Motor pas cu pas

Subiecte:

introducere
Motor pas cu magnet permanent (tip PM)
Motor pas cu reluctanță variabilă (VR)
Motor pas cu pas hibrid

Introducere:
Un motor pas cu pas, după cum sugerează și numele, poate fi reglat în mai mulți pași. Numărul de pași poate varia. În funcție de aplicație, motorul pas cu pas se poate regla de la 4 la 200 de trepte pe rotație, ceea ce poate echivala cu o rotație controlată de rotație a rotorului de 0,8°.
Rotația unghiulară a unui motor pas cu pas poate fi determinată foarte precis. Motorul pas cu pas este practic unul singur motor electric sincron DC fără perii de cărbune, deoarece piesele și metodele de control sunt foarte asemănătoare, dar se distinge totuși de acest motor DC prin următoarele proprietăți:

Un motor pas cu pas are un cuplu relativ mare la viteze mici și, prin urmare, poate porni foarte repede de la oprire;
Mișcarea unui motor pas cu pas este lentă și foarte precisă. Motorul de curent continuu este folosit pentru a putea funcționa rapid pentru o perioadă lungă de timp;
Viteza de rotație și poziția motorului pas cu pas sunt controlate de un semnal de control de la unitatea de control. Aceasta înseamnă că nu este necesar niciun senzor de poziție sau altă formă de feedback;
Un motor pas cu pas face mai mult zgomot și provoacă mai multe vibrații în comparație cu un motor DC fără perii.

Motorul pas cu pas este folosit în multe locuri în mașină pentru a face piesele să facă o mișcare electrică controlată. Mai jos sunt trei aplicații în care se găsește motorul pas cu pas și anume: pentru controlul în gol, mâinile în tabloul de bord și supapele de încălzire pentru controlul ventilației.

Motor pas cu pas pentru controlul la ralanti:
Supapa de accelerație a unui motor pe benzină este închisă în repaus. Este necesară o mică deschidere pentru a permite motorului să funcționeze la ralanti. De asemenea, trecerea trebuie să fie reglabilă, deoarece temperatura și sarcina (de exemplu, atunci când consumatorii precum pompa de aer condiționat sunt porniți) influențează cantitatea necesară de aer aspirat.
La motoarele moderne, poziția supapei de accelerație este controlată cu precizie. De asemenea, găsim sisteme în care supapa de accelerație este complet închisă, iar aerul este ghidat în jurul supapei de accelerație printr-un control bypass. Circulația aerului poate fi realizată fie printr-un motor DC controlat prin PWM, fie printr-un motor pas cu pas. Vezi pagina despre regulator.

Cele trei imagini de mai jos sunt ale unui motor pas cu pas care servește drept regulator de turație în gol. Deschiderea bypass-ului este controlată de arborele cu capătul conic. Rotirea armăturii în motorul pas cu pas are ca rezultat o rotație a angrenajului melcat.

Rotiți în sens invers acelor de ceasornic: angrenajul melcat se rotește spre interior (deschidere mare în bypass);
Rotire în sensul acelor de ceasornic: angrenajul melcat se rotește spre exterior (deschidere mică în bypass).

Panou de instrumente:
Panoul de bord este adesea echipat cu mai multe motoare pas cu pas pentru contorul de nivel al rezervorului, vitezometrul, turometrul, temperatura motorului și în exemplul de mai jos și contorul de consum de sub turometru. Panoul de bord al unui BMW este prezentat mai jos.

În partea din spate (în interior) a panoului de bord găsim cele cinci motoare pas cu pas cu carcasă neagră. În dreapta vedem motorul pas cu pas în cauză fără carcasă. Aici puteți vedea clar cele două bobine și cele patru conexiuni (două stânga, două dreapta) prin care putem recunoaște motorul pas cu pas bipolar. Motorul pas cu pas poate regla acele indicatori în pași mici. Comanda de reglare vine de la ECU din panoul de instrumente.

Următoarea diagramă prezintă intrările și ieșirile driverului de motor pas cu pas. Acesta este CI din grupul de instrumente care traduce informațiile primite într-o ieșire pentru motorul pas cu pas:

nivelul combustibilului din rezervor (flotatorul rezervorului);
viteza vehiculului (generator de impulsuri în cutie de viteze sau senzori ABS);
turația motorului (senzor de poziție arbore cotit);
temperatură (senzor temperatură lichid de răcire).

În schema bloc, săgețile roșii și verzi arată conexiunile (de la A la D) pe bobinele motorului pas cu pas.

Supape de ghidare a aerului în casa aragazului:
Găsim adesea motoare pas cu pas în supapele de aerisire acționate electronic din casa aragazului. Imaginile de mai jos prezintă o fotografie a unei supape de temperatură a aerului (stânga) și o ilustrare a poziției de instalare (dreapta). Motorul pas cu pas acţionează supapa prin intermediul mecanismului, unde numărul 4 din ilustraţie indică punctul de pivotare. Dacă motorul pas cu pas funcționează incorect sau după înlocuire, pozițiile de pornire și de sfârșit trebuie făcute cunoscute în ECU. Cu echipamentele de diagnosticare putem afla opririle supapei, astfel încât ECU să știe când supapa este complet deschisă sau închisă, astfel încât să poată determina și cât timp ar trebui să conducă motorul pas cu pas pentru a deschide parțial supapa.

Motor pas cu magnet permanent (tip PM):
Acest tip de motor pas cu pas are un rotor cu magnet permanent. Avantajul acestui motor pas cu pas este construcția sa simplă și, prin urmare, un preț redus. Mai jos sunt informații despre funcționarea acestui motor pas cu pas.

Rotorul motorului pas cu pas poate face o rotație completă cu mai mulți pași intermediari. În exemplul din cele patru imagini de mai jos, sunt afișați patru pași intermediari pentru fiecare rotație. Prin urmare, rotorul poate fi oprit la fiecare 90 de grade. Motorul pas cu pas din stânga este în poziția 1, cu polul nord al rotorului în sus și polul sud în jos. Pentru a deplasa rotorul cu 90 de grade în sensul acelor de ceasornic, curentul către bobina cu bornele C și D este întrerupt și cealaltă bobină este alimentată. Acest lucru poate fi văzut în al doilea motor pas cu pas. Pantoful de la polul stâng devine roșu (polul nord), iar cel din dreapta devine negru (polul sud). Acest lucru va pune rotorul în poziția 2.

Acest lucru funcționează și în acest fel cu setările 3 și 4; bobina dintre C și D este alimentată pentru poziția 3, dar curentul circulă în sens opus ca în poziția 1. Pantoful polului superior este acum polul nord, iar cel inferior este polul sud. Rotorul va fi acum în poziția 3. Pentru poziția 4, bobina de jos este alimentată din nou și rotorul se va roti în poziția 4.

Motorul pas cu patru viteze poate fi oprit la fiecare 90 de grade. Dacă acest lucru este insuficient pentru aplicația pentru care este utilizat motorul pas cu pas, acesta poate fi setat și în opt pași. Acest lucru este posibil cu același motor pas cu pas, dar în timpul acestor pași intermediari ambele bobine vor fi alimentate simultan.

Imaginea de mai jos prezintă acești pași intermediari. Aceștia sunt pașii de la 5 la 8. După cum puteți vedea, setarea 5 este între pașii 1 și 2. Același lucru este valabil și pentru pasul 6 (între pașii 2 și 3), etc. În timpul acestor pași intermediari, un curent trece prin ambele bobine.
Când rotorul trebuie rotit la pasul 5, un curent circulă atât în bobina inferioară de la A la B, cât și în bobina superioară de la C la D. Deci acum există doi poli nord (pantofii pol roșu) și doi poli sud (pantofii pol negru). Rotorul va fi în poziția 5.

Pentru a roti rotorul cu 45 de grade mai departe (până la poziția 2), se aplică din nou diagrama motorului pas cu patru poziții. Bobina de jos va fi alimentată din nou pentru a permite curentului să circule de la A la B.
Dacă motorul pas cu pas este apoi rotit cu 45 de grade mai departe (în poziția 6), imaginea de mai sus se va aplica din nou, cu ambele bobine sub tensiune.

Motorul pas cu pas este întotdeauna controlat de un dispozitiv de control. Tranzistoarele din driverul IC al dispozitivului de comandă asigură alimentarea și descărcarea curentului către și dinspre pantofii polilor. Unitatea de control conține opt tranzistoare. Controlând corect acești opt tranzistori, motorul pas cu pas va face o revoluție completă în patru sau opt pași. Rotația poate fi în două direcții; stânga și dreapta. Dispozitivul de control asigură că tranzistoarele corecte sunt conductive.

În imagine vedem un motor pas cu pas care este controlat de un dispozitiv de control. Tranzistoarele 1 și 4 sunt pornite. Pentru a clarifica controlul, tranzistoarele și firele sunt colorate în roșu și maro. Tranzistorul 1 (roșu) conectează borna A la pozitiv, iar tranzistorul 4 (maro) conectează borna B la masă.

Deoarece tranzistoarele 2 și 3 nu sunt pornite, nu trece curent prin ele. Dacă acesta ar fi cazul, ar avea loc un scurtcircuit.
În imagine motorul pas cu pas este rotit puțin mai departe. În acest scop, tranzistorii 6 și 7 trebuie să fie de asemenea conductivi.

Pentru a permite motorului pas cu pas să se rotească puțin mai departe, conducția tranzistorilor 1 și 4 se oprește. Numai tranzistoarele 6 și 7 conduc în continuare, determinând ca motorul pas cu pas să preia poziția 3.

Pentru pasul următor, tranzistoarele 2 și 3 trebuie să fie pornite.

Motor pas cu pas cu reluctanță variabilă (VR):
Ca și motorul pas cu magnet permanent, motorul pas cu reluctanță variabilă conține poli statori cu bobine. Se deosebește de motorul pas cu pas discutat anterior cu rotorul său dintat din metal feromagnetic, cum ar fi nichelul sau fierul. Aceasta înseamnă că rotorul nu este magnetic. Acest tip de motor pas cu pas este rar folosit în zilele noastre.

Bobina statorului de pe o parte (A) este înfăşurată în sens opus ca bobina de pe cealaltă parte (A'). Același lucru este valabil și pentru B și B' etc. Dinții rotorului sunt atrași de fluxul magnetic creat prin punerea sub tensiune a bobinelor statorului.

Avantajele motorului pas cu pas VR în comparație cu versiunea cu magneți permanenți sunt:

Datorită absenței magneților permanenți, producția motorului pas cu pas VR este mai puțin dăunătoare mediului;
Nu este necesar să inversați polaritatea bobinelor statorului. Acest lucru permite un control mai simplu;

Dezavantajele sunt:

Cuplu redus;
Precizie scăzută;
Producție mai mare de zgomot. Numărul de aplicații, inclusiv auto, este prin urmare limitat;
Datorită absenței magneților permanenți, nu există un cuplu de reținere atunci când stați nemișcat.

Motor pas cu pas hibrid:
Motorul pas cu pas hibrid are un rotor dintat cu magneți permanenți și un stator dintat cu opt bobine cu un spațiu mic de aer între rotor și stator. Rotorul este format din două angrenaje decalate cu 3,6° unul față de celălalt. Există un magnet mare în interiorul rotorului. Două roți dințate din oțel sunt presate peste magnet. Roțile dințate devin și magnetice datorită prezenței magnetului. Un angrenaj este magnetizat ca pol nord, iar celălalt ca pol sud. Fiecare dinte de pe rotor devine un pol magnetic. Vorbim deci despre „rotorul de la Polul Nord” și „rotorul de la Polul Sud”. Datorită schimbării treptelor de viteză, polii nord și sud se vor alterna în timpul rotației. Fiecare angrenaj are 50 de dinți.

În momentul în care driverul motorului pas cu pas conduce curentul printr-o bobină a statorului, bobina devine magnetică. Polii nordici ai bobinelor vor atrage polii de sud ai rotorului, determinând rotirea rotorului.

Cele trei imagini de mai jos arată controlul celor două faze (roșu și portocaliu) ale motorului pas cu pas hibrid.

A. Rotorul motorului pas cu pas s-a rotit în poziția actuală (vezi figura) deoarece bobinele prezentate au fost făcute magnetice.

Angrenajul verde este polul sudic, care este atras de polii nordici de pe stator;
Dinții dintre rotor și stator sunt aliniați unul cu celălalt în locurile în care a fost tras rotorul. Pentru claritate, aceste puncte sunt indicate cu un semn negru în toate cele trei situații;
Roata roșie este în spatele angrenajului verde. Deoarece angrenajele sunt rotite unele față de altele, dinții roșii sunt vizibili. Polii nordici de pe rotor sunt atrași de polii de sud de pe stator.

B. Controlul a schimbat fazele. Câmpul magnetic dintre bobinele portocalii și rotor a dispărut. Acum bobinele fazei „roșii” sunt controlate, determinând crearea câmpului magnetic între bobinele roșii și rotor.

Ca urmare a comutării câmpului magnetic de la bobinele portocalii la cele roșii, rotorul se rotește cu 1,8° în sensul acelor de ceasornic;
Pentru a roti rotorul în sens invers acelor de ceasornic, nu în sensul acelor de ceasornic, polaritatea (direcția curentului) a trebuit să fie inversată prin conexiunile roșii. La urma urmei, direcția curentului prin bobină determină direcția câmpului magnetic și, prin urmare, „poziția” polilor nord și sud.

C. Controlul a schimbat din nou faza și rotorul s-a rotit din nou în sensul acelor de ceasornic cu 1,8°.

Aceleași bobine ca în situația A sunt alimentate, dar polaritatea pe firele portocalii a fost inversată;
Rotorul poate fi rotit din nou în sens invers acelor de ceasornic prin controlul bobinelor așa cum se arată în situația B;
Pentru ca rotorul să se rotească în sensul acelor de ceasornic, bobinele roșii sunt, de asemenea, alimentate, dar polaritatea este inversată față de situația B.

În exemplele de mai sus se poate observa că rotorul de la polul nord este atras de o bobină de la polul sud și, în același timp, rotorul de la polul sud este atras de o bobină de la polul nord. Acest lucru asigură că motorul pas cu pas hibrid face mișcări foarte precise și are, de asemenea, un cuplu ridicat.

Motorul pas cu pas hibrid poate fi echipat cu mai multe perechi de poli și mai mulți dinți pe rotor, permițând pași de până la 0,728° și 500 de pași pe rotație.

Pagini înrudite: