Nguyên tắc cơ bản của hoạt động cơ bước

Nguyên tắc cơ bản của hoạt động
Động cơ bước hoạt động khác nhau từ DC bàn chải động cơ, mà quay khi điện áp
áp dụng cho các thiết bị đầu cuối của họ. Động cơ bước, mặt khác, có nhiều hiệu quả
"Răng" nam châm điện bố trí xung quanh một mảnh trung tâm thiết bị hình chữ sắt. Các
nam châm điện phải được cấp điện bởi một mạch điều khiển bên ngoài, chẳng hạn như một vi
điều khiển. Đến
làm cho trục quay động cơ, đầu tiên một nam châm điện được cho quyền lực, mà làm cho
bánh răng của từ tính thu hút cho răng của nam châm điện. Khi răng của bánh răng
như vậy đã được liên kết với các nam châm điện đầu tiên, họ được một chút bù đắp từ các tiếp
theo
nam châm điện. Vì vậy, khi các nam châm điện tiếp theo được bật và là người đầu tiên bị tắt,
các bánh răng quay một chút để phù hợp với kế tiếp, và từ đó quá trình này là
lặp đi lặp lại. Mỗi người quay nhỏ được gọi là một "bước", với một số nguyên
các bước thực hiện một vòng quay đầy đủ. Bằng cách đó, động cơ có thể được quay bằng một
góc chính xác.
Bước đặc điểm động cơ
1. Động cơ bước là thiết bị điện liên tục.
2. Như động cơ bước tăng tốc độ, mô-men xoắn giảm. (Tối đa triển lãm động cơ nhất
Mô-men xoắn khi văn phòng phẩm, tuy nhiên mô-men xoắn của động cơ khi tĩnh "giữ mô-men
xoắn '
xác định khả năng của động cơ để duy trì một vị trí mong muốn trong khi đang có tải bên ngoài).
3. Đường cong mô-men xoắn có thể được mở rộng bằng cách sử dụng trình điều khiển hạn chế
hiện hành và tăng
điện áp lái xe (đôi khi được gọi là "trực thăng" mạch, có rất nhiều ra khỏi
thời hạn sử dụng chip điều khiển có khả năng làm điều này một cách đơn giản).
4. Động cơ bước thể hiện sự rung động hơn so với các loại động cơ khác, như các bước riêng
biệt có xu hướng
chụp cánh quạt từ một vị trí khác (gọi là chốt để chận). Sự rung động làm cho
động cơ bước ồn ào hơn động cơ DC.
5. Rung động này có thể trở nên rất xấu tại một số tốc độ và có thể gây ra động cơ để mất
Mô-men xoắn hoặc mất phương hướng. Điều này là do các cánh quạt được tổ chức trong một từ

trường
hoạt động như một mùa xuân. Trên mỗi bước overshoots cánh quạt và bị trả lại,
"Chuông" ở tần số cộng hưởng của nó. Nếu tần số bước phù hợp với cộng hưởng
tần số sau đó tăng lên chuông và động cơ đi ra khỏi đồng bộ, kết quả
trong lỗi vị trí hoặc thay đổi hướng. Lúc tồi tệ nhất có một thiệt hại hoàn toàn kiểm soát và
giữ mô-men xoắn động cơ để có thể dễ dàng khắc phục bằng cách tải và quay gần như tự do.
6. Hiệu quả có thể được giảm thiểu bằng cách đẩy nhanh tốc độ nhanh chóng thông qua các vấn
đề
phạm vi, thể chất giảm xóc (giảm chấn ma sát) hệ thống, hoặc sử dụng một vi bước
lái xe.
7. Động cơ với một số lượng lớn các giai đoạn cũng trưng bày hoạt động mượt mà hơn so với
những
với giai đoạn ít hơn (điều này cũng có thể đạt được thông qua việc sử dụng một ổ đĩa bước vi


mô)
Vòng hở so với vòng kín ân giảm
Bước thường được commutated vòng lặp mở, tức là trình điều khiển động cơ bước không có
thông tin phản hồi trên
nơi cánh quạt thực sự. Hệ thống động cơ bước phải như vậy, nói chung là hơn
thiết kế, đặc biệt là nếu quán tính tải cao, hoặc có được rộng rãi tải khác nhau, do đó,
không có khả năng động cơ sẽ mất bước. Điều này thường gây ra hệ thống
thiết kế để xem xét sự đánh đổi giữa một kích thước chặt chẽ nhưng đắt
hệ thống cơ cấu servo và một bước quá khổ nhưng tương đối rẻ.
Một bước phát triển mới trong kiểm soát là để kết hợp một thông tin phản hồi vị trí rotor (ví dụ
như một
mã hóa hoặc giải quyết), để các ân giảm có thể được thực hiện tối ưu cho thế hệ mô-men xoắn
theo thực tế rotor. Này quay động cơ bước vào một số cực cao
không chổi than động cơ servo, đặc biệt với mô-men xoắn tốc độ thấp và độ phân giải vị trí. Một
trước về kỹ thuật này là bình thường chạy xe ở chế độ vòng lặp mở, và chỉ

vào chế độ vòng khép kín nếu sai số vị trí cánh quạt trở nên quá lớn - điều này sẽ cho phép
hệ thống để tránh săn bắn hoặc dao động, một vấn đề servo chung.
Các loại động cơ bước
Có ba loại chính của động cơ bước: [1]
1. Nam châm vĩnh cửu bước (có thể được chia vào 'tin-có thể' và 'lai', thiếc có thể
là một sản phẩm rẻ hơn, và lai với vòng bi chất lượng cao hơn, góc bước nhỏ hơn,
mật độ năng lượng cao hơn)
2. Hybrid đồng bộ bước
3. Miễn cưỡng bước biến
4. Lavet loại động cơ bước
Động cơ nam châm vĩnh cửu sử dụng nam châm vĩnh cửu (PM) trong các cánh quạt và hoạt
động theo
thu hút hoặc lực đẩy giữa các cánh quạt PM và nam châm điện stato. Biến
miễn cưỡng (VR) động cơ có cánh quạt sắt đồng bằng và hoạt động dựa trên nguyên tắc
miễn cưỡng tối thiểu xảy ra với khoảng cách tối thiểu, do đó các điểm thu hút rotor
về phía các cực nam châm stato. Hybrid động cơ bước được đặt tên bởi vì họ sử dụng một
sự kết hợp của PM và kỹ thuật VR để đạt được công suất tối đa trong một gói nhỏ
kích thước.
Hai pha động cơ bước
Có hai sắp xếp quanh co cơ bản cho các cuộn dây điện từ trong một giai đoạn hai
động cơ bước: lưỡng cực và đơn cực.
Động cơ đơn cực
Một động cơ bước đơn cực có hai cuộn dây cho mỗi giai đoạn, một cho mỗi hướng của từ trường
lĩnh vực. Vì trong sự sắp xếp này một cực từ có thể được đảo ngược mà không cần chuyển đổi
các


hướng hiện tại, các mạch chỉnh lưu có thể được thực hiện rất đơn giản (ví dụ như một đơn
bóng bán dẫn) cho mỗi cuộn dây. Thông thường, với một giai đoạn, một đầu của mỗi cuộn dây
được thực hiện

chung: cho ba khách hàng tiềm năng cho mỗi giai đoạn và sáu dẫn cho một động cơ hai giai đoạn
điển hình. Thường xuyên,
hai Commons giai đoạn được nối nội bộ, do đó động cơ chỉ có năm khách hàng tiềm năng.
Một vi điều khiển hoặc điều khiển động cơ bước có thể được sử dụng để kích hoạt các bóng bán
dẫn ổ đĩa
theo thứ tự đúng, và dễ dàng hoạt động này làm cho động cơ đơn cực phổ biến với
người có sở thích, họ có thể là cách rẻ nhất để có được phong trào góc chính xác.
Đơn cực bước cuộn dây động cơ
(Đối với thí nghiệm, một cách để phân biệt dây phổ biến từ một cuộn dây cấp là bằng cách
đo điện trở. Kháng giữa dây thông thường và cuộn dây cấp luôn luôn là
một nửa của nó là gì giữa các cuộn dây cấp và dây cuộn dây cấp. Điều này là do có gấp đôi
chiều dài cuộn giữa hai đầu và chỉ một nửa từ trung tâm (dây chung) để kết thúc.) Một
cách nhanh chóng để xác định động cơ bước được làm việc là ngắn mạch hai cặp
và cố gắng biến trục, bất cứ khi nào một cao hơn kháng bình thường được cảm nhận, nó chỉ ra
rằng các mạch để cuộn dây đặc biệt được đóng lại và rằng giai đoạn đang làm việc.
Động cơ lưỡng cực
Lưỡng cực động cơ có một cuộn dây duy nhất cho mỗi giai đoạn. Dòng điện trong một nhu cầu
quanh co được
đảo ngược để đảo ngược cực từ, do đó mạch lái xe phải có nhiều hơn
phức tạp, đặc biệt với một sự sắp xếp cầu H (tuy nhiên có một số ra khỏi
thời hạn sử dụng chip điều khiển có sẵn để tạo ra một mối quan hệ đơn giản này). Có hai dẫn cho
mỗi giai đoạn,
không có gì là phổ biến.
Hiệu ứng ma sát sử dụng một cầu H đã được quan sát với ổ đĩa nhất định cấu trúc liên kết
[Cần dẫn nguồn].
Bởi vì cuộn dây được sử dụng tốt hơn, họ còn mạnh hơn một động cơ đơn cực của
cùng trọng lượng. Điều này là do không gian vật lý chiếm đóng bởi các cuộn dây. Một đơn cực
động cơ có gấp đôi số lượng dây trong cùng một không gian, nhưng chỉ có một nửa được sử
dụng tại bất kỳ điểm nào trong
thời gian, do đó là 50% hiệu quả (khoảng 70% sản lượng mô-men xoắn có sẵn).

Mặc dù lưỡng cực là phức tạp hơn để lái xe, sự phong phú của chip điều khiển phương tiện này
là
ít nhiều khó khăn để đạt được.
Một bước 8 chì là vết thương như một bước đơn cực, nhưng dẫn được không tham gia vào
phổ biến trong nội bộ để động cơ. Loại động cơ có thể được nối trong một số cấu hình:
* Đơn cực.


* Lưỡng cực với cuộn dây loạt. Điều này cho phép điện cảm cao hơn nhưng thấp hơn hiện tại
cho mỗi quanh co.
* Lưỡng cực với cuộn dây song song. Điều này đòi hỏi cao hơn hiện tại nhưng có thể thực hiện
tốt hơn là
quanh co cảm là giảm.
* Lưỡng cực với một cuộn dây duy nhất cho mỗi giai đoạn. Phương pháp này sẽ chạy xe máy
trên chỉ có một nửa
cuộn dây có sẵn, mà sẽ làm giảm mô-men xoắn có sẵn tốc độ thấp nhưng đòi hỏi ít
hiện tại.
Cao hơn giai đoạn số động cơ bước
Nhiều giai đoạn động cơ bước với nhiều giai đoạn có xu hướng có mức độ thấp hơn nhiều rung
động,
mặc dù chi phí sản xuất cao hơn. Động cơ có xu hướng được gọi là 'lai' và
có bộ phận gia công đắt hơn, nhưng cũng vòng bi chất lượng cao hơn. Mặc dù họ là
đắt tiền hơn, họ không có một mật độ năng lượng cao hơn và với ổ đĩa thích hợp
điện tử thực sự phù hợp hơn với các ứng dụng [cần dẫn nguồn], tuy nhiên giá
luôn luôn là một yếu tố quan trọng. Máy in máy tính có thể sử dụng thiết kế lai.
Bước động cơ truyền động mạch
Bước hiệu suất động cơ phụ thuộc rất nhiều vào các mạch điều khiển. Đường cong mô-men xoắn
có thể được mở rộng với tốc độ lớn hơn nếu các cực stator có thể phục hồi một cách nhanh
chóng hơn,
yếu tố hạn chế là cảm quanh co. Để khắc phục những cảm và chuyển đổi

cuộn dây một cách nhanh chóng, người ta phải tăng điện áp ổ đĩa. Điều này dẫn đến sự cần thiết
tiếp tục
các hạn chế hiện nay là các điện áp cao nếu không có thể gây ra.
L / R mạch ổ đĩa
L / R mạch ổ đĩa cũng được gọi là ổ điện áp không đổi vì một hằng số
điện áp tích cực hay tiêu cực được áp dụng cho mỗi cuộn dây để thiết lập vị trí bước. Tuy nhiên,
nó là quanh co hiện tại, không điện áp áp dụng mô-men xoắn cho động cơ bước trục. Các
tôi hiện tại trong mỗi cuộn dây có liên quan đến điện áp V được áp dụng bởi các quanh co cảm L
và quanh co kháng R. kháng R xác định tối đa hiện tại
theo định luật Ohm I = V / R. Độ tự cảm L xác định tỷ lệ tối đa của sự thay đổi
của dòng điện trong cuộn dây theo công thức cho một Cuộn cảm dI / dt = V / L. Do đó
khi điều khiển bởi một L / R ổ đĩa, tốc độ tối đa của động cơ bước được giới hạn bởi nó
cảm vì tại một số tốc độ, điện áp U sẽ được thực hiện nhanh hơn so với hiện tại tôi
có thể theo kịp. Trong thuật ngữ đơn giản tốc độ thay đổi của hiện tại là LXR (ví dụ như một
10mH
cảm với 2 ohms kháng sẽ mất 5 mili giây để đạt xấp xỉ 2/3 của mô-men xoắn tối đa
hoặc khoảng 0,1 giây để đạt được 99% mô-men xoắn tối đa). Để có được mô-men xoắn cao ở tốc
độ cao
đòi hỏi một điện áp lớn với một sức đề kháng thấp và tự cảm thấp. Với một L / R ổ đĩa
nó có thể điều khiển động cơ điện trở điện áp thấp với một ổ điện áp cao hơn chỉ đơn giản bằng
thêm một điện trở bên ngoài trong loạt với mỗi cuộn dây. Điều này sẽ lãng phí năng lượng trong


các
điện trở, và tạo ra nhiệt. Do đó nó được coi là một lựa chọn có hiệu suất thấp, mặc dù
đơn giản và rẻ tiền.
Chopper bước mạch ổ đĩa
Chopper bước mạch ổ đĩa cũng được gọi là ổ đĩa hiện hành liên tục bởi vì
họ tạo ra một hiện hơi liên tục trong mỗi cuộn dây chứ không phải áp dụng một
điện áp không đổi. Trên mỗi bước tiến mới, một điện áp rất cao được áp dụng cho các cuộn dây

ban đầu.
Điều này làm cho hiện tại trong cuộn dây tăng nhanh chóng kể từ khi dI / dt = V / L trong đó V
là rất
lớn. Dòng điện trong mỗi cuộn dây được giám sát bởi bộ điều khiển, thông thường bằng cách đo
điện áp trên một điện trở cảm giác nhỏ trong series với mỗi cuộn dây. Khi hiện nay
vượt quá giới hạn hiện tại quy định, điện áp bị tắt hoặc "cắt nhỏ", thường sử dụng
bóng bán dẫn điện. Khi quanh co hiện tại giảm xuống dưới mức giới hạn quy định, điện áp
bật lên. Bằng cách này, hiện nay được tổ chức tương đối ổn định cho một bước cụ thể
vị trí. Điều này đòi hỏi thiết bị điện tử khác để cảm nhận dòng quanh co, và kiểm soát
chuyển đổi, nhưng nó cho phép động cơ bước được điều khiển với mô-men xoắn cao ở tốc độ
cao
hơn L / R ổ đĩa. Điện tử tích hợp cho mục đích này là phổ biến rộng rãi.
Giai đoạn hiện nay dạng sóng
Một động cơ bước là một nhiều pha AC động cơ đồng bộ (xem Lý thuyết dưới đây), và nó là
lý tưởng thúc đẩy bởi sin hiện nay. Một bước sóng đầy đủ là một xấp xỉ tổng của một
hình sin, và là lý do tại sao động cơ thể hiện quá nhiều rung động. Ổ đĩa khác nhau
kỹ thuật đã được phát triển để tương ứng với một dạng sóng hình sin ổ đĩa tốt hơn:
chúng được nửa bước và vi bước.
Chế độ lái khác nhau cho thấy cuộn dây hiện trên 4 giai đoạn đơn cực động cơ bước
Ổ sóng
Trong phương pháp ổ đĩa này chỉ là một giai đoạn duy nhất được kích hoạt tại một thời điểm. Nó
có cùng số
bước như ổ đĩa bước đầy đủ, nhưng động cơ sẽ có ít hơn mô-men xoắn đánh giá đáng kể. Nó
hiếm khi được sử dụng.
Ổ đĩa đầy đủ bước (hai giai đoạn trên)
Đây là phương pháp thông thường cho các bước đầy đủ lái xe động cơ. Hai giai đoạn là luôn
luôn trên. Các
động cơ sẽ có đầy đủ mô-men xoắn đánh giá.
Nửa bước
Khi một nửa bước, các ổ khuyết giữa hai giai đoạn trên và một giai đoạn duy nhất trên.

Điều này làm tăng độ phân giải góc, nhưng động cơ cũng có ít mô-men xoắn (khoảng 70%)
ở vị trí nửa bước (mà chỉ có một giai đoạn duy nhất là trên). Điều này có thể được giảm nhẹ bằng
tăng hiện trong cuộn dây hoạt động để bù đắp. Lợi thế của một nửa
bước là điện tử ổ đĩa không cần phải thay đổi để hỗ trợ nó.


Vi bước
Những gì thường được gọi là vi bước thực sự là "sin cos vi bước" trong
mà hiện tại quanh co xấp xỉ một AC dạng sóng hình sin. Sin cos
vi bước là hình thức phổ biến nhất, nhưng dạng sóng khác được sử dụng [1]. Bất kể
các dạng sóng được sử dụng, như các microsteps trở nên nhỏ hơn, hoạt động động cơ trở nên
mịn màng, do đó giúp giảm thiểu sự cộng hưởng trong bất kỳ bộ phận động cơ có thể được kết
nối với,
cũng như bản thân động cơ. Độ phân giải sẽ bị giới hạn bởi stiction cơ khí, phản ứng dữ dội,
và các nguồn khác của lỗi giữa động cơ và các thiết bị đầu cuối. Giảm thiểu thiết bị có thể
được sử dụng để tăng độ phân giải của định vị.
Kích thước lặp lại bước là một tính năng động cơ bước quan trọng và một lý do cơ bản cho
sử dụng trong định vị.
Ví dụ: nhiều động cơ bước lai hiện đại được đánh giá cao như vậy mà việc đi lại của tất cả đầy
đủ
bước (ví dụ 1,8 độ mỗi bước đầy đủ hoặc 200 bước đầy đủ cho mỗi cuộc cách mạng) sẽ nằm
trong phạm vi 3%
hoặc 5% việc đi lại của tất cả các bước đầy đủ khác, miễn là động cơ được hoạt động trong phạm
vi của nó
quy định phạm vi hoạt động. Một số nhà sản xuất cho thấy động cơ của họ có thể dễ dàng
duy trì 3% hoặc 5% kích thước bình đẳng du lịch bước như kích thước bước giảm từ đầy đủ
bước xuống đến 1/10 bước. Sau đó, như số lượng ước vi bước phát triển, bước
kích thước lặp lại làm giảm. Tại giảm kích thước bước lớn có thể phát hành nhiều
lệnh MicroStep trước khi bất kỳ chuyển động xảy ra ở tất cả và sau đó chuyển động có thể là một
"Nhảy" vào một vị trí mới.

Lý thuyết động cơ bước
Một động cơ bước có thể được xem như là một động cơ AC đồng bộ với số lượng cực (trên
cả rotor và stator) tăng, chăm sóc mà họ không có mẫu số chung.
Ngoài ra, vật liệu từ mềm với nhiều răng trên rotor và stator với giá rẻ
nhân số cực (miễn cưỡng động cơ). Động cơ bước hiện đại của thiết kế lai,
có cả nam châm vĩnh cửu và lõi sắt mềm.
Để đạt được đầy đủ mô-men xoắn đánh giá, các cuộn dây trong một động cơ bước phải đạt đầy
đủ đánh giá của họ
hiện tại trong mỗi bước. Quanh co cảm và EMF đảo ngược được tạo ra bởi một chuyển động
cánh quạt có xu hướng chống lại sự thay đổi trong ổ đĩa hiện hành, vì vậy mà tốc độ động cơ lên,
ít hơn và
ít thời gian là dành ở đầy đủ hiện nay - do đó làm giảm mô-men xoắn động cơ. Như tốc độ hơn
nữa
tăng, hiện nay sẽ không đạt được giá trị đánh giá, và cuối cùng động cơ sẽ ngừng
sản xuất mô-men xoắn.
Kéo trong mô-men xoắn


Đây là biện pháp của mô-men xoắn được sản xuất bởi một động cơ bước khi nó được điều hành
mà không có một nhà nước tăng tốc. Ở tốc độ thấp, động cơ bước có thể đồng bộ hóa chính nó
với
một ma sát áp dụng tần số bước, và kéo-trong này mô-men xoắn phải vượt qua và quán tính. Nó
là
quan trọng để đảm bảo rằng tải trọng trên động cơ ma sát chứ không phải là quán tính như
ma sát giảm bất kỳ dao động không mong muốn.
Kéo ra mô-men xoắn
Động cơ bước kéo ra mô-men xoắn được đo bằng cách thúc đẩy động cơ mong muốn
tốc độ và sau đó tăng tải mô-men xoắn cho đến khi các quầy hàng động cơ hoặc bỏ qua bước
này. Này
đo lường được thực hiện trên một phạm vi rộng của tốc độ và kết quả được sử dụng để

tạo ra đường cong hiệu suất động cơ bước của năng động. Như đã đề cập bên dưới đường cong
này là
bị ảnh hưởng bởi điện áp lái xe, lái xe kỹ thuật chuyển mạch hiện tại và hiện tại. Một nhà thiết kế
có thể
bao gồm một hệ số an toàn giữa các mô-men xoắn đánh giá và ước tính mô-men xoắn đầy tải
cần thiết cho các ứng dụng.
Mô-men xoắn chốt để chận
Đồng bộ động cơ điện sử dụng nam châm vĩnh cửu có một vị trí còn lại nắm giữ
mô-men xoắn (gọi là mô-men xoắn chốt để chận hoặc cogging, và đôi khi bao gồm trong các
thông số kỹ thuật)
khi không điều khiển bằng điện. Mềm lõi sắt miễn cưỡng không thể hiện hành vi này.
Bước xếp hạng động cơ và thông số kỹ thuật
Động cơ bước biển hiệu thường cho chỉ quanh co hiện tại và đôi khi
điện áp và kháng cự quanh co. Điện áp đánh giá sẽ sản xuất đánh giá quanh co hiện tại
tại DC: nhưng đây là chủ yếu là một đánh giá có ý nghĩa, như tất cả các trình điều khiển hiện đại
hiện nay hạn chế
và ổ điện áp rất nhiều vượt quá mức điện áp động cơ.
Mô-men xoắn thấp tốc độ của một bước sẽ thay đổi trực tiếp với hiện tại. Làm thế nào một cách
nhanh chóng các mô-men xoắn rơi khỏi
ở tốc độ nhanh hơn phụ thuộc vào cảm quanh co và các mạch ổ đĩa được gắn
để, đặc biệt là điện áp lái xe.
Bước cần được kích thước theo công bố đường cong mô-men xoắn, được xác định bởi các
nhà sản xuất ở điện áp ổ đĩa cụ thể hoặc sử dụng mạch dẫn động riêng của họ.
Ứng dụng
Máy tính điều khiển động cơ bước là một trong những hình thức linh hoạt nhất của vị trí
hệ thống. Họ được kiểm soát kỹ thuật số thông thường như là một phần của một hệ thống vòng
lặp mở, và
đơn giản hơn và chắc chắn hơn so với các hệ thống servo vòng kín.

Ứng dụng công nghiệp là trong lựa chọn tốc độ cao và thiết bị địa điểm và đa trục
máy máy CNC thường trực tiếp lái xe vít chì hoặc ballscrews. Trong lĩnh vực
laser và quang học họ thường được sử dụng trong các thiết bị định vị chính xác như
thiết bị truyền động tuyến tính, giai đoạn tuyến tính, giai đoạn quay, goniometers, và gương gắn
kết. Khác
sử dụng trong máy móc đóng gói, và vị trí của giai đoạn thí điểm van để kiểm soát chất lỏng
hệ thống.
Thương mại, động cơ bước được sử dụng trong ổ đĩa mềm, máy quét dạng phẳng, máy tính
máy in, máy vẽ, khe máy, và nhiều thiết bị hơn.