Stepper motor

Mga Paksa:

Panimula
Permanenteng magnet stepper motor (uri ng PM)
Variable reluctance stepper motor (VR)
Hybrid stepper motor

Panimula:
Ang isang stepper motor, gaya ng ipinahihiwatig ng pangalan, ay maaaring iakma sa ilang hakbang. Maaaring mag-iba ang bilang ng mga hakbang. Depende sa aplikasyon, ang stepper motor ay maaaring mag-adjust mula 4 hanggang 200 hakbang bawat pag-ikot, na maaaring umabot sa isang kinokontrol na pag-ikot ng 0,8° rotor rotation.
Ang angular na pag-ikot ng isang stepper motor ay maaaring matukoy nang tumpak. Ang stepper motor ay karaniwang isa kasabay na DC electric motor walang mga carbon brush dahil ang mga bahagi at mga pamamaraan ng kontrol ay halos magkapareho, ngunit gayunpaman ito ay nakikilala mula sa DC motor na ito sa pamamagitan ng mga sumusunod na katangian:

Ang isang stepper motor ay may medyo malaking metalikang kuwintas sa mababang bilis at samakatuwid ay maaaring magsimula nang napakabilis mula sa isang pagtigil;
Ang paggalaw ng isang stepper motor ay mabagal at napaka-tumpak. Ang DC motor ay ginagamit upang makapagpatakbo ng mabilis sa mahabang panahon;
Ang bilis ng pag-ikot at posisyon ng stepper motor ay kinokontrol ng isang control signal mula sa control unit. Nangangahulugan ito na walang position sensor o iba pang paraan ng feedback ang kinakailangan;
Ang isang stepper motor ay gumagawa ng mas maraming ingay at nagdudulot ng mas maraming vibrations kumpara sa isang brushless DC motor.

Ang stepper motor ay ginagamit sa maraming lugar sa kotse upang gumawa ng mga bahagi na gumawa ng isang kinokontrol na paggalaw ng kuryente. Nasa ibaba ang tatlong application kung saan matatagpuan ang stepper motor, katulad: para sa idle control, ang mga kamay sa panel ng instrumento at ang heater valve para sa ventilation control.

Stepper motor para sa idle control:
Ang balbula ng throttle ng isang makina ng gasolina ay sarado sa pahinga. Ang isang maliit na butas ay kinakailangan upang payagan ang makina na idle. Dapat ding adjustable ang daanan, dahil ang temperatura at load (hal. kapag naka-on ang mga consumer gaya ng air conditioning pump) ay nakakaimpluwensya sa kinakailangang dami ng sinipsip na hangin.
Sa modernong mga makina, ang posisyon ng balbula ng throttle ay tiyak na kinokontrol. Nakahanap din kami ng mga system kung saan ang throttle valve ay ganap na nakasara at ang hangin ay ginagabayan sa paligid ng throttle valve sa pamamagitan ng bypass control. Ang sirkulasyon ng hangin ay maaaring maisakatuparan alinman sa pamamagitan ng isang PWM-controlled na DC motor o sa pamamagitan ng isang stepper motor. Tingnan ang pahina tungkol sa throttle.

Ang tatlong larawan sa ibaba ay ng isang stepper motor na nagsisilbing idle speed controller. Ang pagbubukas ng bypass ay kinokontrol ng baras na may conical na dulo. Ang pag-ikot ng armature sa stepper motor ay nagreresulta sa pag-ikot ng worm gear.

Lumiko sa counterclockwise: lumiliko ang worm gear papasok (malaking pagbubukas sa bypass);
Clockwise rotation: worm gear umiikot palabas (maliit na bukas sa bypass).

Panel ng instrumento:
Ang panel ng instrumento ay madalas na nilagyan ng maraming stepper motor para sa tank level meter, speedometer, tachometer, temperatura ng engine at sa halimbawa sa ibaba din ang consumption meter sa ilalim ng tachometer. Ang panel ng instrumento ng isang BMW ay ipinapakita sa ibaba.

Sa likuran (sa loob) ng panel ng instrumento ay makikita natin ang limang stepper motor na may itim na pabahay. Sa kanan ay nakikita natin ang stepper motor na pinag-uusapan na walang pabahay. Dito mo malinaw na makikita ang dalawang coils at ang apat na koneksyon (dalawang kaliwa, dalawang kanan) kung saan makikilala natin ang bipolar stepper motor. Maaaring ayusin ng stepper motor ang mga pointer needles sa maliliit na hakbang. Ang command na mag-adjust ay nagmumula sa ECU sa instrument cluster.

Ang sumusunod na diagram ay nagpapakita ng mga input at output ng stepper motor driver. Ito ang IC sa instrument cluster na nagsasalin ng papasok na impormasyon sa isang output para sa stepper motor:

antas ng gasolina sa tangke (tangke ng float);
bilis ng sasakyan (pulse generator sa gearbox o ABS sensor);
bilis ng engine (sensor ng posisyon ng crankshaft);
temperatura (sensor ng temperatura ng coolant).

Sa block diagram, ipinapakita ng pula at berdeng mga arrow ang mga koneksyon (A hanggang D) sa mga coils sa stepper motor.

Mga balbula ng gabay sa hangin sa bahay ng kalan:
Madalas kaming nakakahanap ng mga stepper motor sa mga balbula ng air vent na pinapatakbo ng elektroniko sa bahay ng kalan. Ang mga larawan sa ibaba ay nagpapakita ng larawan ng isang air temperature valve (kaliwa) at isang paglalarawan ng posisyon ng pag-install (kanan). Pinapatakbo ng stepper motor ang balbula sa pamamagitan ng mekanismo, kung saan ang numero 4 sa ilustrasyon ay nagpapahiwatig ng pivot point. Kung ang stepper motor ay hindi gumana nang tama, o pagkatapos ng pagpapalit, ang mga posisyon sa pagsisimula at pagtatapos ay dapat na ipaalam sa ECU. Gamit ang diagnostic equipment matututunan natin ang paghinto ng balbula, upang malaman ng ECU kung kailan ganap na bukas o sarado ang balbula, upang matukoy din nito kung gaano katagal ito dapat magmaneho ng stepper motor upang bahagyang buksan ang balbula.

Permanenteng magnet stepper motor (uri ng PM):
Ang ganitong uri ng stepper motor ay may rotor na may permanenteng magnet. Ang bentahe ng stepper motor na ito ay ang simpleng konstruksyon nito at samakatuwid ay isang mababang presyo. Nasa ibaba ang impormasyon tungkol sa pagpapatakbo ng stepper motor na ito.

Ang rotor ng stepper motor ay maaaring gumawa ng isang buong pag-ikot na may ilang mga intermediate na hakbang. Sa halimbawa sa apat na larawan sa ibaba, apat na intermediate na hakbang ang ipinapakita sa bawat pag-ikot. Kaya naman ang rotor ay maaaring ihinto tuwing 90 degrees. Ang kaliwang stepper motor ay nasa posisyon 1, kasama ang north pole ng rotor sa itaas at ang south pole sa ibaba. Upang ilipat ang rotor 90 degrees clockwise, ang kasalukuyang sa coil na may mga terminal C at D ay nagambala at ang iba pang coil ay energized. Ito ay makikita sa pangalawang stepper motor. Ang sapatos sa kaliwang poste ay nagiging pula (ang north pole) at ang kanang isa ay nagiging itim (ang south pole). Ilalagay nito ang rotor sa posisyon 2.

Gumagana rin ito sa ganitong paraan sa mga setting 3 at 4; ang coil sa pagitan ng C at D ay pinalakas para sa posisyon 3, ngunit ang kasalukuyang dumadaloy sa kabaligtaran na direksyon tulad ng sa posisyon 1. Ang sapatos sa itaas na poste ay ngayon ang north pole at ang mas mababang isa ay ang south pole. Ang rotor ay nasa posisyon 3 na ngayon. Para sa posisyon 4, ang ilalim na coil ay pinalakas muli at ang rotor ay iikot sa posisyon 4.

Ang four-speed stepper motor ay maaaring ihinto tuwing 90 degrees. Kung ito ay hindi sapat para sa aplikasyon kung saan ginagamit ang stepper motor, maaari rin itong itakda sa walong hakbang. Ito ay posible sa parehong stepper motor, ngunit sa panahon ng mga intermediate na hakbang na ito ang parehong mga coils ay sabay-sabay na magpapasigla.

Ipinapakita ng larawan sa ibaba ang mga intermediate na hakbang na ito. Ito ang mga hakbang 5 hanggang 8. Gaya ng nakikita mo, ang setting 5 ay nasa pagitan ng hakbang 1 at 2. Ang parehong naaangkop sa hakbang 6 (sa pagitan ng mga hakbang 2 at 3), atbp. Sa mga intermediate na hakbang na ito, ang isang kasalukuyang dumadaloy sa parehong mga coil.
Kapag ang rotor ay kailangang i-on sa hakbang 5, ang isang kasalukuyang dumadaloy sa parehong lower coil mula A hanggang B at ang upper coil mula C hanggang D. Kaya mayroon na ngayong dalawang north pole (ang red pole shoes) at dalawang south pole (the black pole shoes). Ang rotor ay nasa posisyon 5.

Upang paikutin ang rotor 45 degrees pa (sa posisyon 2), ang diagram ng stepper motor na may apat na posisyon ay nalalapat muli. Ang ilalim na coil ay muling pasiglahin upang payagan ang isang kasalukuyang dumaloy mula A hanggang B.
Kung ang stepper motor ay pinaikot nang 45 degrees pa (sa posisyon 6), ang larawan sa itaas ay ilalapat muli, na ang parehong mga coil ay pinalakas.

Ang stepper motor ay palaging kinokontrol ng isang control device. Ang mga transistor sa driver IC ng control device ay nagbibigay ng kasalukuyang supply at discharge papunta at mula sa mga pole shoes. Ang control unit ay naglalaman ng walong transistor. Sa pamamagitan ng tamang pagkontrol sa walong transistor na ito, ang stepper motor ay gagawa ng kumpletong rebolusyon sa apat o walong hakbang. Ang pag-ikot ay maaaring nasa dalawang direksyon; kaliwa at kanan. Tinitiyak ng control device na ang tamang transistor ay ginawang conductive.

Sa larawan nakikita natin ang isang stepper motor na kinokontrol ng isang control device. Ang mga transistor 1 at 4 ay naka-on. Upang linawin ang kontrol, ang mga transistor at wire ay kulay pula at kayumanggi. Ang Transistor 1 (pula) ay nagkokonekta sa terminal A sa positibo at ang transistor 4 (kayumanggi) ay nagkokonekta sa terminal B sa ground.

Dahil ang mga transistor 2 at 3 ay hindi naka-on, walang kasalukuyang dumadaloy sa kanila. Kung ito ang kaso, magkakaroon ng short circuit.
Sa larawan ang stepper motor ay pinaikot nang kaunti pa. Para sa layuning ito, ang mga transistor 6 at 7 ay dapat ding gawing conductive.

Upang payagan ang stepper motor na umikot pa ng kaunti, humihinto ang pagpapadaloy ng mga transistor 1 at 4. Tanging ang mga transistor 6 at 7 lamang ang nagsasagawa pa rin, na nagiging sanhi ng paglalagay ng stepper motor sa posisyon 3.

Para sa susunod na hakbang, dapat i-on ang mga transistor 2 at 3.

Variable reluctance stepper motor (VR):
Tulad ng permanenteng magnet stepper motor, ang variable reluctance stepper motor ay naglalaman ng mga stator pole na may mga coils. Ito ay naiiba sa naunang tinalakay na stepper motor na may ngipin na rotor na gawa sa ferromagnetic metal, tulad ng nickel o iron. Nangangahulugan ito na ang rotor ay hindi magnetic. Ang ganitong uri ng stepper motor ay bihirang ginagamit ngayon.

Ang stator coil sa isang gilid (A) ay sugat sa kabaligtaran na paraan tulad ng coil sa kabilang panig (A'). Ang parehong siyempre ay naaangkop sa B at B' atbp. Ang mga ngipin ng rotor ay naaakit ng magnetic flux na nilikha sa pamamagitan ng pagpapasigla sa stator coils.

Ang mga bentahe ng VR stepper motor kumpara sa bersyon na may permanenteng magnet ay:

Dahil sa kawalan ng permanenteng magnet, ang produksyon ng VR stepper motor ay hindi gaanong nakakapinsala sa kapaligiran;
Hindi kinakailangang baligtarin ang polarity ng stator coils. Ito ay nagbibigay-daan para sa mas simpleng kontrol;

Ang mga disadvantages ay:

Mababang metalikang kuwintas;
Mababang katumpakan;
Mas mataas na produksyon ng ingay. Ang bilang ng mga aplikasyon, kabilang ang automotive, ay samakatuwid ay limitado;
Dahil sa kawalan ng permanenteng magnet, walang hawak na torque kapag nakatayo.

Hybrid stepper motor:
Ang hybrid na stepper motor ay may may ngipin na rotor na may permanenteng magnet at may ngipin na stator na may walong coils na may maliit na air gap sa pagitan ng rotor at stator. Ang rotor ay binubuo ng dalawang gear na na-offset ng 3,6° mula sa isa't isa. May malaking magnet sa loob ng rotor. Dalawang bakal na gear ang pinindot sa magnet. Ang mga gear ay nagiging magnetic din dahil sa pagkakaroon ng magnet. Ang isang gear ay magnetized bilang north pole at ang isa naman bilang south pole. Ang bawat ngipin sa rotor ay nagiging magnetic pole. Kaya't pinag-uusapan natin ang "North Pole rotor" at ang "South Pole rotor". Dahil sa paglilipat ng mga gears, ang hilaga at timog na pole ay magsalit-salit sa panahon ng pag-ikot. Ang bawat gear ay may 50 ngipin.

Sa sandaling ang driver ng stepper motor ay nagsasagawa ng kasalukuyang sa pamamagitan ng isang stator coil, ang coil ay nagiging magnetic. Ang mga north pole ng coils ay umaakit sa mga south pole ng rotor, na nagiging sanhi ng pag-ikot ng rotor.

Ang tatlong larawan sa ibaba ay nagpapakita ng kontrol ng dalawang phase (pula at orange) ng hybrid na stepper motor.

A. Ang rotor ng stepper motor ay umikot sa kasalukuyang posisyon nito (tingnan ang figure) dahil ang mga coils na ipinakita ay ginawang magnetic.

Ang berdeng gear ay ang south pole, na naaakit sa north pole sa stator;
Ang mga ngipin sa pagitan ng rotor at stator ay nakahanay sa isa't isa sa mga lugar kung saan hinila ang rotor. Para sa kalinawan, ang mga puntong ito ay ipinahiwatig ng isang itim na marka sa lahat ng tatlong sitwasyon;
Ang pulang gear ay nasa likod ng berdeng lansungan. Dahil ang mga gear ay pinaikot na may kaugnayan sa isa't isa, ang mga pulang ngipin ay nakikita. Ang mga north pole sa rotor ay naaakit sa mga south pole sa stator.

B. Ang kontrol ay nagbago ng mga yugto. Ang magnetic field sa pagitan ng orange coils at rotor ay nawala. Ngayon ang mga coils ng "pula" na bahagi ay kinokontrol, na nagiging sanhi ng magnetic field na mabuo sa pagitan ng mga pulang coils at ng rotor.

Bilang resulta ng paglipat ng magnetic field mula sa orange sa pulang coils, ang rotor ay umiikot ng 1,8° clockwise;
Upang paikutin ang rotor counterclockwise sa halip na clockwise, ang polarity (direksyon ng kasalukuyang) ay kailangang baligtarin sa pamamagitan ng mga pulang koneksyon. Pagkatapos ng lahat, ang direksyon ng kasalukuyang sa pamamagitan ng coil ay tumutukoy sa direksyon ng magnetic field, at samakatuwid ang "posisyon" ng hilaga at timog na mga pole.

C. Ang kontrol ay muling nagbago ng bahagi at ang rotor ay naka-clockwise muli ng 1,8°.

Ang parehong mga coils tulad ng sa sitwasyon A ay pinalakas, ngunit ang polarity sa orange na mga wire ay nabaligtad;
Ang rotor ay maaaring i-counterclockwise muli sa pamamagitan ng pagkontrol sa mga coils tulad ng ipinapakita sa sitwasyon B;
Upang gawing clockwise ang rotor, ang mga pulang coil ay pinalakas din, ngunit ang polarity ay nababaligtad kumpara sa sitwasyon B.

Sa mga halimbawa sa itaas makikita na ang rotor ng north pole ay naaakit sa isang south pole coil at sa parehong oras ang south pole rotor ay naaakit sa isang north pole coil. Tinitiyak nito na ang hybrid na stepper motor ay gumagawa ng napaka-tumpak na paggalaw at mayroon ding mataas na torque.

Ang hybrid na stepper motor ay maaaring nilagyan ng mas maraming pares ng poste at mas maraming ngipin sa rotor, na nagbibigay-daan sa mga hakbang na hanggang 0,728° at 500 hakbang bawat rebolusyon.

Mga kaugnay na pahina: