Trinnmotor

Emner:

introduksjon
Permanent magnet trinnmotor (PM-type)
Variabel reluktans trinnmotor (VR)
Hybrid trinnmotor

Forord:
En trinnmotor kan, som navnet antyder, justeres i flere trinn. Antall trinn kan variere. Avhengig av applikasjonen kan trinnmotoren justeres fra 4 til 200 trinn per rotasjon, noe som kan utgjøre en kontrollert rotasjon på 0,8° rotorrotasjon.
Vinkelrotasjonen til en trinnmotor kan bestemmes svært nøyaktig. Trinnmotoren er i utgangspunktet én synkron DC elektrisk motor uten kullbørster fordi delene og kontrollmetodene er veldig like, men den skiller seg likevel fra denne DC-motoren ved følgende egenskaper:

En trinnmotor har et relativt stort dreiemoment ved lave hastigheter og kan derfor starte svært raskt fra stillestående;
Bevegelsen til en trinnmotor er langsom og veldig presis. DC-motoren brukes for å kunne gå raskt over lang tid;
Rotasjonshastigheten og posisjonen til trinnmotoren styres av et styresignal fra styreenheten. Dette betyr at ingen posisjonssensor eller annen form for tilbakemelding er nødvendig;
En trinnmotor lager mer støy og gir flere vibrasjoner sammenlignet med en børsteløs DC-motor.

Trinnmotoren brukes mange steder i bilen for å få deler til å gjøre en kontrollert elektrisk bevegelse. Nedenfor er tre applikasjoner der trinnmotoren kan finnes, nemlig: for tomgangskontroll, viserne i instrumentpanelet og varmeventilene for ventilasjonskontroll.

Trinnmotor for tomgangskontroll:
Gassventilen til en bensinmotor er stengt i hvile. En liten åpning er nødvendig for å la motoren gå på tomgang. Passasjen må også være justerbar, fordi temperaturen og belastningen (f.eks. når forbrukere som klimaanleggspumpen er slått på) påvirker den nødvendige mengden sugeluft.
I moderne motorer er posisjonen til gassventilen nøyaktig kontrollert. Vi finner også systemer der strupeventilen er helt lukket og luften ledes rundt strupeventilen via en bypass-kontroll. Luftsirkulasjonen kan realiseres enten via en PWM-styrt DC-motor eller med en trinnmotor. Se siden om Gasspedal.

De tre bildene nedenfor er av en trinnmotor som fungerer som tomgangskontroller. Åpningen av omløpet styres av akselen med den koniske enden. Dreiing av ankeret i trinnmotoren resulterer i en rotasjon av snekkegiret.

Vri mot klokken: snekkegir dreier innover (stor åpning i bypass);
Rotasjon med klokken: snekkegir roterer utover (liten åpning i bypass).

Instrumentpanel:
Instrumentpanelet er ofte utstyrt med flere trinnmotorer for tanknivåmåler, speedometer, turteller, motortemperatur og i eksemplet under også forbruksmåler under turtelleren. Instrumentpanelet til en BMW er vist nedenfor.

På baksiden (innsiden) av instrumentpanelet finner vi de fem trinnmotorene med sort hus. Til høyre ser vi den aktuelle trinnmotoren uten hus. Her kan du tydelig se de to spolene og de fire koblingene (to venstre, to høyre) som vi kan gjenkjenne den bipolare trinnmotoren på. Trinnmotoren kan justere pekernålene i små trinn. Kommandoen for å justere kommer fra ECU-en i instrumentgruppen.

Følgende diagram viser inngangene og utgangene til trinnmotordriveren. Dette er IC i instrumentgruppen som oversetter innkommende informasjon til en utgang for trinnmotoren:

drivstoffnivå i tanken (tankflottør);
kjøretøyhastighet (pulsgenerator i girkasse eller ABS-sensorer);
motorhastighet (veivakselposisjonssensor);
temperatur (kjølevæsketemperaturføler).

I blokkskjemaet viser de røde og grønne pilene koblingene (A til D) på spolene i trinnmotoren.

Luftstyreventiler i komfyrhuset:
Vi finner ofte trinnmotorer i de elektronisk betjente lufteventilene i stovehus. Bildene nedenfor viser et bilde av en lufttemperaturventil (til venstre) og en illustrasjon av installasjonsposisjonen (til høyre). Trinnmotoren driver ventilen ved hjelp av mekanismen, hvor nummer 4 i illustrasjonen indikerer dreiepunktet. Hvis trinnmotoren fungerer feil, eller etter utskifting, må start- og sluttposisjoner gjøres kjent i ECU. Med diagnoseutstyr kan vi lære ventilstoppene, slik at ECU vet når ventilen er helt åpen eller lukket, slik at den også kan bestemme hvor lenge den skal drive trinnmotoren for å delvis åpne ventilen.

Permanent magnet trinnmotor (PM-type):
Denne typen trinnmotor har en rotor med permanent magnet. Fordelen med denne trinnmotoren er dens enkle konstruksjon og derfor en lav kostpris. Nedenfor er informasjon om driften av denne trinnmotoren.

Rotoren til trinnmotoren kan gjøre en full rotasjon med flere mellomtrinn. I eksemplet i de fire bildene nedenfor vises fire mellomtrinn per rotasjon. Rotoren kan derfor stoppes hver 90. grader. Den venstre trinnmotoren er i posisjon 1, med nordpolen til rotoren øverst og sørpolen nederst. For å bevege rotoren 90 grader med klokken, avbrytes strømmen til spolen med terminalene C og D og den andre spolen aktiveres. Dette kan sees i den andre trinnmotoren. Den venstre polskoen blir rød (nordpolen) og den høyre blir svart (sørpolen). Dette vil sette rotoren i posisjon 2.

Dette fungerer også på denne måten med innstillinger 3 og 4; spolen mellom C og D er energisert for posisjon 3, men strømmen går i motsatt retning som i posisjon 1. Den øvre polskoen er nå nordpolen og den nedre er sydpolen. Rotoren vil nå være i posisjon 3. For posisjon 4 aktiveres bunnspolen igjen og rotoren vil rotere til posisjon 4.

Den fire-trinns trinnmotoren kan stoppes hver 90. grader. Hvis dette ikke er tilstrekkelig for applikasjonen som trinnmotoren brukes til, kan den også stilles inn i åtte trinn. Dette er mulig med samme trinnmotor, men under disse mellomtrinnene vil begge spolene bli aktivert samtidig.

Bildet nedenfor viser disse mellomtrinnene. Dette er trinn 5 til 8. Som du kan se, er innstilling 5 mellom trinn 1 og 2. Det samme gjelder trinn 6 (mellom trinn 2 og 3) osv. Under disse mellomtrinnene går det en strøm gjennom begge spolene.
Når rotoren skal dreies til trinn 5, går det en strøm i både den nedre spolen fra A til B og den øvre spolen fra C til D. Så det er nå to nordpoler (de røde polskoene) og to sydpoler (de sorte polskoene). Rotoren vil være i posisjon 5.

For å rotere rotoren 45 grader videre (til posisjon 2), gjelder diagrammet for trinnmotoren med fire posisjoner igjen. Bunnspolen vil bli energisert igjen for å la en strøm flyte fra A til B.
Hvis trinnmotoren deretter dreies 45 grader videre (til posisjon 6), vil bildet ovenfor gjelde igjen, med begge spoler aktivert.

Trinnmotoren styres alltid av en kontrollenhet. Transistorene i styreenhetens driver-IC gir strømforsyning og -utladning til og fra polskoene. Kontrollenheten inneholder åtte transistorer. Ved å styre disse åtte transistorene riktig vil trinnmotoren gjøre en fullstendig omdreining i fire eller åtte trinn. Rotasjonen kan være i to retninger; venstre og høyre. Kontrollenheten sørger for at de riktige transistorene gjøres ledende.

På bildet ser vi en steppermotor som styres av en kontrollenhet. Transistor 1 og 4 er slått på. For å tydeliggjøre kontrollen er transistorene og ledningene farget røde og brune. Transistor 1 (rød) kobler terminal A til positiv og transistor 4 (brun) kobler terminal B til jord.

Fordi transistorene 2 og 3 ikke er slått på, flyter ingen strøm gjennom dem. Hvis dette var tilfelle, ville det oppstå en kortslutning.
På bildet er trinnmotoren rotert litt lenger. For dette formål må også transistorene 6 og 7 gjøres ledende.

For å la trinnmotoren rotere litt lenger, stopper ledningen til transistorene 1 og 4. Bare transistorene 6 og 7 leder fortsatt, noe som får trinnmotoren til å innta posisjon 3.

For neste trinn må transistor 2 og 3 slås på.

Variabel reluktans trinnmotor (VR):
Som trinnmotoren med permanent magnet, inneholder trinnmotoren med variabel reluktans statorpoler med spoler. Den skiller seg fra den tidligere omtalte trinnmotoren med sin tannrotor laget av ferromagnetisk metall, som nikkel eller jern. Dette betyr at rotoren ikke er magnetisk. Denne typen trinnmotor brukes sjelden i dag.

Statorspolen på den ene siden (A) er viklet motsatt vei som spolen på den andre siden (A'). Det samme gjelder selvfølgelig for B og B' osv. Rotorens tenner tiltrekkes av den magnetiske fluksen som skapes ved å aktivere statorspolene.

Fordelene med VR-trinnmotoren sammenlignet med versjonen med permanente magneter er:

På grunn av fraværet av permanente magneter er produksjonen av VR-trinnmotoren mindre skadelig for miljøet;
Det er ikke nødvendig å reversere polariteten til statorspolene. Dette gir enklere kontroll;

Ulempene er:

Lavt dreiemoment;
Lav nøyaktighet;
Høyere støyproduksjon. Antallet søknader, inkludert bilindustrien, er derfor begrenset;
På grunn av fraværet av permanente magneter er det ikke holdemoment når du står stille.

Hybrid trinnmotor:
Hybridtrinnmotoren har en tannet rotor med permanente magneter og en tannet stator med åtte spoler med et lite luftgap mellom rotoren og stator. Rotoren består av to gir forskjøvet med 3,6° fra hverandre. Det er en stor magnet på innsiden av rotoren. To stålgir presses over magneten. Tannhjulene blir også magnetiske på grunn av tilstedeværelsen av magneten. Det ene giret er magnetisert som nordpolen og det andre som sørpolen. Hver tann på rotoren blir en magnetisk pol. Vi snakker derfor om «nordpolrotoren» og «sørpolrotoren». På grunn av skiftingen av girene vil nord- og sørpolen veksle under rotasjon. Hvert tannhjul har 50 tenner.

I det øyeblikket trinnmotordriveren leder strøm gjennom en statorspole, blir spolen magnetisk. Nordpolene til spolene vil tiltrekke seg sørpolene til rotoren, noe som får rotoren til å snu.

De tre bildene nedenfor viser kontrollen av de to fasene (rød og oransje) til hybrid-trinnmotoren.

A. Rotoren til trinnmotoren har rotert til sin nåværende posisjon (se figuren) fordi de viste spolene er gjort magnetiske.

Det grønne tannhjulet er sørpolen, som tiltrekkes av nordpolene på statoren;
Tennene mellom rotoren og statoren er på linje med hverandre på de stedene der rotoren har blitt trukket. For klarhets skyld er disse punktene angitt med et svart merke i alle tre situasjonene;
Det røde giret er bak det grønne giret. Fordi tannhjulene er rotert i forhold til hverandre, er de røde tennene synlige. Nordpolene på rotoren tiltrekkes mot sørpolene på statoren.

B. Kontrollen har endret faser. Magnetfeltet mellom de oransje spolene og rotoren har forsvunnet. Nå styres spolene til den "røde" fasen, noe som får magnetfeltet til å bygges opp mellom de røde spolene og rotoren.

Som et resultat av å endre magnetfeltet fra oransje til røde spoler, roterer rotoren 1,8° med klokken;
For å rotere rotoren mot klokken i stedet for med klokken, måtte polariteten (strømmens retning) snus gjennom de røde koblingene. Tross alt bestemmer strømretningen gjennom spolen retningen til magnetfeltet, og derfor "posisjonen" til nord- og sørpolen.

C. Styringen har endret fase igjen og rotoren har snudd med klokken igjen med 1,8°.

De samme spolene som i situasjon A er aktivert, men polariteten på de oransje ledningene har blitt reversert;
Rotoren kan dreies mot klokken igjen ved å kontrollere spolene som vist i situasjon B;
For å få rotoren til å dreie med klokken, aktiveres også de røde spolene, men polariteten er reversert sammenlignet med situasjon B.

I eksemplene ovenfor kan det sees at nordpolrotoren er tiltrukket av en sørpolspole og samtidig blir sørpolrotoren tiltrukket av en nordpolspole. Dette sikrer at hybrid-trinnmotoren gjør svært presise bevegelser og har også et høyt dreiemoment.

Hybridtrinnmotoren kan utstyres med flere polpar og flere tenner på rotoren, noe som tillater trinn på opptil 0,728° og 500 trinn per omdreining.

Relaterte sider: