Co to jest silnik krokowy: rodzaje i jego działanie

Silnik krokowy to urządzenie elektromechaniczne, które przekształca energię elektryczną w moc mechaniczną. Jest to również bezszczotkowy, synchroniczny silnik elektryczny, który może podzielić pełny obrót na dużą liczbę kroków. Położenie silnika może być dokładnie kontrolowane bez żadnego mechanizmu sprzężenia zwrotnego, o ile silnik jest starannie dobrany do zastosowania. Silniki krokowe są podobne do przełączanych silniki reluktancyjne. Silnik krokowy wykorzystuje teorię działania magnesów, aby spowodować obrót wału silnika na dokładną odległość, gdy zostanie dostarczony impuls elektryczny. Stojan ma osiem biegunów, a wirnik ma sześć biegunów. Wirnik będzie wymagał 24 impulsów energii elektrycznej, aby wykonać 24 stopnie i wykonać jeden pełny obrót. Innym sposobem na powiedzenie tego jest to, że wirnik porusza się dokładnie o 15 ° na każdy impuls energii elektrycznej, który otrzymuje silnik.

Zasada budowy i działania

Plik budowa silnika krokowego jest dość powiązany z Silnik prądu stałego . Zawiera magnes trwały, taki jak Rotor, który znajduje się pośrodku i obróci się, gdy zadziała na niego siła. Ten wirnik jest zamknięty przez nr. stojana, który jest owinięty wokół cewki magnetycznej. Stojan jest umieszczony blisko wirnika, dzięki czemu pola magnetyczne w stojanach mogą kontrolować ruch wirnika.

Silnik krokowy

Silnik krokowy może być sterowany poprzez zasilanie każdego stojana po kolei. Tak więc stojan namagnesuje i działa jak biegun elektromagnetyczny, który wykorzystuje energię odpychania na wirniku, aby poruszać się do przodu. Alternatywne namagnesowanie i rozmagnesowanie stojana spowoduje stopniowe przesuwanie wirnika i pozwoli mu obracać się z dużą kontrolą.

Plik Zasada działania silnika krokowego to elektromagnetyzm. Zawiera wirnik, który jest wykonany z magnesem trwałym, podczas gdy stojan jest z elektromagnesami. Po doprowadzeniu zasilania do uzwojenia stojana, wówczas w stojanie wytworzy się pole magnetyczne. Teraz wirnik w silniku zacznie się poruszać wraz z wirującym polem magnetycznym stojana. To jest podstawowa zasada działania tego silnika.

Budowa silnika krokowego

W tym silniku znajduje się miękkie żelazo, które jest zamknięte przez elektromagnetyczne stojany. Bieguny stojana i wirnika nie zależą od rodzaju silnika krokowego. Gdy stojany tego silnika zostaną zasilone, wirnik będzie się obracał, aby ustawić się w linii ze stojanem, w przeciwnym razie obróci się, aby uzyskać najmniejszą szczelinę w stojanie. W ten sposób stojany są aktywowane szeregowo, aby obrócić silnik krokowy.

Techniki jazdy

Technika jazdy na silniku krokowym jest to możliwe w przypadku niektórych specjalnych obwodów ze względu na ich złożoną konstrukcję. Istnieje kilka metod sterowania tym silnikiem, niektóre z nich omówiono poniżej na przykładzie czterofazowego silnika krokowego.

Tryb pojedynczego wzbudzenia

Podstawową metodą napędzania silnika krokowego jest tryb pojedynczego wzbudzenia. Jest to stara metoda i obecnie mało używana, ale trzeba wiedzieć o tej technice. W tej technice każda faza w przeciwnym razie stojana obok siebie będzie wyzwalana jedna po drugiej na przemian za pomocą specjalnego obwodu. Spowoduje to namagnesowanie i rozmagnesowanie stojana, aby przesunąć wirnik do przodu.

Pełny napęd krokowy

W tej technice aktywowane są jednocześnie dwa statory zamiast jednego w bardzo krótszym okresie. Technika ta zapewnia wysoki moment obrotowy i umożliwia silnikowi napędzanie dużego obciążenia.

Napęd półstopniowy

Ta technika jest dość związana z napędem pełnostopniowym, ponieważ dwa stojany zostaną ustawione obok siebie, tak że zostanie aktywowany jako pierwszy, podczas gdy trzeci zostanie aktywowany później. Ten rodzaj cyklu przełączania najpierw dwóch stojanów, a następnie trzeciego stojana będzie napędzać silnik. Ta technika skutkuje poprawą rozdzielczości silnika krokowego przy jednoczesnym zmniejszeniu momentu obrotowego.

Micro Stepping

Ta technika jest najczęściej stosowana ze względu na jej dokładność. Zmienny prąd krokowy będzie dostarczany przez obwód sterownika silnika krokowego w kierunku cewek stojana w postaci przebiegu sinusoidalnego. Dokładność każdego kroku może zostać zwiększona przez ten mały prąd krokowy. Technika ta jest szeroko stosowana, ponieważ zapewnia wysoką dokładność, a także znacznie zmniejsza hałas podczas pracy.

Obwód silnika krokowego i jego działanie

Silniki krokowe działają inaczej niż Silniki szczotkowe na prąd stały , które obracają się po przyłożeniu napięcia do ich zacisków. Z drugiej strony silniki krokowe w rzeczywistości mają wiele uzębionych elektromagnesów rozmieszczonych wokół centralnego kawałka żelaza w kształcie koła zębatego. Elektromagnesy są zasilane przez zewnętrzny obwód sterujący, na przykład mikrokontroler.

Obwód silnika krokowego

Aby obrócić wał silnika, pierwszy elektromagnes otrzymuje moc, co powoduje, że zęby przekładni są magnetycznie przyciągane do zębów elektromagnesu. W momencie, gdy zęby koła zębatego są ustawione w ten sposób w stosunku do pierwszego elektromagnesu, są one nieco odsunięte od następnego elektromagnesu. Kiedy więc następny elektromagnes jest włączony, a pierwszy wyłączony, koło zębate obraca się nieznacznie, aby zrównać się z następnym, a następnie proces jest powtarzany. Każdy z tych drobnych obrotów nazywany jest krokiem, przy czym całkowita liczba kroków oznacza pełny obrót.

W ten sposób silnik można precyzyjnie obracać. Silnik krokowy nie obraca się w sposób ciągły, obracają się stopniowo. Istnieją 4 cewki z 90^lubkąt między sobą zamocowany na stojanie. Połączenia silnika krokowego są określane przez sposób połączenia cewek. W silniku krokowym cewki nie są połączone. Silnik ma 90^lubkrok obrotu z cewkami zasilanymi w kolejności cyklicznej, określający kierunek obrotu wału.

Działanie tego silnika jest pokazane po naciśnięciu przełącznika. Cewki są aktywowane szeregowo w odstępach 1-sekundowych. Wał obraca się o 90 stopni^lubza każdym razem, gdy aktywowana jest następna cewka. Jego moment obrotowy przy niskiej prędkości zmienia się bezpośrednio wraz z prądem.

Rodzaje silników krokowych

Istnieją trzy główne typy silników krokowych, są to:

• Stepper z magnesami trwałymi
• Hybrydowy synchroniczny stepper
• Stepper o zmiennej niechęci

Silnik krokowy z magnesem trwałym

Silniki z magnesami trwałymi wykorzystują magnes trwały (PM) w wirniku i działają na zasadzie przyciągania lub odpychania między wirnikiem PM a elektromagnesami stojana.

Jest to najpowszechniejszy typ silnika krokowego w porównaniu z różnymi typami silników krokowych dostępnych na rynku. Ten silnik zawiera magnesy trwałe w konstrukcji silnika. Ten rodzaj silnika jest również znany jako silnik puszki / puszki. Główną zaletą tego silnika krokowego są niższe koszty produkcji. Każda rewolucja ma 48-24 kroki.

Silnik krokowy o zmiennej reluktancji

Silniki o zmiennej reluktancji (VR) mają zwykły żelazny wirnik i działają w oparciu o zasadę, że minimalna reluktancja występuje przy minimalnej szczelinie, stąd punkty wirnika są przyciągane w kierunku biegunów magnesu stojana.

Silnik krokowy, podobnie jak zmienna reluktancja, jest podstawowym typem silnika i jest używany od wielu lat. Jak sama nazwa wskazuje, położenie kątowe wirnika zależy głównie od oporu obwodu magnetycznego, który może powstać między zębami stojana i wirnika.

Hybrydowy synchroniczny silnik krokowy

Hybrydowe silniki krokowe mają swoją nazwę, ponieważ wykorzystują połączenie technik z magnesami trwałymi (PM) i zmienną reluktancją (VR) w celu uzyskania maksymalnej mocy w małych obudowach.

Najpopularniejszym typem silnika jest hybrydowy silnik krokowy ponieważ zapewnia dobrą wydajność w porównaniu z wirnikiem z magnesami trwałymi pod względem prędkości, rozdzielczości kroku i momentu trzymającego. Ale ten typ silnika krokowego jest drogi w porównaniu z silnikami krokowymi z magnesami trwałymi. Silnik ten łączy w sobie cechy silników krokowych z magnesami trwałymi i silnikami krokowymi o zmiennej reluktancji. Silniki te są używane tam, gdzie wymagany jest mniejszy kąt kroku, np. 1,5, 1,8 i 2,5 stopnia.

Jak wybrać silnik krokowy?

Przed wybraniem silnika krokowego do swoich wymagań bardzo ważne jest zbadanie krzywej momentu obrotowego i prędkości silnika. Tak więc ta informacja jest dostępna od projektanta silnika i jest to graficzny symbol momentu obrotowego silnika przy określonej prędkości. Krzywa momentu obrotowego silnika powinna ściśle odpowiadać wymaganiom aplikacji, w przeciwnym razie nie można uzyskać oczekiwanej wydajności systemu.

Rodzaje okablowania

Silniki krokowe są generalnie silnikami dwufazowymi, takimi jak unipolarne, inaczej dwubiegunowe. Dla każdej fazy silnika jednobiegunowego są dwa uzwojenia. Tutaj, centralnie zaczepiony jest wspólny przewód między dwoma uzwojeniami w kierunku słupa. Silnik jednobiegunowy ma od 5 do 8 przewodów.

W konstrukcji, w której wspólne dwa bieguny są podzielone, ale z gwintem środkowym, ten silnik krokowy zawiera sześć wyprowadzeń. Jeśli dwubiegunowe zaczepy środkowe są krótkie wewnątrz, to silnik zawiera pięć przewodów. Jednobiegunowy z 8 przewodami ułatwi zarówno połączenie szeregowe, jak i równoległe, podczas gdy silnik z pięcioma lub sześcioprzewodowymi przewodami ma szeregowe połączenie cewki stojana. Działanie silników jednobiegunowych można uprościć, ponieważ podczas ich obsługi nie ma wymogu odwracania przepływu prądu w obwodzie napędowym zwanym silnikami bifilarnymi.

W dwubiegunowym silniku krokowym na każdy biegun przypada jedno uzwojenie. Kierunek zasilania musi zmienić się w obwodzie napędowym, tak aby stał się złożony, dlatego silniki te nazywane są silnikami jednorodnymi.

Sterowanie silnikiem krokowym przez zmienne impulsy zegarowe

Sterowanie silnikiem krokowym obwód jest prostym i tanim obwodem, używanym głównie w zastosowaniach o małej mocy. Obwód pokazano na rysunku, który składa się z 555 timerów IC jako stabilnego multi-wibratora. Częstotliwość jest obliczana przy użyciu podanej zależności.

Częstotliwość = 1 / T = 1,45 / (RA + 2RB) C gdzie RA = RB = R2 = R3 = 4,7 kilo-ohm i C = C2 = 100 µF.

Sterowanie silnikiem krokowym przez zmienne impulsy zegarowe

Wyjście timera jest używane jako zegar dla dwóch przerzutników 7474 dual „D” (U4 i U3) skonfigurowanych jako licznik pierścieniowy. Gdy zasilanie jest początkowo włączane, ustawiany jest tylko pierwszy przerzutnik (tj. Wyjście Q na pinie 5 U3 będzie logiczne '1'), a pozostałe trzy przerzutniki są resetowane (tj. Wyjście Q jest logiczne 0). Po otrzymaniu impulsu zegarowego wyjście logiczne „1” pierwszego przerzutnika zostaje przesunięte na drugi przerzutnik (styk 9 ​​w U3).

Zatem wyjście logiki 1 zmienia się cyklicznie z każdym impulsem zegara. Wyjścia Q wszystkich czterech przerzutników są wzmacniane przez układy tranzystorów Darling-ton wewnątrz ULN2003 (U2) i podłączone do uzwojeń silnika krokowego pomarańczowy, brązowy, żółty, czarny do 16, 15,14, 13 ULN2003 i czerwony do + ve dostaw.

Wspólny punkt uzwojenia jest podłączony do zasilania + 12V DC, które jest również podłączone do pinu 9 ULN2003. Kolorystyka uzwojeń może się różnić w zależności od marki. Po włączeniu zasilania sygnał sterujący podłączony do pinu SET pierwszego przerzutnika i pinów CLR pozostałych trzech przerzutników przechodzi w stan `` niski '' (ze względu na obwód resetowania zasilania utworzony przez R1 -C1), aby ustawić pierwszy przerzutnik i zresetować pozostałe trzy przerzutniki.

Po zresetowaniu Q1 IC3 przechodzi w stan „wysoki”, podczas gdy wszystkie inne wyjścia Q przechodzą w stan „niski”. Reset zewnętrzny można aktywować, naciskając przełącznik resetowania. Naciskając przycisk resetowania, możesz zatrzymać silnik krokowy. Silnik ponownie zaczyna się obracać w tym samym kierunku po zwolnieniu przycisku resetowania.

Różnica między silnikiem krokowym a serwomotorem

Serwosilniki są odpowiednie do zastosowań z wysokim momentem obrotowym i prędkością, podczas gdy silnik krokowy jest tańszy, więc są używane tam, gdzie wymagany jest wysoki moment trzymania, przyspieszenie od niskiego do średniego, a także elastyczność pracy w otwartej pętli zamkniętej. Różnica między silnikiem krokowym a serwomotorem obejmuje następujące elementy.

Silnik krokowy vs silnik prądu stałego

Zarówno silniki krokowe, jak i silniki prądu stałego są używane w różnych zastosowaniach przemysłowych, ale główne różnice między tymi dwoma silnikami są nieco zagmatwane. Tutaj wymieniamy kilka wspólnych cech tych dwóch projektów. Każda cecha została omówiona poniżej.

Parametry silnika krokowego

Parametry silnika krokowego obejmują głównie kąt kroku, kroki dla każdego obrotu, kroki dla każdej sekundy i obroty.

Kąt kroku

Kąt kroku silnika krokowego można zdefiniować jako kąt, pod jakim obraca się wirnik silnika po podaniu pojedynczego impulsu na wejście stojana. Rozdzielczość silnika można zdefiniować jako liczbę kroków silnika i liczbę obrotów wirnika.

Rozdzielczość = liczba kroków / liczba obrotów wirnika

Rozmieszczenie silnika można określić za pomocą kąta kroku i jest ono wyrażone w stopniach. Rozdzielczość silnika (numer kroku) to nie. kroków, które wykonują w ciągu jednego obrotu wirnika. Gdy kąt kroku silnika jest mały, wówczas rozdzielczość jest wysoka dla ustawienia tego silnika.

Dokładność rozmieszczenia obiektów przez ten silnik zależy głównie od rozdzielczości. Gdy rozdzielczość jest wysoka, dokładność będzie niska.

Niektóre silniki dokładności mogą tworzyć 1000 kroków w ramach jednego obrotu, w tym 0,36 stopnia kąta kroku. Typowy silnik ma 1,8 stopnia kąta kroku z 200 krokami na każdy obrót. Różne kąty kroku, takie jak 15 stopni, 45 stopni i 90 stopni, są bardzo powszechne w zwykłych silnikach. Liczba kątów może zmieniać się od dwóch do sześciu, a mały kąt kroku można uzyskać dzięki szczelinowym częściom biegunów.

Kroki dla każdej rewolucji

Kroki dla każdej rozdzielczości można zdefiniować jako liczbę kątów kroku niezbędnych do całkowitego obrotu. Wzór na to to 360 ° / kąt kroku.

Kroki na każdą sekundę

Ten rodzaj parametru jest używany głównie do pomiaru liczby kroków pokonywanych w ciągu każdej sekundy.

Obrotów na minutę

RPM to liczba obrotów na minutę. Służy do pomiaru częstotliwości obrotów. Czyli używając tego parametru, możemy obliczyć liczbę obrotów w ciągu jednej minuty. Główna zależność między parametrami silnika krokowego wygląda następująco.

Kroki na każdą sekundę = Obrót na minutę x Kroki na obrót / 60

Połączenie silnika krokowego z mikrokontrolerem 8051

Połączenie silnika krokowego z 8051 jest bardzo proste dzięki zastosowaniu trzech trybów, takich jak napęd falowy, napęd pełnostopniowy i napęd półetapowy, poprzez przekazanie 0 i 1 do czterech przewodów silnika w oparciu o tryb napędu, który musimy wybrać do uruchomienia tego silnika.

Pozostałe dwa przewody należy podłączyć do źródła napięcia. W tym przypadku zastosowano jednobiegunowy silnik krokowy, w którym cztery końce cewek są połączone z głównymi czterema pinami portu-2 w mikrokontrolerze za pomocą ULN2003A.

Ten mikrokontroler nie dostarcza wystarczającego prądu do napędzania cewek, więc układ scalony sterownika prądu lubi ULN2003A. Należy zastosować ULN2003A i jest to zbiór 7 par tranzystorów NPN Darlington. Projektowanie pary Darlingtona można wykonać za pomocą dwóch tranzystorów bipolarnych, które są połączone w celu uzyskania maksymalnego wzmocnienia prądu.

W układzie scalonym sterownika ULN2003A, piny wejściowe to 7, piny wyjściowe to 7, gdzie dwa piny służą do zasilania i zacisków uziemienia. Tutaj używane są piny 4-wejściowe i 4-wyjściowe. Jako alternatywa dla ULN2003A, układ scalony L293D jest również używany do wzmacniania prądu.

Musisz bardzo uważnie obserwować dwa wspólne przewody i cztery przewody cewki, inaczej silnik krokowy nie będzie się obracał. Można to zaobserwować, mierząc rezystancję za pomocą multimetru, ale multimetr nie wyświetli żadnych odczytów między dwiema fazami przewodów. Gdy wspólny przewód i pozostałe dwa przewody są w równej fazie, musi wykazywać podobną rezystancję, podczas gdy dwa punkty końcowe cewek w podobnej fazie będą wykazywać podwójną rezystancję w porównaniu z rezystancją między punktem wspólnym, jak i jednym punktem końcowym.

Rozwiązywanie problemów

• Rozwiązywanie problemów to proces sprawdzania stanu silnika, czy silnik działa, czy nie. Poniższa lista kontrolna służy do rozwiązywania problemów z silnikiem krokowym.
• Najpierw sprawdź połączenia, a także kod obwodu.
• Jeśli wszystko jest w porządku, następnie sprawdź, czy silnik ma odpowiednie napięcie lub po prostu wibruje, ale nie obraca się.
• Jeśli napięcie zasilania jest prawidłowe, sprawdź punkty końcowe czterech cewek, które są powiązane z układem scalonym ULN2003A.
• Najpierw odkryj dwa ogólne punkty końcowe i podłącz je do zasilania 12 V, a następnie przymocuj pozostałe cztery przewody do IC ULN2003A. Dopóki silnik krokowy nie zostanie uruchomiony, wypróbuj wszystkie możliwe kombinacje. Jeśli połączenie tego nie jest prawidłowe, silnik będzie wibrował zamiast obracać się.

Czy silniki krokowe mogą pracować w sposób ciągły?

Ogólnie wszystkie silniki pracują lub obracają się w sposób ciągły, ale większość silników nie może się zatrzymać, gdy są pod napięciem. Kiedy spróbujesz ograniczyć wał silnika, gdy jest on zasilany, spali się lub pęknie.

Alternatywnie, silniki krokowe są zaprojektowane tak, aby wykonać dyskretny krok, a następnie poczekać tam ponownie i pozostać tam. Jeśli chcemy, aby silnik pozostawał w jednym miejscu przez krótszy czas przed ponownym krokiem, będzie wyglądał, jakby obracał się w sposób ciągły. Zużycie energii przez te silniki jest wysokie, ale rozpraszanie mocy występuje głównie wtedy, gdy silnik jest zatrzymany lub źle zaprojektowany, wtedy istnieje ryzyko przegrzania. Z tego powodu prąd zasilania silnika jest często zmniejszany, gdy silnik znajduje się w pozycji zatrzymania przez dłuższy czas.

Głównym powodem jest to, że gdy silnik się obraca, jego wejściowa część elektryczna może zostać zmieniona na moc mechaniczną. Kiedy silnik jest zatrzymany, gdy się obraca, cała moc wejściowa może zostać zamieniona na ciepło wewnątrz cewki.

Zalety

Plik zalety silnika krokowego obejmują następujące elementy.

• Wytrzymałość
• Prosta konstrukcja
• Może pracować w układzie sterowania z otwartą pętlą
• Konserwacja jest niska
• Działa w każdej sytuacji
• Niezawodność jest wysoka
• Kąt obrotu silnika jest proporcjonalny do impulsu wejściowego.
• Silnik na postoju ma pełny moment obrotowy.
• Precyzyjne pozycjonowanie i powtarzalność ruchu, ponieważ dobre silniki krokowe mają dokładność 3-5% kroku i ten błąd nie kumuluje się z jednego kroku do drugiego.
• Doskonała reakcja na uruchamianie, zatrzymywanie i cofanie.
• Bardzo niezawodny, ponieważ w silniku nie ma szczotek stykowych. Dlatego żywotność silnika zależy po prostu od żywotności łożyska.
• Reakcja silnika na cyfrowe impulsy wejściowe zapewnia sterowanie w otwartej pętli, dzięki czemu sterowanie silnikiem jest prostsze i mniej kosztowne.
• Możliwe jest osiągnięcie bardzo niskich prędkości obrotowych synchronicznych przy obciążeniu bezpośrednio sprzężonym z wałem.
• Można zrealizować szeroki zakres prędkości obrotowych, ponieważ prędkość jest proporcjonalna do częstotliwości impulsów wejściowych.

Niedogodności

Plik wady silnika krokowego obejmują następujące elementy.

• Wydajność jest niska
• Moment obrotowy silnika spada szybko wraz z prędkością
• Dokładność jest niska
• Informacje zwrotne nie służą do określania potencjalnych pominiętych kroków
• Mały moment obrotowy w kierunku współczynnika bezwładności
• Niezwykle głośno
• Jeśli silnik nie jest odpowiednio sterowany, mogą wystąpić rezonanse
• Obsługa tego silnika nie jest łatwa przy bardzo dużych prędkościach.
• Konieczny jest dedykowany obwód sterujący
• W porównaniu z silnikami prądu stałego zużywa więcej prądu

Aplikacje

Plik zastosowania silnika krokowego obejmują następujące elementy.

1. Maszyny przemysłowe - Silniki krokowe są stosowane w miernikach samochodowych i automatycznym sprzęcie produkcyjnym obrabiarek.
2. Bezpieczeństwo - nowe produkty do monitoringu dla branży bezpieczeństwa.
3. Medyczny - Silniki krokowe są używane w skanerach medycznych, próbnikach, a także w cyfrowej fotografii dentystycznej, pompach płynów, respiratorach i maszynach do analizy krwi.
4. Elektroniki użytkowej - Silniki krokowe w aparatach do automatycznego ustawiania ostrości i zoomu w aparacie cyfrowym.

A także aplikacje na maszyny biznesowe, aplikacje na urządzenia peryferyjne.

A więc o to chodzi przegląd silnika krokowego jak konstrukcja, zasada działania, różnice, zalety, wady i zastosowania. Teraz masz pojęcie o typach super silników i ich zastosowaniach, jeśli masz jakieś pytania na ten temat lub elektryczne i projekty elektroniczne zostaw komentarze poniżej.

Kredyt zdjęciowy

• Silnik krokowy wg MST