Controlul motorului pas cu pas

Motoarele electrice convertesc energia electrică în energie mecanică, iar în cazul motoarelor pas cu pas, ele transformă energia impulsurilor electrice în mișcări de rotație ale rotorului. Mișcarea generată de acțiunea fiecărui impuls este inițiată și repetată cu mare precizie, făcând motoarele cu bile să fie eficiente pentru dispozitivele care necesită o poziționare precisă.

Motoarele pas cu magneți permanenți includ: un rotor cu magnet permanent, înfășurări statorice și un miez magnetic. Bobinele de energie creează poli nord și sud magnetic, așa cum se arată. Câmpul magnetic în mișcare al statorului forțează rotorul să se alinieze cu el în orice moment. Acest câmp magnetic rotativ poate fi reglat controlând excitația în serie a bobinelor statorului pentru a întoarce rotorul.

Figura prezintă o diagramă a unei metode tipice de excitare pentru un motor cu două faze. În faza A, cele două bobine ale statorului sunt alimentate și acest lucru face ca rotorul să se atragă și să se blocheze pe măsură ce polii magnetici opuși se atrag unul pe altul.Când înfășurările fazei A sunt oprite, înfășurările fazei B sunt pornite, rotorul se rotește în sensul acelor de ceasornic (în engleză CW — în sensul acelor de ceasornic, CCW — în sens invers acelor de ceasornic) 90 °.

Apoi faza B se oprește și faza A pornește, dar polii sunt acum opuși față de ceea ce erau la început. Aceasta duce la următoarea viraj de 90 °. Faza A este apoi oprită, faza B este pornită cu polaritate inversă. Repetarea acestor pași va face ca rotorul să se rotească în sensul acelor de ceasornic în trepte de 90°.

Controlul treptat prezentat în figură se numește control monofazat. O modalitate mai acceptabilă de control în trepte este controlul activ în două faze, în care ambele faze ale motorului sunt întotdeauna pornite, dar polaritatea într-una dintre ele se schimbă, așa cum se arată în figură.

Acest control face ca rotorul motorului pas cu pas să se miște astfel încât să se alinieze cu fiecare treaptă în centrul polilor nord și sud formați, între proeminențele circuitului magnetic. Deoarece ambele faze sunt mereu pornite, această metodă de control oferă cu 41,4% mai mult cuplu decât controlul cu o fază activă, dar necesită de două ori puterea electrică.

O jumătate de pas

Un motor pas cu pas poate fi, de asemenea, „semi treptat”, apoi se adaugă o etapă de declanșare în timpul tranziției de fază. Acest lucru reduce unghiul de înclinare la jumătate. De exemplu, în loc de 90 °, un motor pas cu pas poate face rotații de 45 ° la fiecare „jumătate de treaptă”, așa cum se arată în figură.

Dar modul de jumătate de pas introduce o pierdere de cuplu de 15-30%, în comparație cu controlul în trepte cu două faze active, deoarece una dintre înfășurări este inactivă pe jumătate de pas și aceasta duce în cele din urmă la o pierdere a forței electromagnetice, acționând asupra rotorul, adică pierderea netă de cuplu.

Bobina bipolară

Controlul în trepte în două faze presupune prezența unei înfășurări statorice cu doi poli. Fiecare fază are propria bobină, iar când curentul este inversat prin bobine, se schimbă și polaritățile electromagnetice. Etapa inițială este tipică driver bifazat prezentat în figură. Schema de control este prezentată în tabel. Se poate observa cum prin simpla schimbare a directiei curentului prin bobine este posibila modificarea polaritatii magnetice in faze.

Bobina unipolara

Un alt tip tipic de bobină este o bobină unipolară, aici bobinele sunt împărțite în două părți și atunci când o parte a bobinei este alimentată, se creează un pol nord, când cealaltă parte este alimentată, se creează un pol sud. Această soluție se numește bobină unipolară deoarece polaritatea electrică responsabilă pentru curent nu se modifică niciodată. Etapele de control sunt prezentate în figură.

Acest design permite utilizarea unui bloc electronic mai simplu. Cu toate acestea, aici se pierde aproape 30% din cuplu în comparație cu o bobină bipolară, deoarece bobinele au jumătate din fir ca bobină bipolară.

Alte unghiuri de înclinare

Pentru a obține unghiuri de pas mai mici, este necesar să existe un număr mai mare de poli atât pe rotor, cât și pe stator. Rotorul de 7,5° are 12 perechi de poli, iar miezul magnetic al statorului are 12 proeminențe. Două urechi de bobină și două bobine.

Acest lucru oferă 48 de poli pentru fiecare treaptă de 7,5°. În figură puteți vedea urechile cu 4 poli în secțiune. Desigur, este posibil să combinați treptele pentru a obține deplasări mari, de exemplu șase trepte de 7,5° vor avea ca rezultat o rotație a rotorului de 45°.

Precizie

Precizia motoarelor pas cu pas este de 6-7% pe pas (fără acumulare). Un motor pas cu pas cu trepte de 7,5° se va afla întotdeauna la 0,5° față de poziția prezisă teoretic, indiferent de câți pași au fost deja făcuți. Eroarea nu se va acumula deoarece mecanic fiecare 360 ​​° se repetă pas cu pas. Fără sarcină, poziția fizică a polilor statorului și rotorului unul față de celălalt va fi mereu aceeași.

Rezonanţă

Motoarele pas cu pas au propria lor frecvență de rezonanță deoarece sunt sisteme cu greutatea arcului. Când ritmul este același cu frecvența de rezonanță naturală a motorului, zgomotul generat de motor poate fi auzit și vibrația este amplificată.

Punctul de rezonanță depinde de aplicația motorului, de sarcina acestuia, dar, în general, frecvența de rezonanță variază de la 70 la 120 de pași pe secundă. În cel mai rău caz, motorul își va pierde precizia controlului dacă intră în rezonanță.

O modalitate ușoară de a evita problemele de rezonanță a sistemului este de a schimba ritmul departe de punctul de rezonanță. În modul de jumătate sau micro-pas, problema rezonanței este redusă deoarece punctul de rezonanță este abandonat pe măsură ce viteza crește.

Cuplu

Cuplul unui motor pas cu pas este o funcție de: viteza pasului, curentul înfășurării statorului, tipul motorului. Puterea unui anumit motor pas cu pas este, de asemenea, legată de acești trei factori.Cuplul unui motor pas cu pas este suma cuplului de frecare și a cuplului inerțial.

Cuplul de frecare în grame pe centimetru este forța necesară pentru a deplasa o sarcină care cântărește un anumit număr de grame cu un braț de pârghie lung de 1 cm. Este important de reținut că, pe măsură ce viteza de pas a motorului crește, EMF din spate în motor , adică tensiunea generată de motor crește. Acest lucru limitează curentul în înfășurările statorului și reduce cuplul.