Stappenmotoren

Een stappenmotor is een elektromechanisch apparaat dat elektrische signalen omzet in discrete hoekbewegingen van een as. Door het gebruik van stappenmotoren kunnen de werklichamen van de machines strikt gedoseerde bewegingen uitvoeren door hun positie aan het einde van de beweging te fixeren.

Stappenmotoren zijn actuatoren die zorgen voor vaste hoekbewegingen (stappen). Elke verandering in de rotorhoek is de reactie van de stappenmotor op de ingangspuls.

Een discrete elektrische stappenmotoraandrijving wordt natuurlijk gecombineerd met digitale besturingsapparaten, waardoor deze met succes kan worden gebruikt in digitaal gestuurde metaalsnijmachines, in industriële robots en manipulatoren, in klokmechanismen.

Een discrete elektrische aandrijving kan ook worden gerealiseerd met behulp van een serie asynchrone elektromotoren, die dankzij een speciale besturing in de stapmodus kan werken.

Stappenmotoren worden gebruikt in elektrische aandrijvingen met een vermogen van een fractie van een watt tot enkele kilowatt.Een uitbreiding van de vermogensschaal van een discrete elektrische aandrijving kan worden bereikt met behulp van in serie geschakelde asynchrone elektromotoren, die dankzij de juiste besturing in stappen kunnen werken.

Het werkingsprincipe van alle soorten stappenmotoren is als volgt. Met behulp van een elektronische schakelaar worden spanningspulsen gegenereerd, die worden toegevoerd aan de stuurspoelen die zich op de stator van de stappenmotor bevinden.

Afhankelijk van de volgorde van excitatie van de stuurspoelen, vindt er een of andere discrete verandering in het magnetische veld plaats in de werkspleet van de motor. Met de hoekverplaatsing van de as van het magnetische veld van de stuurspoelen van de stappenmotor, roteert de rotor discreet volgens het magnetische veld. De rotatiewet van de rotor wordt bepaald door de volgorde, duty cycle en frequentie van de stuurpulsen, evenals door het type en ontwerpparameters van de stappenmotor.

Het werkingsprincipe van een stappenmotor (het verkrijgen van een discrete beweging van de rotor) zal worden overwogen aan de hand van het voorbeeld van het eenvoudigste circuit van een tweefasige stappenmotor (figuur 1).

Rijst. 1. Vereenvoudigd diagram van een stappenmotor met een actieve rotor

De stappenmotor heeft twee paar duidelijk gedefinieerde statorpolen waarop de bekrachtigings- (besturings)wikkelingen zich bevinden: wikkeling 3 met klemmen 1H - 1K en wikkeling 2 met klemmen 2H - 2K. Elke wikkeling bestaat uit twee delen die zich aan tegenovergestelde polen van de stator 1 SM bevinden.

De rotor in het beschouwde schema is een tweepolige permanente magneet.De spoelen worden gevoed door pulsen van een besturingsapparaat dat een eenkanaals reeks van ingangsbesturingspulsen omzet in een meerkanaals sequentie (volgens het aantal fasen van de stappenmotor).

Beschouw de werking van een stappenmotor, ervan uitgaande dat op het beginmoment de spanning op spoel 3 staat. De stroom in deze spoel zal de verticaal geplaatste polen N en 8 magnetiseren. Als gevolg van de interactie van het magnetische veld met de permanente magneet van de rotor, zal deze een evenwichtspositie innemen waarin de assen van de magnetische velden van de stator en de rotor dezelfde zijn.

De positie zal stabiel zijn omdat er een synchronisatiemoment op de rotor werkt dat ertoe neigt de rotor terug te brengen naar de evenwichtspositie: M = Mmax x sinα,

waar M.max - het maximale moment, α - de hoek tussen de assen van de stator en de magnetische velden van de rotor.

Wanneer de besturingseenheid de spanning van spoel 3 naar spoel 2 schakelt, wordt een magnetisch veld met horizontale polen gegenereerd, d.w.z. het magnetische veld van de stator maakt een discrete rotatie met een kwart van de statoromtrek. In dit geval verschijnt een divergentiehoek tussen de assen van de stator en de rotor α = 90 ° en zal het maximale koppel Mmax op de rotor werken. De rotor zal over een hoek α = 90° draaien en een nieuwe stabiele positie innemen. Dus na de stapbeweging van het statorveld beweegt de rotor van de motor stapsgewijs.

De belangrijkste werkingsmodus van de stappenmotor is dynamisch. Stappenmotoren zijn, in tegenstelling tot synchrone motoren, ontworpen om synchroon te gaan vanuit stilstand en geforceerd elektrisch remmen.Hierdoor zorgt de stepper elektrische aandrijving voor starten, stoppen, achteruit en overgang van de ene frequentie van stuurpulsen naar de andere.

De stappenmotor wordt gestart door een plotselinge of geleidelijke toename van de frequentie van het ingangssignaal van nul naar de werkende, de stop is door de nul te verlagen en het omgekeerde is door de schakelvolgorde van de wikkelingen van de stappenmotor te veranderen.

Stappenmotoren worden gekenmerkt door de volgende parameters: het aantal fasen (stuurspoelen) en hun aansluitschema, het type stappenmotor (met actieve of passieve rotor), enkele rotorstap (de rotatiehoek van de rotor met een enkele puls ), nominale voedingsspanning, maximaal statisch tijdsmoment, nominaal koppel, rotortraagheidsmoment, versnellingsfrequentie.

Stappenmotoren zijn enkelfasig, tweefasig en meerfasig met een actieve of passieve rotor. De stappenmotor wordt aangestuurd door een elektronische regeleenheid. Een voorbeeld van een stappenmotorbesturingsschema wordt getoond in figuur 2.

Rijst. 2. Functioneel diagram van een elektrische aandrijving met stappenmotor met open lus

Aan de ingang van blok 1 wordt een stuursignaal in de vorm van spanningspulsen geleverd, die de reeks pulsen bijvoorbeeld omzet in een vierfasensysteem van unipolaire pulsen (overeenkomstig het aantal fasen van de stappenmotor) .

Blok 2 genereert deze pulsen met betrekking tot de duur en amplitude die nodig zijn voor de normale werking van schakelaar 3, op de uitgangen waarvan de wikkelingen van stappenmotor 4 zijn aangesloten.De schakelaar en de andere blokken worden gevoed door een gelijkstroombron 5.

Met verhoogde eisen aan de kwaliteit van een discrete aandrijving, wordt een gesloten circuit van een elektrische stepper-aandrijving (Fig. 3) gebruikt, die naast een stappenmotor een omzetter P, een commutator K en een stappensensor DSh omvat. In zo'n discrete aandrijving wordt informatie over de werkelijke positie van de as van het werkmechanisme RM en de snelheid van de stappenmotor toegevoerd aan de ingang van de automatische regelaar, die zorgt voor de ingestelde aard van de beweging van de aandrijving.

Rijst. 3. Functioneel diagram van een discrete drive met gesloten lus

Moderne discrete aandrijfsystemen maken gebruik van microprocessorbesturingen. Het toepassingsgebied van stappenmotoraandrijvingen wordt voortdurend uitgebreid. Het gebruik ervan is veelbelovend in lasmachines, synchronisatieapparatuur, tape- en opnamemechanismen, regelsystemen voor brandstoftoevoer voor verbrandingsmotoren.

De voordelen van stappenmotoren:

• hoge nauwkeurigheid, zelfs met een open-lusstructuur, d.w.z. zonder stuurhoeksensor;

• native integratie met digitale beheerapplicaties;

• gebrek aan mechanische schakelaars die vaak problemen veroorzaken bij andere typen motoren.

Nadelen van stappenmotoren:

• laag koppel, maar vergeleken met motoren met continue aandrijving;

• beperkte snelheid;

• hoog trillingsniveau door schokkerige bewegingen;

• grote fouten en oscillaties met verlies van pulsen in systemen met open lus.

De voordelen van stappenmotoren wegen ruimschoots op tegen hun nadelen, daarom worden ze vaak gebruikt in gevallen waarin het kleine vermogen van de aandrijfapparaten voldoende is.

Het artikel maakt gebruik van materialen uit het boek Daineko V.A., Kovalinsky A.I. Elektrische uitrusting van landbouwbedrijven.