Temos:
- Įvadas
- Nuolatinio magneto žingsninis variklis (PM tipo)
- Kintamo pasipriešinimo žingsninis variklis (VR)
- Hibridinis žingsninis variklis
Įvadas:
Žingsninis variklis, kaip rodo pavadinimas, gali būti reguliuojamas keliais žingsniais. Žingsnių skaičius gali skirtis. Priklausomai nuo taikymo, žingsninis variklis gali reguliuoti nuo 4 iki 200 žingsnių vienam apsisukimui, o tai gali prilygti valdomam 0,8° rotoriaus sukimuisi.
Žingsninio variklio kampinį sukimąsi galima nustatyti labai tiksliai. Žingsninis variklis iš esmės yra vienas sinchroninis nuolatinės srovės elektros variklis be anglinių šepetėlių, nes dalys ir valdymo būdai yra labai panašūs, tačiau jis vis dėlto skiriasi nuo šio nuolatinės srovės variklio šiomis savybėmis:
- Žingsninis variklis turi santykinai didelį sukimo momentą esant mažam greičiui, todėl gali labai greitai įsijungti iš vietos;
- Žingsninio variklio judėjimas yra lėtas ir labai tikslus. Nuolatinės srovės variklis naudojamas tam, kad galėtų greitai veikti ilgą laiką;
- Žingsninio variklio sukimosi greitis ir padėtis yra valdomi valdymo signalu iš valdymo bloko. Tai reiškia, kad nereikia padėties jutiklio ar kitokio grįžtamojo ryšio;
- Žingsninis variklis skleidžia daugiau triukšmo ir daugiau vibracijos, palyginti su nuolatinės srovės varikliu be šepetėlių.
Žingsninis variklis naudojamas daugelyje automobilio vietų, kad dalys atliktų kontroliuojamą elektrinį judėjimą. Žemiau pateikiamos trys programos, kuriose galima rasti žingsninį variklį, būtent: tuščiosios eigos valdymui, prietaisų skydelio rodyklėms ir šildytuvo vožtuvams ventiliacijai valdyti.
Žingsninis variklis tuščiosios eigos valdymui:
Benzininio variklio droselio sklendė ramybės būsenoje yra uždaryta. Kad variklis veiktų tuščiąja eiga, reikalinga nedidelė anga. Praėjimas taip pat turi būti reguliuojamas, nes temperatūra ir apkrova (pvz., kai įjungiami tokie vartotojai kaip oro kondicionavimo siurblys) įtakoja reikiamą įsiurbto oro kiekį.
Šiuolaikiniuose varikliuose droselio sklendės padėtis yra tiksliai valdoma. Taip pat randame sistemų, kuriose droselio sklendė yra visiškai uždaryta, o oras aplink droselio sklendę nukreipiamas per aplinkkelio valdiklį. Oro cirkuliacija gali būti vykdoma naudojant PWM valdomą nuolatinės srovės variklį arba žingsninį variklį. Žiūrėkite puslapį apie droselis.
Toliau pateikti trys vaizdai yra žingsninis variklis, kuris veikia kaip tuščiosios eigos greičio reguliatorius. Apylankos atidarymą valdo velenas su kūginiu galu. Sukant žingsninio variklio armatūrą, sukasi sliekinė pavara.
- Sukite prieš laikrodžio rodyklę: sliekinė pavara sukasi į vidų (didelė anga aplinkkelyje);
- Sukimas pagal laikrodžio rodyklę: sliekinė pavara sukasi į išorę (maža anga aplinkkelyje).
Prietaisų skydelis:
Prietaisų skydelyje dažnai įrengiami keli žingsniniai varikliai, skirti bako lygio matuokliui, spidometrui, tachometrui, variklio temperatūrai ir toliau pateiktame pavyzdyje taip pat sąnaudų matuokliui po tachometru. Žemiau parodytas BMW prietaisų skydelis.
Prietaisų skydelio gale (viduje) randame penkis žingsninius variklius su juodu korpusu. Dešinėje matome nagrinėjamą žingsninį variklį be korpuso. Čia galite aiškiai matyti dvi rites ir keturias jungtis (dvi kairiosios, dvi dešinės), pagal kurias galime atpažinti dvipolį žingsninį variklį. Žingsninis variklis gali reguliuoti rodyklės adatas mažais žingsneliais. Reguliavimo komanda gaunama iš ECU prietaisų skydelyje.
Toliau pateiktoje diagramoje pavaizduoti žingsninio variklio tvarkyklės įėjimai ir išėjimai. Tai yra prietaisų skydelyje esantis IC, kuris gaunamą informaciją paverčia žingsninio variklio išvestimi:
- kuro lygis bake (bako plūdė);
- transporto priemonės greitis (impulsų generatorius pavarų dėžėje arba ABS jutikliai);
- variklio sūkių skaičius (alkūninio veleno padėties jutiklis);
- temperatūra (aušinimo skysčio temperatūros jutiklis).
Blokinėje diagramoje raudonos ir žalios rodyklės rodo jungtis (A iki D) ant žingsninio variklio ritės.
Oro kreipimo vožtuvai krosnyje:
Dažnai randame žingsninius variklius elektroniniu būdu valdomuose oro išleidimo vožtuvuose krosnis namas. Toliau pateiktuose paveikslėliuose parodyta oro temperatūros vožtuvo nuotrauka (kairėje) ir montavimo padėties iliustracija (dešinėje). Žingsninis variklis valdo vožtuvą mechanizmu, kur skaičius 4 paveiksle nurodo sukimosi tašką. Jei žingsninis variklis veikia netinkamai arba po pakeitimo, ECU turi būti nurodytos pradžios ir pabaigos padėtys. Naudodami diagnostikos įrangą galime sužinoti vožtuvo sustojimus, kad ECU žinotų, kada vožtuvas yra visiškai atidarytas arba uždarytas, kad jis taip pat galėtų nustatyti, kiek laiko turėtų važiuoti žingsninis variklis, kad iš dalies atidarytų vožtuvą.
Nuolatinio magneto žingsninis variklis (PM tipas):
Šio tipo žingsninis variklis turi rotorių su nuolatiniu magnetu. Šio žingsninio variklio pranašumas yra jo paprasta konstrukcija ir dėl to nedidelė kaina. Žemiau pateikiama informacija apie šio žingsninio variklio veikimą.
Žingsninio variklio rotorius gali visiškai apsisukti keliais tarpiniais žingsniais. Pavyzdyje, esančiame toliau pateiktuose keturiuose paveikslėliuose, kiekvienam apsisukimui parodyti keturi tarpiniai žingsniai. Todėl rotorius gali būti sustabdytas kas 90 laipsnių. Kairysis žingsninis variklis yra 1 padėtyje, o šiaurinis rotoriaus polius yra viršuje, o pietinis – apačioje. Norint pasukti rotorių 90 laipsnių pagal laikrodžio rodyklę, srovė į ritę su gnybtais C ir D nutrūksta, o kita ritė įjungiama. Tai galima pamatyti antrajame žingsniniame variklyje. Kairiojo poliaus batas pasidaro raudonas (šiaurės ašigalis), o dešinysis - juodas (pietų ašigalis). Tai nustatys rotorių į 2 padėtį.
Tai taip pat veikia su 3 ir 4 nustatymais; ritė tarp C ir D yra įjungta 3 padėtyje, tačiau srovė teka priešinga kryptimi, kaip ir 1 padėtyje. Viršutinis polius dabar yra šiaurinis polius, o apatinis - pietinis. Dabar rotorius bus 3 padėtyje. 4 padėtyje apatinė ritė vėl įjungiama, o rotorius pasisuks į 4 padėtį.
Keturių greičių žingsninis variklis gali būti sustabdytas kas 90 laipsnių. Jei to nepakanka programai, kuriai naudojamas žingsninis variklis, jį taip pat galima nustatyti aštuoniais žingsniais. Tai įmanoma naudojant tą patį žingsninį variklį, tačiau atliekant šiuos tarpinius veiksmus abi ritės bus maitinamos vienu metu.
Žemiau esančiame paveikslėlyje parodyti šie tarpiniai žingsniai. Tai yra 5–8 žingsniai. Kaip matote, 5 nustatymas yra tarp 1 ir 2 žingsnių. Tas pats pasakytina ir apie 6 žingsnį (tarp 2 ir 3 žingsnių) ir tt Per šiuos tarpinius etapus srovė teka abiem ritėmis.
Kai rotorius turi būti pasuktas į 5 žingsnį, srovė teka tiek apatinėje ritėje nuo A iki B, tiek viršutinėje ritėje iš C į D. Taigi dabar yra du šiauriniai ašigaliai (raudonieji polių batai) ir du pietų ašigaliai (juodo stulpo batai). Rotorius bus 5 padėtyje.
Norint pasukti rotorių 45 laipsniais toliau (į 2 padėtį), vėl taikoma žingsninio variklio schema su keturiomis pozicijomis. Apatinė ritė vėl bus įjungta, kad srovė galėtų tekėti iš A į B.
Jei žingsninis variklis pasukamas dar 45 laipsniais (į 6 padėtį), pirmiau pateiktas vaizdas vėl bus taikomas, kai abi ritės bus įjungtos.
Žingsninis variklis visada valdomas valdymo įtaisu. Valdymo įtaiso vairuotojo IC tranzistoriai tiekia ir išleidžia srovę į polių batus ir iš jų. Valdymo bloke yra aštuoni tranzistoriai. Teisingai valdydamas šiuos aštuonis tranzistorius, žingsninis variklis atliks pilną apsisukimą keturiais ar aštuoniais žingsniais. Sukimasis gali būti dviem kryptimis; kairė ir dešinė. Valdymo įtaisas užtikrina, kad tinkami tranzistoriai būtų laidūs.
Nuotraukoje matome žingsninį variklį, kuris valdomas valdymo įtaisu. 1 ir 4 tranzistoriai yra įjungti. Norėdami paaiškinti valdymą, tranzistoriai ir laidai yra raudonos ir rudos spalvos. 1 tranzistorius (raudonas) jungia gnybtą A prie teigiamo, o tranzistorius 4 (rudas) jungia gnybtą B prie žemės.
Kadangi tranzistoriai 2 ir 3 neįjungti, per juos neteka srovė. Jei taip būtų, įvyktų trumpasis jungimas.
Nuotraukoje žingsninis variklis pasuktas šiek tiek toliau. Šiuo tikslu tranzistoriai 6 ir 7 taip pat turi būti laidūs.
Kad žingsninis variklis galėtų suktis šiek tiek toliau, 1 ir 4 tranzistorių laidumas sustoja. Vis dar veikia tik tranzistoriai 6 ir 7, todėl žingsninis variklis užima 3 padėtį.
Kitam žingsniui reikia įjungti 2 ir 3 tranzistorius.
Kintamo pasipriešinimo žingsninis variklis (VR):
Kaip ir nuolatinio magneto žingsninis variklis, kintamo pasipriešinimo žingsninis variklis turi statoriaus polius su ritėmis. Jis skiriasi nuo anksčiau aptarto žingsninio variklio dantytu rotoriu, pagamintu iš feromagnetinio metalo, pavyzdžiui, nikelio ar geležies. Tai reiškia, kad rotorius nėra magnetinis. Šio tipo žingsninis variklis šiais laikais naudojamas retai.
Statoriaus ritė vienoje pusėje (A) suvyniota priešingai nei kitos pusės (A'). Tas pats, be abejo, galioja ir B ir B' ir tt Rotoriaus dantis traukia magnetinis srautas, sukuriamas įjungiant statoriaus rites.
VR žingsninio variklio pranašumai, palyginti su versija su nuolatiniais magnetais:
- Kadangi nėra nuolatinių magnetų, VR žingsninio variklio gamyba yra mažiau kenksminga aplinkai;
- Statoriaus ritių poliškumo keisti nebūtina. Tai leidžia lengviau valdyti;
Trūkumai yra šie:
- Mažas sukimo momentas;
- mažas tikslumas;
- Didesnė triukšmo gamyba. Todėl paraiškų skaičius, įskaitant automobilių pramonę, yra ribotas;
- Kadangi nėra nuolatinių magnetų, stovint vietoje nėra išlaikymo momento.
Hibridinis žingsninis variklis:
Hibridinis žingsninis variklis turi dantytą rotorių su nuolatiniais magnetais ir dantytą statorių su aštuoniomis ritėmis su nedideliu oro tarpu tarp rotoriaus ir statoriaus. Rotorius susideda iš dviejų krumpliaračių, nukrypusių viena nuo kitos 3,6°. Rotoriaus vidinėje pusėje yra didelis magnetas. Virš magneto prispaudžiamos dvi plieninės krumpliaračiai. Pavaros taip pat tampa magnetinės dėl magneto buvimo. Viena pavara yra įmagnetinta kaip šiaurinis ašigalis, o kita - kaip pietų ašigalis. Kiekvienas rotoriaus dantis tampa magnetiniu poliu. Todėl mes kalbame apie „Šiaurės ašigalio rotorių“ ir „Pietų ašigalio rotorių“. Dėl pavarų perjungimo sukimosi metu pakaitomis keisis šiaurinis ir pietinis poliai. Kiekviena pavara turi 50 dantų.
Tuo momentu, kai žingsninio variklio vairuotojas praleidžia srovę per statoriaus ritę, ritė tampa magnetinė. Ričių šiauriniai poliai pritrauks pietinius rotoriaus polius, todėl rotorius pasisuks.
Trijuose toliau pateiktuose paveikslėliuose parodytas hibridinio žingsninio variklio dviejų fazių (raudonos ir oranžinės) valdymas.
A. Žingsninio variklio rotorius pasisuko į dabartinę padėtį (žr. pav.), nes parodytos ritės buvo magnetinės.
- Žalia pavara yra pietinis ašigalis, kuris traukiamas į statoriaus šiaurinius ašigalius;
- Dantys tarp rotoriaus ir statoriaus yra sulygiuoti vienas su kitu tose vietose, kur buvo traukiamas rotorius. Aiškumo dėlei visose trijose situacijose šie taškai pažymėti juodu ženklu;
- Raudona pavara yra už žalios pavaros. Kadangi krumpliaračiai sukasi vienas kito atžvilgiu, matomi raudoni dantys. Rotoriaus šiauriniai poliai pritraukiami prie statoriaus pietinių polių.
B. Valdymas pakeitė fazes. Magnetinis laukas tarp oranžinių ritinių ir rotoriaus išnyko. Dabar „raudonosios“ fazės ritės yra valdomos, todėl magnetinis laukas susidaro tarp raudonųjų ritių ir rotoriaus.
- Dėl magnetinio lauko perjungimo iš oranžinės spalvos į raudonus ritinius rotorius sukasi 1,8° pagal laikrodžio rodyklę;
- Norint sukti rotorių prieš laikrodžio rodyklę, o ne pagal laikrodžio rodyklę, per raudonas jungtis reikėjo pakeisti poliškumą (srovės kryptį). Juk srovės kryptis per ritę lemia magnetinio lauko kryptį, taigi ir šiaurės bei pietų polių „padėtį“.
C. Valdiklis vėl pakeitė fazę ir rotorius vėl pasisuko pagal laikrodžio rodyklę 1,8°.
- Tos pačios ritės, kaip ir A situacijoje, yra maitinamos, tačiau oranžinių laidų poliškumas buvo pakeistas;
- Rotorių galima vėl sukti prieš laikrodžio rodyklę valdant ritinius, kaip parodyta B situacijoje;
- Kad rotorius suktųsi pagal laikrodžio rodyklę, raudonos ritės taip pat įjungiamos, tačiau poliškumas yra priešingas, palyginti su situacija B.
Aukščiau pateiktuose pavyzdžiuose matyti, kad šiaurinio poliaus rotorius yra pritraukiamas pietų poliaus ritės ir tuo pačiu metu pietų poliaus rotorius pritraukiamas prie šiaurinio poliaus ritės. Tai užtikrina, kad hibridinis žingsninis variklis atlieka labai tikslius judesius ir turi didelį sukimo momentą.
Hibridiniame žingsniniame variklyje gali būti daugiau polių porų ir daugiau rotoriaus dantų, leidžiančių žingsnius iki 0,728° ir 500 žingsnių per apsisukimą.
