Предметы:
- введение
- Шаговый двигатель с постоянными магнитами (тип PM)
- Шаговый двигатель с переменным сопротивлением (VR)
- Гибридный шаговый двигатель
Инлейдинг:
Шаговый двигатель, как следует из названия, можно регулировать в несколько этапов. Количество ступеней может варьироваться. В зависимости от применения шаговый двигатель может регулировать от 4 до 200 шагов за оборот, что может составлять контролируемое вращение ротора на 0,8°.
Угловое вращение шагового двигателя можно определить очень точно. Шаговый двигатель по сути один синхронный электродвигатель постоянного тока без угольных щеток, поскольку детали и методы управления очень похожи, но тем не менее его отличают от этого двигателя постоянного тока следующие свойства:
- Шаговый двигатель имеет относительно большой крутящий момент на низких скоростях и поэтому может очень быстро запуститься из состояния покоя;
- Движение шагового двигателя медленное и очень точное. Двигатель постоянного тока используется для быстрой работы в течение длительного времени;
- Скорость вращения и положение шагового двигателя контролируются управляющим сигналом от блока управления. Это означает, что не требуется датчик положения или другая форма обратной связи;
- Шаговый двигатель производит больше шума и вызывает больше вибраций по сравнению с бесщеточным двигателем постоянного тока.
Шаговый двигатель используется во многих местах автомобиля, чтобы заставить детали совершать контролируемое электрическое движение. Ниже приведены три применения, в которых можно найти шаговый двигатель, а именно: для управления холостым ходом, руки на приборной панели и клапаны отопителя для управления вентиляцией.
Шаговый двигатель для регулировки холостого хода:
Дроссельная заслонка бензинового двигателя в состоянии покоя закрыта. Небольшое отверстие необходимо для того, чтобы двигатель мог работать на холостом ходу. Проход также должен быть регулируемым, поскольку температура и нагрузка (например, при включении потребителей, таких как насос кондиционера) влияют на необходимое количество всасываемого воздуха.
В современных двигателях положение дроссельной заслонки точно контролируется. Мы также встречаем системы, в которых дроссельная заслонка полностью закрыта, а воздух направляется вокруг дроссельной заслонки через байпасный регулятор. Циркуляция воздуха может осуществляться либо с помощью двигателя постоянного тока с ШИМ-управлением, либо с помощью шагового двигателя. Смотрите страницу о дроссель.
На трех изображениях ниже изображен шаговый двигатель, который служит регулятором холостого хода. Открытие байпаса контролируется валом с коническим концом. Вращение якоря шагового двигателя приводит к вращению червячной передачи.
- Поворот против часовой стрелки: червячная передача поворачивается внутрь (большое отверстие в байпасе);
- Вращение по часовой стрелке: червячная передача вращается наружу (небольшое отверстие в байпасе).
Приборная доска:
Приборная панель часто оснащена несколькими шаговыми двигателями для указателя уровня топлива, спидометра, тахометра, температуры двигателя, а в приведенном ниже примере также счетчика расхода топлива под тахометром. Приборная панель BMW показана ниже.
В задней части (внутри) приборной панели мы видим пять шаговых двигателей в черном корпусе. Справа мы видим рассматриваемый шаговый двигатель без корпуса. Здесь хорошо видны две катушки и четыре соединения (две левые, два правые), по которым мы можем узнать биполярный шаговый двигатель. Шаговый двигатель может регулировать иглы указателя небольшими шагами. Команда на регулировку поступает от ЭБУ в комбинации приборов.
На следующей схеме показаны входы и выходы драйвера шагового двигателя. Это микросхема в комбинации приборов, которая преобразует входящую информацию в выходные данные для шагового двигателя:
- уровень топлива в баке (бак поплавок);
- скорость автомобиля (генератор импульсов в коробке передач или датчики ABS);
- обороты двигателя (датчик положения коленвала);
- температура (датчик температуры охлаждающей жидкости).
На блок-схеме красные и зеленые стрелки показывают соединения (от A до D) катушек шагового двигателя.
Воздухонаправляющие клапаны в печке:
Мы часто встречаем шаговые двигатели в воздухоотводных клапанах с электронным управлением. печной дом. На изображениях ниже показано фото клапана температуры воздуха (слева) и иллюстрация положения установки (справа). Шаговый двигатель управляет клапаном посредством механизма, где цифра 4 на рисунке указывает точку поворота. Если шаговый двигатель работает неправильно или после его замены, начальное и конечное положения необходимо сообщить в ЭБУ. С помощью диагностического оборудования мы можем узнать, как останавливается клапан, чтобы ЭБУ знал, когда клапан полностью открыт или закрыт, а также мог определить, как долго ему следует приводить в действие шаговый двигатель, чтобы частично открыть клапан.
Шаговый двигатель с постоянными магнитами (тип PM):
Этот тип шагового двигателя имеет ротор с постоянным магнитом. Преимуществом этого шагового двигателя является его простая конструкция и, следовательно, низкая себестоимость. Ниже представлена информация о работе этого шагового двигателя.
Ротор шагового двигателя может совершать полный оборот с несколькими промежуточными шагами. В примере на четырех изображениях ниже показаны четыре промежуточных шага за один оборот. Таким образом, ротор можно останавливать каждые 90 градусов. Левый шаговый двигатель находится в положении 1, северный полюс ротора находится вверху, а южный полюс внизу. Чтобы переместить ротор на 90 градусов по часовой стрелке, ток в катушку с клеммами C и D прерывается, а на другую катушку подается напряжение. Это можно увидеть на втором шаговом двигателе. Левый полюсный башмак становится красным (северный полюс), а правый — черным (южный полюс). Это переведет ротор в положение 2.
Это также работает с настройками 3 и 4; катушка между C и D находится под напряжением в положении 3, но ток течет в противоположном направлении, как в положении 1. Верхний полюсный башмак теперь является северным полюсом, а нижний — южным полюсом. Ротор теперь будет в положении 3. В положении 4 на нижнюю катушку снова подается питание, и ротор вращается в положение 4.
Четырехскоростной шаговый двигатель можно останавливать каждые 90 градусов. Если этого недостаточно для приложения, для которого используется шаговый двигатель, его также можно установить на восемь ступеней. Это возможно с тем же шаговым двигателем, но во время этих промежуточных шагов обе катушки будут под напряжением одновременно.
На изображении ниже показаны эти промежуточные шаги. Это шаги с 5 по 8. Как видите, настройка 5 находится между шагами 1 и 2. То же самое относится и к шагу 6 (между шагами 2 и 3) и т. д. Во время этих промежуточных шагов через обе катушки течет ток.
Когда ротор необходимо повернуть на шаг 5, ток течет как по нижней катушке от A к B, так и по верхней катушке от C к D. Итак, теперь есть два северных полюса (красные шесты) и два южных полюса (черные шесты). Ротор будет в положении 5.
Для поворота ротора дальше на 45 градусов (в положение 2) снова применяется схема шагового двигателя с четырьмя положениями. Нижняя катушка снова будет под напряжением, позволяя току течь от A к B.
Если затем шаговый двигатель повернуть еще на 45 градусов (в положение 6), приведенное выше изображение снова будет применено, когда обе катушки будут под напряжением.
Шаговый двигатель всегда управляется устройством управления. Транзисторы в микросхеме драйвера устройства управления обеспечивают подачу и разрядку тока к полюсным башмакам и обратно. Блок управления содержит восемь транзисторов. При правильном управлении этими восемью транзисторами шаговый двигатель совершит полный оборот за четыре или восемь шагов. Вращение может быть в двух направлениях; Лево и право. Устройство управления гарантирует, что правильные транзисторы станут проводящими.
На изображении мы видим шаговый двигатель, которым управляет управляющее устройство. Транзисторы 1 и 4 включены. Для наглядности управления транзисторы и провода окрашены в красный и коричневый цвета. Транзистор 1 (красный) соединяет клемму A с плюсом, а транзистор 4 (коричневый) соединяет клемму B с землей.
Поскольку транзисторы 2 и 3 не включены, ток через них не течет. Если бы это было так, произошло бы короткое замыкание.
На изображении шаговый двигатель повернут немного дальше. Для этого транзисторы 6 и 7 также необходимо сделать проводящими.
Чтобы шаговый двигатель мог вращаться еще немного, прекращается проводимость транзисторов 1 и 4. Только транзисторы 6 и 7 все еще проводят ток, в результате чего шаговый двигатель переходит в положение 3.
На следующем этапе транзисторы 2 и 3 необходимо включить.
Шаговый двигатель с переменным сопротивлением (VR):
Как и шаговый двигатель с постоянными магнитами, шаговый двигатель с переменным сопротивлением содержит полюса статора с катушками. Он отличается от рассмотренного ранее шагового двигателя тем, что его зубчатый ротор изготовлен из ферромагнитного металла, например никеля или железа. Это означает, что ротор не магнитный. В настоящее время этот тип шагового двигателя используется редко.
Катушка статора на одной стороне (А) намотана в противоположном направлении, как катушка на другой стороне (А'). То же самое, конечно, относится к B и B' и т. д. Зубцы ротора притягиваются магнитным потоком, создаваемым возбуждением катушек статора.
Преимущества шагового двигателя VR по сравнению с версией с постоянными магнитами:
- Благодаря отсутствию постоянных магнитов производство шагового двигателя VR менее вредно для окружающей среды;
- Нет необходимости менять полярность катушек статора. Это позволяет упростить управление;
Недостатки:
- Низкий крутящий момент;
- Низкая точность;
- Повышенное производство шума. Поэтому количество применений, включая автомобильную, ограничено;
- Из-за отсутствия постоянных магнитов удерживающий момент в неподвижном состоянии отсутствует.
Гибридный шаговый двигатель:
Гибридный шаговый двигатель имеет зубчатый ротор с постоянными магнитами и зубчатый статор с восемью катушками с небольшим воздушным зазором между ротором и статором. Ротор состоит из двух шестерен, смещенных на 3,6° друг от друга. Внутри ротора находится большой магнит. Над магнитом прижаты две стальные шестерни. Шестеренки также становятся магнитными благодаря наличию магнита. Одна шестерня намагничена как северный полюс, а другая как южный полюс. Каждый зуб ротора становится магнитным полюсом. Поэтому мы говорим о «роторе Северного полюса» и «роторе Южного полюса». За счет переключения шестерен северный и южный полюсы при вращении будут чередоваться. Каждая шестерня имеет 50 зубьев.
В тот момент, когда драйвер шагового двигателя проводит ток через катушку статора, катушка становится магнитной. Северные полюса катушек притягивают южные полюса ротора, заставляя ротор вращаться.
На трех изображениях ниже показано управление двумя фазами (красной и оранжевой) гибридного шагового двигателя.
А. Ротор шагового двигателя повернулся в свое текущее положение (см. рисунок), поскольку показанные катушки сделаны магнитными.
- Зеленая шестерня — это южный полюс, который притягивается к северным полюсам статора;
- Зубья между ротором и статором совмещены друг с другом в местах натяжения ротора. Для наглядности эти точки во всех трех ситуациях отмечены черной меткой;
- Красная шестерня находится за зеленой шестерней. Поскольку шестерни вращаются относительно друг друга, видны красные зубцы. Северные полюса ротора притягиваются к южным полюсам статора.
Б. Контроль изменил фазы. Магнитное поле между оранжевыми катушками и ротором исчезло. Теперь катушки «красной» фазы управляются, в результате чего между красными катушками и ротором создается магнитное поле.
- В результате переключения магнитного поля с оранжевых на красные катушки ротор поворачивается на 1,8° по часовой стрелке;
- Чтобы вращать ротор против, а не по часовой стрелке, нужно было поменять полярность (направление тока) через красные соединения. Ведь направление тока через катушку определяет направление магнитного поля, а значит и «положение» северного и южного полюсов.
C. Регулятор снова изменил фазу, и ротор снова повернулся по часовой стрелке на 1,8°.
- Те же катушки, что и в ситуации А, находятся под напряжением, но полярность оранжевых проводов изменена;
- Ротор можно снова повернуть против часовой стрелки, управляя катушками, как показано в ситуации B;
- Чтобы ротор вращался по часовой стрелке, на красные катушки также подается напряжение, но полярность меняется на обратную по сравнению с ситуацией B.
В приведенных выше примерах видно, что ротор северного полюса притягивается к катушке южного полюса, и в то же время ротор южного полюса притягивается к катушке северного полюса. Это гарантирует, что гибридный шаговый двигатель совершает очень точные движения, а также имеет высокий крутящий момент.
Гибридный шаговый двигатель может быть оснащен большим количеством пар полюсов и большим количеством зубьев на роторе, что обеспечивает шаг до 0,728° и 500 шагов на оборот.
