Глава 24 - Управление на стъпков двигател
Стъпковите двигатели обикновено са електрически двигатели с постоянен ток, чиято основна функция не е да извършват непрекъснато въртене, а да изпълняват стъпки със специфично ъглово въртене. Има три основни типа: променлива неохота (обикновено 7,5 °; стъпки от 15 °), постоянен магнит (обикновено 1,8 °; 7,5 °; 15 °; стъпки от 30 °) и хибридни стъпкови двигатели (обикновено стъпки от 0,9 ° и 1,8 °). Не е задача на този учебник да обсъжда конструкцията на стъпкови двигатели; по-скоро това ще бъде техният контрол. Има богата литература за видовете, проектирането, работата и управлението на стъпковите двигатели. Например, кратко резюме може да се намери в [8] и [9], а обяснения с хубави илюстрации - на [10].
Роторът на стъпковия двигател е заобиколен от типично постояннотокови бобини, монтирани на статора. Чрез включване и изключване на намотките в правилния ред е възможно да се гарантира, че роторът винаги се върти до определена степен. При тези двигатели не се изисква четка. При приближаване към определена позиция се формира минималното магнитно нежелание с вече споменатия технически термин. В този случай магнитните силови линии са най-къси.
Стъпковите двигатели са предпочитани за използване в мехатронни приложения: рамена на роботи, четящи глави, движещи се глави, принтери, плотери, фрезови машини, прецизни стругове и др. Хибридните стъпкови двигатели обикновено се използват за прецизни приложения. Твърдението е вярно, че ако има n фази (двойка намотки или разделена намотка) на статора на двигателя и m зъби на ротора, тогава пълният оборот се състои от nm стъпки.
В този учебник даваме кратко описание на два важни за нас теоретични принципа и ще използваме биполярен стъпков двигател.
24.1. Еднополярни и биполярни стъпкови двигатели
По отношение на посоката на тока два основни класа стъпкови двигатели са еднополюсни и биполярни стъпкови двигатели. Думата еднополюсна означава, че каквато и да е бобина в нея, посоката на тока не се променя по време на работа. Включването и изключването може и се случва, разбира се. A [24.1. фигура ]. Фигура 1 показва безкрайно опростен подход към еднополюсен стъпков двигател. Стрелката, представяща ротора, тук трябва да се тълкува като постоянен магнит. Чрез задаване на всеки управляващ сигнал (1a, 1b, 2a, 2b) на ниво на ниско напрежение (земя), токът винаги започва в една намотка, т.е. една намотка действа като електромагнит. Междувременно останалите контролни сигнали се намират на нива на високо напрежение. На фигурата е необходима следната последователност от сигнали за еднократно завъртане на ротора, представен от стрелката (споменатият сигнал винаги означава потенциал на земята): 1a, 2a, 1b, 2b. В началото на повторението на сигналната последователност се получи закръгляването.
Ако винаги има само една намотка, действаща като електромагнит, говорим за режим на пълна стъпка. Ако, от друга страна, две съседни намотки също действат като електромагнити, роторът ще бъде настроен между двете и ще бъде реализиран режим на половин стъпка. На илюстрацията сигналната последователност, необходима за това, е: 1a, 1a-2a, 2a, 2a-1b, 1b, 1b-2b, 2b, 2b-1a. Първият елемент от повторението на последователността ще бъде завършен.
Доста е трудно да се получи едностранно стъпков двигател евтино (възможно от счупено, обикновено устройство). Интересното е, че рядко се среща в нашите домашни устройства. Много вероятно е биполярен стъпков двигател да се намери в по-старите CD горелки и мастилено-струйни принтери. Използва се и в двете устройства за преместване на главата. (Това са прецизни приложения, така че имаме съмнения, че срещаме хибридни стъпкови двигатели.)
A [24.2. фигура ]. Фигура 1 показва опростен модел на биполярен стъпков двигател. И тук стрелката, представяща ротора, трябва да се тълкува като постоянен магнит. Тази подредба не изисква отделен електропровод, но текущата посока ще се промени в намотките по време на работа. По този начин, ако приемем постоянен ток, могат да възникнат три случая: токът тече в една посока, токът тече в друга посока, ток не тече. A [24.2. фигура ]. Според модела, показан на фиг. 1, за пълно завъртане в режим на пълна стъпка са необходими следните нива на сигнала (останалите седят на нулево ниво): (–1a, + 1b), (–2a, + 2b), ( + 1a, –1b), (+ 2a, - 2b). Тук може да се приложи и режим на половин стъпка: (–1a, + 1b),
(-1a, + 1b, -2a, + 2b), (-2a, + 2b), (-2a, + 2b, + 1a, -1b), (+ 1a, -1b), (+ 1a, -1b ), + 2a, -2b), (+ 2a, -2b), (+ 2a, -2b, -1a, + 1b). В случай на първите две сигнални последователности, отрицателният знак само подчертава полярността, отрицателният сигнал по изключение може да бъде идентифициран от земния потенциал (GND)! Спазвайте [24.2. фигура ]. че две намотки не са независими една от друга, така че името на двойката намотки е много по-оправдано.
В параметрите на стъпковите двигатели намираме също двуфазни, трифазни и т.н. също и в техническо отношение. Това означава колко независими намотки (или двойки намотки) съдържа двигателят. Съответно [24.1. фигура ]. Схемата, показана на фиг. 24.2, показва четирифазен (но еднополюсен) стъпков двигател; фигура ]. Обаче схемата, показана на фиг. 1, илюстрира само двуфазен (но биполярен) стъпков двигател.
24.2. Управление на биполярни стъпкови двигатели
Токът може да тече в двете посоки върху бобините на биполярни стъпкови двигатели. Предоставянето на това не е нещо разбираемо, но решението, което днес наричаме H-Bridge, някога е изскочило от съзнанието на някого. A [24.3. фигура ]. Фигура 1 показва основна схема на H-моста без никакви резистори. С H-моста можем да променим посоката на тока на една намотка. Ако нивото на сигнала A е ниско и сигналът B е висок, горният ляв и долният десен транзистор се отварят, а другите два се затварят. След това токът тече вдясно върху бобината в показаното подреждане. Ако двете нива на сигнала са обърнати на A и B, токът тече вляво върху бобината. По бобината не тече ток при същото ниво на сигнала. Много е важно и тук да е необходимо използването на защитни диоди. При липса на такива, когато токът на бобината се изключи или посоката се промени, полученият импулс на напрежение може да пробие транзисторите.