Stepper Motor Bilgisi

Bu makale sizi işletim prensibi, inşaat, kontrol yöntemleri, kullanımları, türleri ve avantajları ve dezavantajları dahil olmak üzere step motorlarının temellerini tanıtacaktır.

1. Step Motor Temelleri

Step motor, step (yani sabit bir açıyla hareket ederek) şaftı döndüren bir tür motordur. İç yapısı, sadece adım sayısını hesaplayarak, bir sensör olmadan şaftın tam açısal konumunu bilmeyi mümkün kılar. Bu özellik onu çok çeşitli uygulamalar için uygun hale getirir. ‍

2. Step Motor Çalışma Prensibi 

Tüm motorlar gibi, step motorlar da sabit bir parça (stator) ve hareketli bir parça (rotor) içerir. Stator, bir bobinin yaralandığı dişli benzeri bir çıkıntıya sahiptir, rotor kalıcı bir mıknatıs veya değişken isteksizlik çekirdeğidir. Farklı rotor konfigürasyonlarını daha sonra daha derinlemesine ele alacağız. Şekil 1, değişken bir isteksizlik çekirdek rotoru olan bir motorun bir kesitini göstermektedir.

Bir step motorunun temel çalışma prensibi, bir veya daha fazla stator fazına enerji vererek, bobinlerden geçen akımın rotorun hizalayacağı manyetik bir alan yaratmasıdır; Sıra farklı fazlara voltajlar uygulayarak, rotor belirli bir açı ile dönecek ve sonunda istenen konuma ulaşacaktır. Şekil 2 bunun nasıl çalıştığını göstermektedir.

İlk olarak, bobin enerjisi verir ve rotorun hizalandığı manyetik bir alan üretir; Bobin B enerjilendirildiğinde, yeni manyetik alanla hizalamak için rotor saat yönünde 60 ° döndürülür; Aynı şey bobin C enerji verildiğinde de olur. Aşağıdaki şekildeki stator pinyonunun rengi, stator sargıları tarafından üretilen manyetik alanın yönünü gösterir.

3. Step Motorların Türleri ve Yapımı

Bir step motorun performansı (çözünürlük/adım, hız veya tork olsun), motorun nasıl kontrol edildiğini de etkileyebilecek yapısının detaylarından etkilenir. Uygulamada, tüm step motorlar aynı iç yapıya (veya yapıya) sahip değildir, çünkü rotor ve stator konfigürasyonları motordan motora değişir.

Rotor

Temel olarak step motorlar için üç tip rotor vardır: Kalıcı Mıknatıs Rotor: Rotor, stator devresi tarafından üretilen manyetik alanla hizalanmış kalıcı bir mıknatıstır. Bu tür rotor iyi tork sağlar ve fren torku sağlar. Bu, motorun (çok güçlü olmasa bile) bobine enerji olup olmadığına bakılmaksızın pozisyonda değiştiği anlamına gelir.

Bununla birlikte, dezavantajlar diğer rotor tiplerine kıyasla daha düşük hız ve çözünürlüktür. Şekil 3, kalıcı bir mıknatıs step motorunun bir kesitini göstermektedir.

Değişken isteksizlik rotoru:

Rotor, manyetik alana hizalanacak şekilde şekillendirilmiş bir demir çekirdeğinden yapılmıştır (bkz. Şekil 1 ve 2). Bu tip rotor, yüksek hızlar ve yüksek çözünürlük elde etmeyi kolaylaştırır, ancak genellikle düşük tork üretir ve fren torku yoktur.

Hibrit rotor:

Bu rotor özel bir yapıya sahiptir; Kalıcı bir mıknatıs ile değişken bir isteksizlik rotoru arasında bir melezdir. Rotorunun iki eksenel olarak mıknatıslanmış kapakları vardır ve kapaklar alternatif küçük dişlere sahiptir. Bu konfigürasyon, motora hem kalıcı bir mıknatıs hem de değişken bir isteksizlik rotorunun avantajlarını, özellikle yüksek çözünürlüklü, yüksek hız ve yüksek torkla verir. Tabii ki daha yüksek performans gereksinimleri daha karmaşık yapılar ve daha yüksek maliyetler anlamına gelir.

Şekil 3, bu motor yapının basitleştirilmiş bir şemasını göstermektedir. Bobin A enerjilendirildiğinde, rotor n manyetik kapağının küçük dişlerinden biri, S olarak mıknatısla mıknatısla hizalandığında, rotorun manyetik kapağı, S. olarak Mıknatıslı Diş ile hizalandığında, rotorun yapısı nedeniyle, rotorun manyetik kapağı n., steper kapaklarının daha büyük olduğu gibi, stator mıknatıslanmasına rağmen, gerçekleştirilmesine rağmen, gerçekleştirilmesine rağmen, gerçekleştirilmesine rağmen, gerçekleştirilmiştir. Şekilde gösterilen diş sayısı. Çok sayıda diş, motorun 0.9 ° kadar küçük çok küçük adım açıları elde etmesini sağlar.

Stator

Stator, rotorun hizalandığı manyetik alanın üretmekten sorumlu motorun bir kısmıdır. Stator devresinin ana özellikleri, faz sayısı, kutup çiftleri ve tel konfigürasyonu ile ilgilidir.

Fazların sayısı bağımsız bobin sayısıdır ve kutup çiftlerinin sayısı, her fazın işgal ettiği ana diş çiftlerini gösterir. İki fazlı step motorlar en yaygın olarak kullanılırken, üç fazlı ve beş fazlı motorlar daha az yaygın olarak kullanılır (bakınız Şekil 5 ve 6).

4. Step motor kontrolü

Yukarıdakilerden, motor bobinlerinin, rotorun hizalayacağı manyetik alanı üretmek için belirli bir sırada enerji verilmesi gerektiğini biliyoruz.

Motorun düzgün çalışmasına izin vermek için bobinlere gerekli voltajı sağlayabilen cihazlar aşağıdakilerdir (motora daha yakın olanlarla başlayarak): Transistör Köprüsü: Motor bobinlerine elektrik bağlantılarını fiziksel olarak kontrol eden cihaz. Bir transistör elektrik kontrollü bir devre kesici olarak düşünülebilir; Bobin bobin içinden geçmesi için bir güç kaynağına bağlandığında kapanır. Her motor fazı için bir transistör köprü gereklidir.

Sürücü öncesi:

Transistörün aktivasyonunu kontrol eden cihaz, gerekli voltajı ve akımı sağlamak için MCU tarafından kontrol edilir.

MCU:

Genellikle motor kullanıcı tarafından programlanan ve kontrol edilen bir mikrodenetleyici ünitesi, istenen motor davranışını elde etmek için ön sürücünün belirli sinyaller üretir.

Şekil 7, bir step motor kontrol şemasının basit bir şemasını göstermektedir. Ön sürücü ve transistör köprü tek bir cihazda, sürücüde bulunabilir.

5. Step Motor Sürücü Türleri

Piyasada belirli uygulamalar için farklı özelliklere sahip çeşitli farklı step motor sürücüleri vardır. Bununla birlikte, en önemli özelliklerinden biri giriş arayüzü ile ilgilidir ve en yaygın giriş arayüzlerinden bazıları şunlardır:

Adım/yön - Adım pimine bir darbe göndererek sürücü, motorun bir adım gerçekleştirmesi için çıkışını değiştirir ve dönme yönü yön pimi üzerindeki seviyeye göre belirlenir. Faz/Etkinleştir - Stator sargısının her fazı için, fazın açık olup olmadığını belirler ve faz fazın akım yönünü belirler. PWM - Üst ve alt tüp fetinin kapı sinyalinin doğrudan kontrolü.

Bir step motor sürücüsünün bir diğer önemli özelliği, sargının her iki ucundaki voltajı kontrol etmenin yanı sıra, sargıdan akan akımı da kontrol edip edemeyeceğidir:

Bir voltaj kontrol fonksiyonu ile sürücü, voltajı sargılar boyunca ayarlayabilir ve ortaya çıkan tork ve basamak hızı sadece motora ve yük özelliklerine bağlıdır.

Mevcut kontrol sürücüleri daha gelişmişdir, çünkü aktif bobinden akan akımı düzenleyebilir, üretilen tork üzerinde daha iyi kontrol sağlar ve böylece tüm sistemin dinamik davranışı üzerinde daha iyi kontrol ederler.

Tek kutuplu/bipolar motor

Motor kontrolü üzerinde etkisi olabilecek bir başka özellik, mevcut değişikliklerin yönünün nasıl olduğunu belirleyen stator bobinlerinin düzenlenmesidir. Rotorun hareketini elde etmek için sadece bobine enerji vermekle kalmaz, aynı zamanda bobinin kendisi tarafından üretilen manyetik alanın yönünü belirleyen akımın yönünü kontrol etmek gerekir (bkz. Şekil 8).

Tek kutuplu bir step motorda, bobinin merkezi noktasına (bkz. Şekil 9), akımın yönünün nispeten basit devreler ve bileşenler aracılığıyla kontrol edilmesini sağlar. Merkezi kurşun (AM) giriş voltajı VIN'e bağlanır (bkz. Şekil 8).

MOSFET 1 açıksa, akım AM'den A +'a akar. Mosfet 2 açıksa, akım AM'den A-'ya akar ve ters yönde manyetik bir alan oluşturur. Yukarıda belirtildiği gibi, bu yöntem tahrik devresini basitleştirir (sadece iki yarı iletken gereklidir), ancak dezavantaj, motordaki bakır iletkenlerin sadece yarısının bir seferde kullanılmasıdır, yani aynı akım bobinden akarsa, manyetik alan tüm bakır iletkenler kullanılırsa sadece yarısı kadar güçlüdür. Ek olarak, motor giriş kabloları daha fazla olduğundan, bu tip motorun inşa edilmesi daha zordur.

Step motorlar akımın yönünü iki farklı şekilde kontrol edebilir.

Bir bipolar step motorda, bobin başına sadece iki uç vardır ve yönü kontrol etmek için H köprüsü kullanılmalıdır (bkz. Şekil 10). Şekil 8'de gösterildiği gibi, MOSFETS 1 ve 4 açıksa, akım A + 'dan A-'ya akar. MOSFET 2 ve 3 açıksa, akım A- A +'a akar ve ters yönde manyetik bir alan oluşturur. Bu çözüm daha karmaşık bir tahrik devresi gerektirir, ancak maksimum tork elde etmek için motor bakır kullanımını en üst düzeye çıkarabilir.

Teknolojinin sürekli ilerlemesiyle, tek kutuplu motorların avantajları yavaş yavaş zayıfladı ve bipolar step motorlar şu anda en popüler motor türü haline geldi.

6. Step Motor Sürücü Teknolojisi

Step motorlar için dört ana sürüş teknolojisi vardır: dalga modu: Bir seferde sadece bir faz çalışır (bkz. Şekil 11). Basitlik için, eğer akım bir fazın pozitif kurşunundan negatif kurşuna akarsa (örneğin, A +'dan A-'ya), buna pozitif bir akış diyoruz; Aksi takdirde, buna negatif akış denir. Aşağıdaki görüntünün sol tarafından, akım sadece A faz A'da ilerlerken, mıknatısla temsil edilen rotor ürettiği manyetik alanla hizalanır. Akım daha sonra sadece B fazında öne doğru akar, rotor B fazı tarafından üretilen manyetik alanla hizalanması için 90 ° saat yönünde döner. Daha sonra, A fazı tekrar enerji verilir, ancak akım negatif akar ve rotor tekrar 90 ° döner. Son olarak, akım B faz B'de negatif akarken, rotor tekrar 90 ° döner.

Tam Adım Modu: Her iki aşama da her zaman aynı anda çalışır. Şekil 12, bu sürücü deseni için adım adım adımları göstermektedir. Adımlar dalga moduna benzer, en büyük fark tam adım modda, motordaki akışın daha fazla olduğu için, üretilen manyetik alan da daha güçlüdür, bu nedenle tork da daha büyüktür.

Yarım adım desen, dalga paterninin ve tam adım paterninin bir kombinasyonudur (bkz. Şekil 12). Bu mod adım uzunluğunu iki kez azaltabilir (90 ° yerine 45 ° dönme). Tek dezavantaj, motor tarafından üretilen torkun sabit olmaması ve her iki faza enerji verildiğinde torkun daha yüksek olması ve sadece bir tane bağlandığında tork daha küçük olmasıdır.

MicroStep Modu: 

Adım mesafesini daha da azaltabileceğinden ve sabit bir tork çıkışına sahip olduğu için yarım adım modunun gelişmiş bir versiyonu olarak görülebilir. Bu, her fazdan akan akımın gücünü kontrol ederek elde edilir. MicroStep modu, diğer şemalardan daha karmaşık bir motor sürücüsü gerektirir. Şekil 14, MicroStep modelinin nasıl çalıştığını göstermektedir. IMAX'ın bir fazda geçirilebilen maksimum akım olduğu varsayılarak, diyagramın sol tarafından başlayın, burada ilk diyagramda IA ​​= IMAX ve IB = 0. Daha sonra, akım, önceki alana kıyasla saat yönünde 22.5 ° döndürülmüş bir manyetik alan üreten IA = 0.92 x Imax, Ib = 0.38 x Imax'a ulaşmak için kontrol edilir. Akımı farklı akım değerlerine göre kontrol edin ve manyetik alanı 45 °, 67.5 ° ve 90 ° döndürerek bu adımı tekrarlayın. Yarım adım modu ile karşılaştırıldığında, adım uzunluğunu yarı yarıya azaltır. Ama daha fazlası kesilebilir. MicroStep modu kullanılarak çok yüksek pozisyon çözünürlüğü elde edilebilir, ancak motoru kontrol etmek için daha karmaşık ekipman gerektirme ve adım başına daha az tork üretme pahasına. Tork, stator manyetik alan ile rotor manyetik alan arasındaki açının sinüsüyle orantılıdır. Bu nedenle, adım mesafesi küçük olduğunda, tork da küçüktür. Bu, kayıp bir adımla sonuçlanabilir, yani stator sargısındaki akım değişse bile, rotorun konumu değişmeyebilir.

7, basamaklı motorun avantajları ve dezavantajları

Artık step motorunun çalışma ilkesini anladığımıza göre, çeşitli motor türlerinin avantajlarını ve dezavantajlarını özetlemek çok yararlı olacaktır.

Avantajları:

İç yapısı sayesinde, step motorlar motor konumunu algılamak için sensörlerin gerektirmez. Step motorlar 'adım ' gerçekleştirilerek hareket ettirilir, bu nedenle sadece adım sayısının sayılması motor konumunu belirli bir zamanda elde edebilir. Buna ek olarak, step motor kontrolü çok basittir. Ayrıca bir sürücü gerektirir, ancak düzgün çalışmak için karmaşık hesaplamalar veya ayarlamalar gerektirmez. Diğer motorlarla karşılaştırıldığında, kontrol iş yükü genellikle küçüktür. Ayrıca, MicroStep modu kullanılırsa 0.007 ° 'ye kadar konum doğruluğu elde edilebilir. Step motorlar düşük hızlarda iyi tork sağlar, pozisyonu da iyi tutabilir ve uzun bir servis ömrüne sahip olabilir.

Eksileri:

Yük torku çok yüksek olduğunda adım dışı olabilir. Motorun gerçek konumu bilinemediğinden, kontrol olumsuz etkilenecektir. MicroStep modu kullanılırken bu sorunun ortaya çıkma olasılığı daha yüksektir. Step motorlar, dinlenirken bile her zaman maksimum akım tüketir, bu da verimliliği azaltır ve aşırı ısınmaya yol açabilir. Step motor torku küçüktür, yüksek hızda çok fazla gürültü üretecektir. Step motorlar düşük güç yoğunluğuna ve düşük tork-artarma oranına sahiptir. Sonuçta, step motorlar, yüksek hızlarda yüksek verimlilik ve tork gereksinimleri olmadan düşük maliyetli ve kontrol edilmesi kolay bir çözüme ihtiyacınız olduğunda en iyi seçimdir.