Стъпкови двигатели
(23)Стъпковите двигатели са безчеткови двигатели за постоянен ток, движещи се с прецизни стъпки. Те са оборудвани с много бобини, които са групирани във фази. Захранването на поредните фази поредно задвижва двигателя стъпка по стъпка. Благодарение на компютърното управление те могат да бъдат позиционирани и скоростта да се управлява. Във връзка с това стъпковите двигатели са предпочитани в много приложения с прецизно управление на движението.
Качества на стъпковите двигатели
Стъпковите двигатели се движат с прецизни, повтаряеми стъпки, затова са отлични за приложения като принтери 3D, CNC, платформи на камери и плотери X, Y. Предимството на стъпковите двигатели е надеждността, която е налице благодарение на липсата на четки. Животът на стъпковите двигатели зависи от живота на лагерите.
Прецизната промяна на позицията позволява отличен контрол на въртящата скорост. Нещо повече, нормалните двигатели за постоянен ток нямат голям въртящ момент при ниски скорости. Стъпковият двигател обаче има максимален въртящ момент при ниски скорости, затова те са добър избор за приложения, изискващи ниски скорости с висока прецизност.
Поради зависимостта на работата на двигателя от дискретни импулси, е възможно управлението му в отворен контур. Това прави стъпковите двигатели по-лесни и по-евтини за управление.
Тази възможност за точно управление в отворен контур е най-значимото предимство на стъпковия двигател. Работата в отворен контур означава, че не се изисква обратна връзка. Благодарение на такова управление вече не са необходими например оптоелектронните енкодери, което намалява разходите. Позициите се намират чрез броене на входните импулси.
Имайте предвид обаче, че стъпковите двигатели имат склонност да се нагряват, защото консумират най-много ток, когато изобщо не работят. С други думи, за разлика от двигателите за постоянен ток, консумацията на ток на стъпков двигател не зависи от натоварването. Друг недостатък е по-ниският въртящ момент при високи обороти. Те обаче могат да бъдат оптимизирани за по-добра ефективност при високи скорости, но трябва да бъдат свързани със съответния контролер, за да се постигне тази ефективност.
За разлика от серводвигателите, повечето стъпкови двигатели нямат интегрирана обратна връзка за позиция.
Видове стъпкови двигатели
На пазара са достъпни много различни видове стъпкови двигатели, някои от които изискват високо специализирани контролери. Най-популярните са стъпкови двигатели, задвижвани от общодостъпни контролери. Това са: стъпкови двигатели с постоянен магнит или хибридни, двуфазни двуполюсни или четирифазни еднополюсни.
Важни качества при избора на стъпков двигател
Параметрите на стъпковия двигател са номиналното напрежение на намотките, захранващото напрежение, номиналният ток, който може да се използва без да претоварва двигателя, съпротивлението на намотката, инерционният момент на ротора, моментът на спрян двигател, когато се захранва с номинален ток (т. нар. задържащ въртящ момент), характеристиките на въртящия момент на двигателя като функция на броя на импулсите в секунда (pps), максималната скорост (без натоварване), скорост start-stop, размери на корпуса, обикновено по оста на въртене, и теглото.
Едно от първите неща, което трябва да вземете предвид при избор на стъпков двигател е работата, която той трябва да изпълнява. Колкото по-големи са двигателите, толкова по-висока мощност могат да доставят. Стъпковите двигатели се предлагат с различни размери. Големите двигатели се използват в 3D принтерите и в по-малки CNC фрези. По-малките двигатели се използват в роботиката.
Поредният параметър, който трябва да вземете предвид е въртящият момент на стъпковия двигател. Той зависи от неговата въртяща скорост. Когато двата полюса на ротора и статора са един срещу друг, двигателят има най-голям момент. По време на изпълнението на стъпката възникват моменти, в които полюсите се подравняват един с друг, докато роторът се завърти към следващия полюс. Ако натоварването е твърде голямо, двигателят може да не прескочи между единия и другия зъб. Може дори да се върне назад.
Брой стъпки в стъпковия двигател
Поредният фактор, който трябва да се вземе предвид, е изискваната резолюция на позициониране. Броят на стъпките на оборот възлиза на от 4 до 400. Най-често достъпният брой крачки е 24, 48 и 200.
Резолюцията често се изразява в градуси за стъпка. Двигател 1,8° е двигател с 200 стъпки/оборот. Компромисът за високата резолюция е скоростта и въртящият момент. По-големият брой крачки, необходим за въртенето на стъпковите двигатели, води до по-нисък въртящ момент.
Задвижващ механизъм на стъпковите двигатели
Начин за постигане на висока резолюция на позициониране е използването на редуктор. Редуктор 32:1, използван на изхода на 8-стъпков двигател, ще даде в резултат 256-стъпков двигател. Зъбният редуктор ще повиши също така и въртящия момент на двигателя. Най-малките стъпкови двигатели с редуктор имат впечатляващ въртящ момент. Но компромисът, разбира се, е скоростта.
Видове валове в стъпковите двигатели
Поредният въпрос за решаване е как двигателят ще бъде свързан с останалата част на задвижващата система. Двигателите се предлагат с различни видове валове:
- Вал с кръгло сечение или с „D”-образно сечение: Те се предлагат в различни стандартни диаметри и има много ремъчни колела, зъбни колела и съединители на валове, проектирани да бъдат съвместими. Валовете "D" имат една плоска повърхност за предотвратяване на приплъзване. Те са подходящи за високи въртящи моменти.
- Вал с редуктор: Някои валове имат фрезовани зъби на зъбни колела. Те обикновено са проектирани да работят съвместно с модулни зъбни редуктори.
- Винтов вал : Двигателите с винтови валове се използват при изграждането на линейни задвижвания. Техните миниатюрни версии могат да бъдат намерени като позиционери за глави в много дискови устройства.
Окабеляване на стъпковите двигатели
Има много видове окабеляване на стъпковите двигатели. Струва си да се вземат предвид няколко от тях, които се използват с общодостъпни контролери. Това са стъпкови двигатели с постоянни магнити или хибридни стъпкови двигатели, свързани като 2-фазни биполярни или 4-фазни униполярни. Стъпковият двигател може да има произволен брой намотки и всички намотки в една фаза се захранват заедно.
Еднополюсен и двуполюсен стъпков двигател
Еднополюсните контролери винаги захранват фазите по един и същ начин. Едната линия винаги ще бъде отрицателна, а другата винаги положителна. Униполярните контролери могат да бъдат реализирани с прости транзисторни схеми. Недостатъкът е, че наличният въртящ момент е по-малък, тъй като само половината от бобините могат да се захранват едновременно. Биполярните контролери използват веригата на моста H, за да обърнат посоката на тока през фазите. Захранвайки фазата с променлива поляризация може да се задействат всички бобини като двигателят ще се завърти.
Допълнителни подвъзли
Трябва да се помни, че стъпковият двигател е подвъзел и не работи самостоятелно, поради което при изграждането на задвижването трябва да се разглежда двигателя заедно с контролера. Параметрите на двата елемента са еднакво важни. Изборът на комплект от двигател и контролер ще окаже значително влияние върху характеристиките на задвижващата система. Основните видове управления за стъпков двигател, които се използват понастоящем, са: управление на цяла стъпка, управление на половин стъпка, микростъпково управление.
Склад:
