά ισχύει και για τα Β και Β' κλπ. Τα δόντια του ρότορα έλκονται από τη μαγνητική ροή που δημιουργείται από την ενεργοποίηση των πηνίων του στάτορα.

Τα πλεονεκτήματα του βηματικού κινητήρα VR σε σύγκριση με την έκδοση με μόνιμους μαγνήτες είναι:

Λόγω της απουσίας μόνιμων μαγνητών, η παραγωγή του βηματικού κινητήρα VR είναι λιγότερο επιβλαβής για το περιβάλλον.
Δεν είναι απαραίτητο να αντιστρέψετε την πολικότητα των πηνίων του στάτορα. Αυτό επιτρέπει απλούστερο έλεγχο.

Τα μειονεκτήματα είναι:

Χαμηλή ροπή;
Χαμηλή ακρίβεια.
Υψηλότερη παραγωγή θορύβου. Ως εκ τούτου, ο αριθμός των αιτήσεων, συμπεριλαμβανομένης της αυτοκινητοβιομηχανίας, είναι περιορισμένος.
Λόγω της απουσίας μόνιμων μαγνητών, δεν υπάρχει ροπή συγκράτησης όταν στέκεστε ακίνητοι.

Υβριδικός βηματικός κινητήρας:
Ο υβριδικός βηματικός κινητήρας έχει έναν οδοντωτό ρότορα με μόνιμους μαγνήτες και έναν οδοντωτό στάτορα με οκτώ πηνία με ένα μικρό διάκενο αέρα μεταξύ του ρότορα και του στάτορα. Ο ρότορας αποτελείται από δύο γρανάζια μετατοπισμένα κατά 3,6° μεταξύ τους. Υπάρχει ένας μεγάλος μαγνήτης στο εσωτερικό του ρότορα. Πάνω από τον μαγνήτη πιέζονται δύο ατσάλινα γρανάζια. Τα γρανάζια γίνονται επίσης μαγνητικά λόγω της παρουσίας του μαγνήτη. Το ένα γρανάζι μαγνητίζεται ως ο βόρειος πόλος και το άλλο ως ο νότιος πόλος. Κάθε δόντι στον ρότορα γίνεται μαγνητικός πόλος. Ως εκ τούτου, μιλάμε για τον «ρότορα του βόρειου πόλου» και τον «ρότορα του νότιου πόλου». Λόγω της αλλαγής των ταχυτήτων, ο βόρειος και ο νότιος πόλος θα εναλλάσσονται κατά την περιστροφή. Κάθε γρανάζι έχει 50 δόντια.

Τη στιγμή που ο οδηγός βηματικού κινητήρα μεταφέρει ρεύμα μέσω ενός πηνίου στάτορα, το πηνίο γίνεται μαγνητικό. Οι βόρειοι πόλοι των πηνίων θα έλκουν τους νότιους πόλους του ρότορα, προκαλώντας τη στροφή του ρότορα.

Οι τρεις παρακάτω εικόνες δείχνουν τον έλεγχο των δύο φάσεων (κόκκινο και πορτοκαλί) του υβριδικού βηματικού κινητήρα.

A. Ο ρότορας του βηματικού κινητήρα έχει περιστραφεί στην τρέχουσα θέση του (δείτε την εικόνα) επειδή τα πηνία που εμφανίζονται έχουν γίνει μαγνητικά.

Το πράσινο γρανάζι είναι ο νότιος πόλος, ο οποίος έλκεται από τους βόρειους πόλους στον στάτορα.
Τα δόντια μεταξύ του ρότορα και του στάτορα είναι ευθυγραμμισμένα μεταξύ τους στα σημεία όπου έχει τραβηχτεί ο ρότορας. Για λόγους σαφήνειας, αυτά τα σημεία υποδεικνύονται με μαύρο σημάδι και στις τρεις περιπτώσεις.
Το κόκκινο γρανάζι βρίσκεται πίσω από το πράσινο γρανάζι. Επειδή τα γρανάζια περιστρέφονται μεταξύ τους, τα κόκκινα δόντια είναι ορατά. Οι βόρειοι πόλοι στον ρότορα έλκονται από τους νότιους πόλους του στάτορα.

Β. Ο έλεγχος έχει αλλάξει φάσεις. Το μαγνητικό πεδίο μεταξύ των πορτοκαλί πηνίων και του ρότορα έχει εξαφανιστεί. Τώρα τα πηνία της «κόκκινης» φάσης ελέγχονται, προκαλώντας τη δημιουργία του μαγνητικού πεδίου μεταξύ των κόκκινων πηνίων και του ρότορα.

Ως αποτέλεσμα της εναλλαγής του μαγνητικού πεδίου από το πορτοκαλί στα κόκκινα πηνία, ο ρότορας περιστρέφεται κατά 1,8° δεξιόστροφα.
Για να περιστρέψετε τον ρότορα αριστερόστροφα αντί για δεξιόστροφα, η πολικότητα (κατεύθυνση του ρεύματος) έπρεπε να αντιστραφεί μέσω των κόκκινων συνδέσεων. Άλλωστε, η κατεύθυνση του ρεύματος μέσω του πηνίου καθορίζει την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου, άρα και τη «θέση» του βόρειου και του νότιου πόλου.

Γ. Το χειριστήριο άλλαξε ξανά φάση και ο ρότορας έχει γυρίσει πάλι δεξιόστροφα κατά 1,8°.

Τα ίδια πηνία όπως στην κατάσταση Α ενεργοποιούνται, αλλά η πολικότητα στα πορτοκαλί καλώδια έχει αντιστραφεί.
Ο ρότορας μπορεί να περιστραφεί ξανά αριστερόστροφα ελέγχοντας τα πηνία όπως φαίνεται στην κατάσταση Β.
Για να περιστρέφεται ο ρότορας δεξιόστροφα, ενεργοποιούνται επίσης τα κόκκινα πηνία, αλλά η πολικότητα αντιστρέφεται σε σύγκριση με την κατάσταση Β.

Στα παραπάνω παραδείγματα μπορεί να φανεί ότι ο ρότορας του βόρειου πόλου έλκεται από ένα πηνίο του νότιου πόλου και ταυτόχρονα ο ρότορας του νότιου πόλου έλκεται από ένα πηνίο του βόρειου πόλου. Αυτό διασφαλίζει ότι ο υβριδικός βηματικός κινητήρας κάνει πολύ ακριβείς κινήσεις και επίσης έχει υψηλή ροπή.

Ο υβριδικός βηματικός κινητήρας μπορεί να εξοπλιστεί με περισσότερα ζεύγη πόλων και περισσότερα δόντια στον ρότορα, επιτρέποντας βήματα έως και 0,728° και 500 βήματα ανά περιστροφή.

Σχετικές σελίδες: