Предмети:
- Вступ
- Кроковий двигун з постійним магнітом (тип PM)
- Кроковий двигун зі змінною реактивністю (VR)
- Гібридний кроковий двигун
Вступ:
Кроковий двигун, як випливає з назви, можна регулювати в кілька кроків. Кількість кроків може бути різною. Залежно від застосування, кроковий двигун може регулювати від 4 до 200 кроків на один оберт, що може становити контрольоване обертання ротора на 0,8°.
Кут повороту крокового двигуна можна визначити дуже точно. Кроковий двигун в основному один синхронний електродвигун постійного струму без вугільних щіток, оскільки деталі та методи керування дуже схожі, але, тим не менш, він відрізняється від цього двигуна постійного струму такими властивостями:
- Кроковий двигун має відносно великий крутний момент на низьких швидкостях і тому може дуже швидко запускатися з місця;
- Рух крокового двигуна повільний і дуже точний. Двигун постійного струму використовується для швидкої роботи протягом тривалого часу;
- Швидкість обертання і положення крокового двигуна управляються керуючим сигналом від блоку управління. Це означає, що не потрібен датчик положення або інша форма зворотного зв'язку;
- Кроковий двигун створює більше шуму та викликає більше вібрацій порівняно з безщітковим двигуном постійного струму.
Кроковий двигун використовується в багатьох місцях автомобіля, щоб змусити деталі здійснювати контрольований електричний рух. Нижче наведено три програми, в яких можна знайти кроковий двигун, а саме: для керування холостим ходом, руками на панелі приладів і клапанами обігрівача для керування вентиляцією.
Кроковий двигун для контролю холостого ходу:
Дросельна заслінка бензинового двигуна в стані спокою закрита. Щоб двигун працював на холостому ходу, необхідний невеликий отвір. Прохід також має бути регульованим, оскільки температура та навантаження (наприклад, коли увімкнені споживачі, такі як насос кондиціонера) впливають на необхідну кількість всмоктуваного повітря.
У сучасних двигунах положення дросельної заслінки точно контролюється. Ми також знаходимо системи, в яких дросельна заслінка повністю закрита, а повітря направляється навколо дросельної заслінки через байпас. Циркуляція повітря може здійснюватися або за допомогою двигуна постійного струму, керованого ШІМ, або за допомогою крокового двигуна. Перегляньте сторінку про дросель.
На трьох зображеннях нижче показано кроковий двигун, який служить регулятором холостого ходу. Відкриття байпаса контролюється валом з конічним кінцем. Обертання якоря в кроковому двигуні призводить до обертання черв'ячної передачі.
- Поворот проти годинникової стрілки: черв'ячна передача повертається всередину (великий отвір в байпасі);
- Обертання за годинниковою стрілкою: черв'ячна передача обертається назовні (невеликий отвір у байпасі).
Панель інструментів:
Панель приладів часто оснащена декількома кроковими двигунами для вимірювача рівня в баку, спідометра, тахометра, температури двигуна, а в наведеному нижче прикладі також для вимірювача витрати під тахометром. Панель приладів BMW показана нижче.
У задній (всередині) панелі приладів ми знаходимо п’ять крокових двигунів із чорним корпусом. Праворуч ми бачимо кроковий двигун без корпусу. Тут ви можете чітко побачити дві котушки та чотири з’єднання (два зліва, два справа), за якими ми можемо розпізнати біполярний кроковий двигун. Кроковий двигун може регулювати вказівні голки невеликими кроками. Команда для регулювання надходить від ECU на панелі приладів.
На наступній діаграмі показано входи та виходи драйвера крокового двигуна. Це мікросхема на панелі приладів, яка перетворює вхідну інформацію на вихід для крокового двигуна:
- рівень палива в баку (поплавок бака);
- швидкість автомобіля (генератор імпульсів в коробці передач або датчики ABS);
- обороти двигуна (датчик положення коленвала);
- температури (датчик температури охолоджуючої рідини).
На блок-схемі червона та зелена стрілки показують підключення (A до D) на котушках крокового двигуна.
Повітронаправляючі клапани в печі:
Ми часто знаходимо крокові двигуни в вентиляційних клапанах з електронним управлінням піч будинок. На зображеннях нижче показано фотографію клапана температури повітря (ліворуч) і ілюстрацію місця установки (праворуч). Кроковий двигун керує клапаном за допомогою механізму, де цифра 4 на малюнку вказує на точку повороту. Якщо кроковий двигун працює неправильно або після заміни, початкове та кінцеве положення повинні бути відомі в ECU. За допомогою діагностичного обладнання ми можемо дізнатися, як клапан зупиняється, щоб ECU знав, коли клапан повністю відкритий або закритий, щоб він також міг визначити, як довго він повинен рухати кроковий двигун, щоб частково відкрити клапан.
Кроковий двигун з постійним магнітом (тип PM):
Цей тип крокового двигуна має ротор з постійним магнітом. Перевагою цього крокового двигуна є його проста конструкція і, отже, низька собівартість. Нижче наведено інформацію про роботу цього крокового двигуна.
Ротор крокового двигуна може здійснювати повний оберт з кількома проміжними кроками. У прикладі на чотирьох зображеннях нижче показано чотири проміжні кроки на обертання. Тому ротор можна зупиняти кожні 90 градусів. Лівий кроковий двигун знаходиться в положенні 1, з північним полюсом ротора вгорі і південним полюсом внизу. Щоб перемістити ротор на 90 градусів за годинниковою стрілкою, струм до котушки з клемами C і D припиняється, а інша котушка подається під напругу. Це можна побачити на другому кроковому двигуні. Черевик лівого стовпа стає червоним (північний полюс), а правий — чорним (південний полюс). Це поставить ротор у положення 2.
Це також працює таким чином із налаштуваннями 3 і 4; котушка між C і D знаходиться під напругою для положення 3, але струм тече в протилежному напрямку, ніж у положенні 1. Верхній полюсний башмак тепер є північним полюсом, а нижній – південним. Тепер ротор буде в положенні 3. Для положення 4 нижня котушка знову подається під напругу, і ротор обертатиметься до положення 4.
Чотиришвидкісний кроковий двигун можна зупиняти кожні 90 градусів. Якщо цього недостатньо для застосування, для якого використовується кроковий двигун, його також можна встановити у вісім кроків. Це можливо з тим самим кроковим двигуном, але під час цих проміжних кроків обидві котушки будуть під напругою одночасно.
На зображенні нижче показано ці проміжні кроки. Це кроки з 5 по 8. Як бачите, параметр 5 знаходиться між кроками 1 і 2. Те саме стосується кроку 6 (між кроками 2 і 3) тощо. Під час цих проміжних кроків струм протікає через обидві котушки.
Коли ротор потрібно повернути до кроку 5, струм протікає як у нижній котушці від A до B, так і у верхній котушці від C до D. Отже, тепер є два північних полюси (червоні черевики) і два південні полюси (чорні черевики). Ротор буде в положенні 5.
Для подальшого повороту ротора на 45 градусів (у положення 2) знову застосовується схема крокового двигуна з чотирма положеннями. Нижня котушка буде знову під напругою, щоб дозволити струму текти від A до B.
Якщо потім кроковий двигун повернути ще на 45 градусів (у положення 6), зображення вище буде застосовано знову, коли обидві котушки під напругою.
Кроковий двигун завжди керується керуючим пристроєм. Транзистори в мікросхемі драйвера пристрою керування забезпечують подачу струму та розряд до та від полюсних башмаків. Блок управління містить вісім транзисторів. Правильно керуючи цими вісьмома транзисторами, кроковий двигун зробить повний оборот за чотири або вісім кроків. Обертання може бути двостороннім; ліво і право. Контрольний пристрій забезпечує провідність правильних транзисторів.
На зображенні ми бачимо кроковий двигун, яким керує пристрій керування. Транзистори 1 і 4 включені. Для наочності управління транзистори і дроти пофарбовані в червоний і коричневий колір. Транзистор 1 (червоний) з’єднує клему A з плюсом, а транзистор 4 (коричневий) з’єднує клему B із землею.
Оскільки транзистори 2 і 3 не включені, струм через них не тече. Якби це було так, сталося б коротке замикання.
На зображенні кроковий двигун повертається трохи далі. Для цього транзистори 6 і 7 також необхідно зробити провідними.
Щоб дозволити кроковому двигуну обертатися ще трохи, припиняється провідність транзисторів 1 і 4. Лише транзистори 6 і 7 залишаються провідними, змушуючи кроковий двигун приймати положення 3.
Для наступного кроку транзистори 2 і 3 повинні бути включені.
Кроковий двигун зі змінною реактивністю (VR):
Подібно до крокового двигуна з постійним магнітом, кроковий двигун зі змінною реактивністю містить полюси статора з котушками. Він відрізняється від розглянутого раніше крокового двигуна своїм зубчастим ротором, виготовленим з феромагнітного металу, такого як нікель або залізо. Це означає, що ротор не магнітний. Цей тип крокового двигуна в даний час використовується рідко.
Котушка статора з одного боку (A) намотана протилежно, ніж котушка з іншого боку (A'). Те ж саме стосується B і B' тощо. Зубці ротора притягуються магнітним потоком, створеним під час живлення котушок статора.
Перевагами крокового двигуна VR порівняно з версією з постійними магнітами є:
- Завдяки відсутності постійних магнітів виробництво крокового двигуна VR є менш шкідливим для навколишнього середовища;
- Змінювати полярність котушок статора не потрібно. Це дозволяє спростити контроль;
Недоліками є:
- Низький крутний момент;
- Низька точність;
- Більш високий рівень шуму. Тому кількість застосувань, включаючи автомобільну, обмежена;
- Через відсутність постійних магнітів немає утримуючого моменту під час стояння.
Гібридний кроковий двигун:
Гібридний кроковий двигун має зубчастий ротор з постійними магнітами та зубчастий статор із вісьмома котушками з невеликим повітряним зазором між ротором і статором. Ротор складається з двох шестерень, зміщених одна відносно одної на 3,6°. На внутрішній частині ротора є великий магніт. Дві сталеві шестерні натиснуті на магніт. Шестерні також стають магнітними завдяки наявності магніту. Одна шестерня намагнічена як північний полюс, а інша як південний. Кожен зуб на роторі стає магнітним полюсом. Тому ми говоримо про «ротор Північного полюса» та «ротор Південного полюса». Завдяки перемиканню передач північний і південний полюси будуть чергуватися під час обертання. Кожна шестерня має 50 зубів.
У той момент, коли драйвер крокового двигуна проводить струм через котушку статора, котушка стає магнітною. Північні полюси котушок будуть притягувати південні полюси ротора, змушуючи ротор обертатися.
На трьох зображеннях нижче показано керування двома фазами (червоною та оранжевою) гібридного крокового двигуна.
A. Ротор крокового двигуна обернувся до свого поточного положення (див. малюнок), оскільки показані котушки зробили магнітними.
- Зелена шестерня — південний полюс, який притягується до північних полюсів на статорі;
- Зубці між ротором і статором вирівнюються один з одним у місцях, куди був витягнутий ротор. Для ясності ці точки позначені чорною позначкою в усіх трьох ситуаціях;
- Червона шестерня знаходиться за зеленою шестернею. Через те, що шестерні обертаються одна відносно одної, видно червоні зуби. Північні полюси ротора притягуються до південних полюсів статора.
B. Контроль змінив фази. Магнітне поле між помаранчевими котушками та ротором зникло. Тепер котушки «червоної» фази контролюються, в результаті чого між червоними котушками та ротором створюється магнітне поле.
- В результаті перемикання магнітного поля з помаранчевих на червоні котушки ротор повертається на 1,8° за годинниковою стрілкою;
- Щоб обертати ротор проти годинникової стрілки, а не за годинниковою стрілкою, потрібно було змінити полярність (напрямок струму) через червоні з’єднання. Адже напрямок струму через котушку визначає напрямок магнітного поля, а отже, і «положення» північного і південного полюсів.
C. Регулятор знову змінив фазу, і ротор знову повернувся за годинниковою стрілкою на 1,8°.
- Ті самі котушки, що й у ситуації А, під напругою, але полярність на помаранчевих проводах була змінена;
- Ротор можна знову повернути проти годинникової стрілки, керуючи котушками, як показано в ситуації B;
- Щоб змусити ротор обертатися за годинниковою стрілкою, червоні котушки також подаються під напругою, але полярність протилежна порівняно з ситуацією B.
У наведених вище прикладах можна побачити, що ротор північного полюса притягується до котушки південного полюса, і в той же час ротор південного полюса притягується до котушки північного полюса. Це гарантує, що гібридний кроковий двигун виконує дуже точні рухи, а також має високий крутний момент.
Гібридний кроковий двигун може бути оснащений більшою кількістю пар полюсів і більшою кількістю зубців на роторі, дозволяючи кроки до 0,728° і 500 кроків на оберт.
