Motorul pas cu pas: principiu de funcționare, circuit, descriere, caracteristici

În ingineria electrică modernă sunt utilizate numeroase dispozitive diverse, unele dintre acestea fiind destinate automatizării operațiilor tehnologice. Acesta este, de asemenea, un motor pas cu pas. Principiul de funcționare și dispozitivul acestui dispozitiv sunt descrise în articol.

Ce este?

Acesta este numele dispozitivului electromecanic care deservește semnalul de control mișcare mecanică rotor. Fiecare mișcare se termină cu o fixare într-o poziție strict definită. Dispozitivul este unghiular sau liniar. Merită să ne amintim că pas cu pas motor, principiu de funcționare care va fi descrisă mai jos, este un dispozitiv sincron.

Sisteme de control cu ​​buclă deschisă (fără feedback)

Cel mai adesea acest echipament este controlat de un circuit electronic special. Se alimentează numai dintr-o sursă de curent alternativ. Astfel de motoare sunt adesea folosite în circuite unde este necesară controlul vitezei. Astfel se evită necesitatea utilizării unei buclă de feedback complexă și scumpă, iar protecția motorului devine mai simplă (este necesar doar să se prevadă dezinfecția rapidă).

Acest principiu de funcționare este utilizat în circuite cu buclă deschisă. Trebuie reamintit faptul că această schemă (fără o buclă de feedback) este avantajoasă din punct de vedere economic, dar are o serie de limitări semnificative.

Astfel, rotația rotorului este relativ instabil, oscilatorie, determinând frecvența de rotație și alte caracteristici ale mișcării, în orice caz, nu poate fi cât mai corect, pe care acestea sunt în motoare de curent continuu cu o buclă de feedback. Pentru a extinde domeniul motorului pas cu pas, este necesar să găsiți modalități de reducere a vibrațiilor.

Configurația sistemului

Pentru a înțelege mai bine construcția motorului pas cu pas și principiul funcționării acestuia, este posibil să se ia în considerare schema de funcționare a dispozitivului aflat sub controlul său, care a fost folosită acum 20 de ani pentru a produce carduri de perforare. În acest scop, SD-urile cu trei și patru faze au fost aplicate universal. Acum vom analiza schema primului.

Am menționat deja că rotorul motorului se rotește la o anumită distanță ca răspuns la fiecare impuls de control. Valoarea acestei rotații este exprimată în grade și se numește pasul. Circuitul logic este pornit în timpul recepției semnalului, după care determină imediat faza necesară pentru activare. După aceasta, acesta trimite semnalul către invertorul responsabil pentru valoarea curentă pe care o utilizează motoarele pas cu pas. Caracteristicile acestui echipament implică utilizarea diferitelor tipuri de circuite de comandă. De regulă, acestea din urmă sunt montate pe tranzistoare utilizate pe scară largă, deși au fost utilizate relativ recent în acest scop circuite integrate. Cu potențialul de ieșire ridicat, faza de înfășurare necesară (prima, de exemplu) este excitată automat. Dacă potențialul scade, faza este oprită automat. Deci, protecția motorului electric este realizată.

Fazele sunt notate cu numerele ordonate 1, 2, 3 etc. fie prin literele A, B, C, etc. Ultima opțiune este utilizată numai în cazul unor motoare cu două faze. Astfel, o singură fază de două, trei sau patru disponibile (în funcție de tipul de motor) este excitată la un moment dat. În explicarea principiilor de funcționare a unui astfel de dispozitiv, această circumstanță este menționată în mod constant, dar este necesar să se înțeleagă că această schemă nu este deloc o metodă ideală de control.

Pas și creștere

Varianta cea mai simplă este alimentarea cu impulsuri unice de la circuitul de comandă. În acest caz, de exemplu, motorul, la un moment dat, rotește pinionul principal al transportorului pentru o anumită distanță înainte. Trebuie remarcat faptul că atunci când mecanismul masiv este alimentat doar cu o singură treaptă, problema vibrațiilor este în continuare agravată, iar inerția considerabilă se simte.

În astfel de cazuri, este mult mai justificată utilizarea unui motor pas cu pas, care poate face mai multe mișcări pentru un impuls de control. De asemenea, nu durează să folosiți un asterisc cu dinți mai mici. Apropo, fiecare astfel de mișcare se numește o creștere.

În cazurile descrise de noi, incrementul este egal cu unul și respectiv câțiva pași. După fiecare ciclu, motorul se oprește pentru o vreme, după care totul se repetă. Aceasta se numește mișcare incrementală și control incremental, respectiv.

Dacă o mișcare este efectuată în mai multe etape (așa cum am discutat mai sus), și nu pot exista oscilații ale rotorului. Atunci când mișcarea este o etapă, oscilațiile trebuie stinse prin intermediul unui dispozitiv electronic special. În general, motoarele pas cu pas (ale căror caracteristici se gândesc) aparțin dispozitivelor high-end, deoarece munca lor necesită o mulțime de "umpluturi" electronice complexe.

Principiul general al managementului

Pentru o creștere, numărul de pași este mai mare de patru ori în unele linii de producție, transportoare. Când datele de pe dispozitivul de stocare (memoria flash internă, hard diskul calculatorului) sunt trimise la controler, acestea sunt efectuate bloc cu bloc. Fiecare dintre ele conține un număr strict definit de simboluri (32, 48 sau 64), iar în diferite sisteme și în diferite scopuri ale dispozitivului această cifră poate varia foarte mult.

Nu este surprinzător că, în ultimii ani, produsele de uz casnic bazate pe microcomputerul Arduino au devenit comune. Motorul Stepper în acest design este ideal, deoarece într-un astfel de fascicul acesta poate fi adaptat atât ca o centrală pentru o jucărie, cât și pentru un echipament industrial destul de complex.

Un bloc de date este transferat înainte de utilizarea acestuia într-un semiconductor de memorie a controlerului, și apoi începe mișcarea, în conformitate cu instrucțiunile care au fost înregistrate în primul bloc de date (înainte de a conecta este necesară motorul electric pentru a afla aceste caracteristici).

După executarea instrucțiunilor, sistemul începe să citească a doua serie de informații. Dacă fiecare mișcare constă din mai mulți pași mici, o cascadă suplimentară trebuie montată în fața controlerului principal. Cel mai adesea funcțiile sale sunt efectuate de controlerul de intrare. Trimite date către a doua bucla de control la un interval specificat de sistem (Arduino). Motorul Stepper este în acest caz protejat de suprasolicitare prin solicitări.

Unele specificități ale utilizării SD

Vom vorbi despre unele dintre nuanțele folosirii motoarelor pas cu pas și, de asemenea, vom da o definiție a termenilor folosiți adesea în acest domeniu:

- Un unghi mic de pas. După cum știți deja, după fiecare impuls de control, rotorul motorului se rotește până la un anumit grad. Cu cât pasul este mai mic, cu atât viteza directă poate fi mai mare. Este important să știți că motoarele pas cu pas pot oferi foarte bine un pas foarte mic. Numărul pas în acest caz este numărul de revoluții pe pas, iar această valoare este foarte importantă pentru ingineri. Se calculează după următoarea formulă:

S = 360 / theta-S, unde S este numărul pasului, theta - unghiul de întindere (unghiul de rotație).

În majoritatea cazurilor, motorul pas cu pas poate efectua 96, 128 sau 132 pași pe revoluție. Modelele cu patru faze au uneori o valoare de 200. Tipurile rare de motoare de precizie într-o singură revoluție pot face 500 sau 1000 de pași simultan. Cu toate acestea, pentru soiurile simple acest lucru nu poate fi atins, deoarece unghiul lor de rotație este de 90, 45 sau 15 °.

- Precizie ridicată a vitezei. Acest parametru determină calitatea generală a dispozitivului. Știți deja că funcționarea motorului pas cu pas implică oprirea și fixarea acestuia într-o anumită poziție după executarea blocului de date. Desigur, mecanica convențională ne spune în mod neechivoc că, datorită inerției, forței de frecare și a altor factori, sunt posibile toate abaterile de la parametrii dat.

Combaterea fenomenelor nedorite

Distanța dintre rotor și dinții statorului este întotdeauna minimă pentru a crește rigiditatea fixării. Precizia exactă de poziționare depinde de caracteristicile numai a invertorului, deoarece alți factori îl afectează într-o măsură mult mai mică.

Și acum este necesar să se ia în considerare o serie de caracteristici și concepte importante, cum ar fi momentul static maxim, pozițiile rotorului "mort" și precizia poziționării tuturor acestor poziții. Pentru definirea termenilor de mai sus, există două concepte comune, general acceptate.

Efectul static maxim

Așa cum am spus deja, el are două poziții deodată:

• Reținerea. Acesta este efectul maxim admisibil care poate fi aplicat teoretic la arborele unui motor pas cu pas deja excitat fără apariția mișcării.
• Fixare. În consecință, este de asemenea efectul static maxim care poate fi aplicat teoretic pe arborele unui motor inexplicabil fără apariția unei rotații ulterioare.

Cu cât este mai mare cuplul de reținere, cu atât mai mică este probabilitatea erorilor de poziționare cauzate de sarcina imprevizibilă (condensatoarele pentru motoare, de exemplu, au eșuat). Un cuplu de fixare complet este posibil numai în acele modele de motoare în care sunt utilizate magneți permanenți.

Poziții rotoare moarte

Există trei poziții simultan, în care rotorul se oprește complet:

• Poziția echilibrului. Opreste complet motorul pas cu pas excitat.
• Fixation. De asemenea, starea în care se oprește rotorul. Dar acest concept este folosit numai pentru acele motoare în care designul are un magnet permanent.
• În modelele moderne de motoare pas cu pas, care respectă toate normele de securitate a mediului și a energiei, atunci când rotorul este oprit, înfășurarea este complet dezactivată.

Despre precizia poziționării

În cele din urmă, să vorbim despre cel mai important concept. Este vorba despre acuratețea poziționării. Se poate ghici cât de important este în funcționarea echipamentelor industriale complexe. Există doi termeni importanți:

• Unghi eroare de poziție. Se definește ca o deviere pozitivă sau negativă de la starea unghiulară normativă, care se observă foarte des în cazurile de tranziție a rotorului de la o poziție la alta. De regulă, inerția este de vină, precum și montarea slabă a pieselor.
• Precizia de poziționare. Aceasta este valoarea maximă a erorilor poziției unghiulare a rotorului care are loc pe întreaga perioadă a mișcării pas cu pas.

Important! Găsiți informațiile de reglementare pentru fiecare categorie de motoare pas cu pas poate fi atât la pagina oficială a producătorilor lor, precum și din documentația de referință, care vine cu acest tip de produse. De regulă, valoarea erorii este în intervalul de la +0,08 la -0,03 °. Pur și simplu, precizia de poziționare este calculată ca suma acestor doi indicatori: 0,08 ° + 0,03 ° = 0,11 °.

Astfel, motorul pas cu pas, principiul de funcționare pe care îl descriem, se referă la echipamente de înaltă precizie.

Raportul mare al momentului electromagnetic până în momentul inerției

După cum vă puteți imagina, este necesar ca motorul pas cu pas să pornească mișcarea cât mai curând posibil după ce pulsul de comandă ajunge la controler. Ar trebui să se oprească la fel de repede, având precizie de poziționare ridicată. Dacă în timpul mișcării se întrerupe secvența pulsului de comandă, motorul se va opri din funcționare în poziția determinată de ultimul impuls.

De asemenea, trebuie amintit faptul că cuplul electromagnetic legat de momentul de inerție în SE ar trebui să fie mult mai mare decât pentru motoare electrice convenționale.

Viteză de deplasare și frecvență puls

Deoarece viteza de rotație în SM este de fapt un număr de pași pe unitatea de timp în loc de termenul „viteza“ în literatura de specialitate de multe ori este posibil pentru a corespunde definiției de „viteză stepping“. Înainte de a conecta motorul, este necesar să citiți despre aceste nuanțe.

Deoarece în majoritatea motoarelor pas cu pas această frecvență este egală cu numărul de impulsuri de control, nu trebuie să fii surprins de denumirea sa neobișnuită în cărțile tehnice de referință. Mai precis, pentru astfel de motoare, unitatea de măsură este adesea un hertz (Hz).

Este important să înțelegeți că viteza de trecere a vitezei reale a rotorului nu reflectă în niciun fel. Experții consideră că nu există nici un motiv să nu se utilizeze în descrierea motoarelor pas cu pas același număr de rotații pe minut, care este utilizat în descrierea caracteristicilor tehnice ale motoarelor electrice convenționale. Raportul dintre viteza reală de rotație și analogul pasului său se calculează după următoarea formulă:

n = 60f / S, unde n este viteza de rotație exprimată în rotații pe minut; f este viteza de trecere; S este numărul de trepte.

Apropo, cum să determinați condensatorii necesari pentru motoarele electrice? Este foarte simplu! Este suficient doar să folosiți această formulă:

С = 66middot-Рном

Este ușor de ghicit ce înseamnă Rnom putere nominală motor electric în kW.

Schema cea mai simplă pentru conectarea motorului EM-178

Și acum vom lua în considerare cea mai simplă conexiune a unui motor pas cu pas, utilizând modelul EM-178 ca exemplu, utilizat pe scară largă în imprimantele industriale.

Nu este posibil să notăm pur și simplu lucrarea mai simplu pentru că există milioane de modele foarte diverse ale căror caracteristici au diferențe semnificative.

În prezent sunt utilizate diferite tipuri de motoare electrice de acest tip. În acest articol vom discuta cele mai frecvente.

Motoare cu jet

Este o varietate de dispozitive care sunt folosite pe scară largă până în prezent. De fapt, este aproape standard motor trifazat, pe stator, din care sunt șase dinți. Pur și simplu, fiecare două vârfuri care se opun una pe cealaltă aparțin aceleiași faze. Se utilizează conexiuni seriale sau paralele ale bobinelor acestora.

În ceea ce privește rotorul, pe el se află doar patru vârfuri. Cel mai adesea, producătorii de stator și rotor fac materiale magnetice moi, dar este adesea posibil să se întâlnească pur și simplu rotoare masive din metale obișnuite. Problema este că există o singură cerință importantă pentru substanțele care intră în producția lor: trebuie să asigure cea mai bună conductivitate a câmpului magnetic. Acest lucru este extrem de important dacă discutăm despre motorul pas cu pas: principiul funcționării este direct legat de forța câmpului magnetic.

Dispozitive cu magneți permanenți

Ca rotor se utilizează un magnet de formă cilindrică, pe stator există patru dinți cu înfășurare individuală. Pentru a reduce puternic unghiul de pas, în aceste modele motoare pas cu pas trebuie să crească pe măsură ce numărul de poli rotor, iar numărul de dinți de pe stator. Cu toate acestea, trebuie amintit că ambii acești parametri au limitări fizice destul de stricte. În ultimul paragraf al acestui articol are informații despre alternativa a structurii (motor pas cu pas bipolare), dar aceste modele pot fi văzute nu atât de des.

Așa cum am spus deja, dispozitivele de trecere cu magneți permanenți se opresc într-o poziție strict fixă ​​chiar și atunci când tensiunea din înfășurări este îndepărtată. În acest caz, se declanșează același mecanism de blocare pe care l-am discutat mai sus, poziția de fixare.

Utilizarea magneților permanenți este justificată din multe puncte de vedere, dar, în același timp, aplicarea lor poate duce imediat la mai multe probleme. În primul rând, prețul lor este departe de a fi accesibil. Apropo, cât de mult este un astfel de motor pas cu pas? Prețul modelelor cu magneți permanenți depășește 100 de mii de ruble.

În al doilea rând, densitatea maximă a câmpului magnetic nu poate fi prea mare, deoarece această valoare este limitată de magnetizarea purtătorului însuși. Astfel, magneții de ferită permanenți relativ ieftini nu permit obținerea unei rezistențe câmp mai mult sau mai puțin suficiente. Și care sunt celelalte tipuri de motoare electrice care lucrează pe acest principiu?

Instalații hibride

Există un alt tip de motor pas cu pas, parțial folosind același principiu. Modelele hibride funcționează atât cu cele reactive, cât și cu motoare magnetice.

Rotorul are aproape același design ca SD reactiv, dar aici înfășurările sunt produse printr-o schemă puțin diferită. Adevărul este că la fiecare polarizare a polului există numai o singură bobină (SD cu trei faze). Nu este greu de ghicit că două bobine sunt deja înfășurate în modele în patru faze. Bobina este realizată în conformitate cu schema bifilară. Particularitatea este că în timpul excitației pe bobine se creează un câmp magnetic de diferite polarități (motor pas cu pas bipolar).