Schrittmotor: Gerät, Funktionsprinzip, Umfang

Gleichstrom-Schrittmotoren werden häufig in Computern mit numerischer Steuerung und in der Robotik verwendet. Der Hauptunterschied zwischen diesem Elektromotor ist das Funktionsprinzip. Die Welle des Schrittmotors dreht sich lange nicht, sondern dreht sich nur um einen bestimmten Winkel. Dies gewährleistet eine präzise Positionierung des Arbeitselements im Raum. Die Stromversorgung eines solchen Motors erfolgt diskret, dh sie erfolgt durch Impulse. Diese Impulse drehen die Welle um einen bestimmten Winkel, jede solche Drehung wird als Schritt bezeichnet, daher der Name. Oft arbeiten diese Motoren zusammen mit einem Getriebe, um die Einstellgenauigkeit und das Drehmoment auf der Welle zu verbessern, und mit einem Encoder, um die Wellenposition zu einem bestimmten Zeitpunkt zu verfolgen. Diese Elemente werden zur Übertragung und Transformation des Drehwinkels benötigt. In diesem Artikel werden wir den Lesern der Website erzählen Elektriker selbst über das Gerät, die Funktionsweise und den Zweck von Schrittmotoren.

So funktioniert ein Schrittmotor

Er ist seiner Bauart nach ein bürstenloser Synchronmotor. Besteht aus Stator und Rotor. Auf dem Rotor befinden sich in der Regel Abschnitte aus Elektroblech (auf dem Foto ist dies der "verzahnte" Teil), die wiederum durch Permanentmagnete getrennt sind. Die Wicklungen befinden sich auf dem Stator in Form von separaten Spulen.

Funktionsprinzip

Wie ein Schrittmotor funktioniert, kann man an einem bedingten Modell sehen. In Position 1 wird an die Wicklungen A und B eine Spannung einer bestimmten Polarität angelegt. Dadurch wird im Stator ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Da verschiedene Magnetpole angezogen werden, nimmt der Rotor seine Position entlang der Achse des Magnetfelds ein. Darüber hinaus verhindert das Magnetfeld des Motors Versuche, die Position des Rotors von außen zu verändern. Einfach ausgedrückt, verhindert das Magnetfeld des Stators, dass der Rotor eine bestimmte Position ändert (z. B. unter mechanischer Belastung der Welle).

Wird an die Wicklungen D und C eine Spannung gleicher Polarität angelegt, verschiebt sich das elektromagnetische Feld. Dadurch dreht sich der Permanentmagnetrotor in Position 2. In diesem Fall beträgt der Drehwinkel 90°. Dieser Winkel ist der Schritt zum Drehen des Rotors.

Position 3 wird durch Anlegen einer Spannung mit umgekehrter Polarität an die Wicklungen A und B erreicht. In diesem Fall ist das elektromagnetische Feld entgegengesetzt zu Position 1, der Rotor der Motoren wird verschoben und der Gesamtwinkel beträgt 180 °.

Wenn an die Wicklungen D und C eine Spannung mit umgekehrter Polarität angelegt wird, dreht sich der Rotor um einen Winkel von bis zu 270° relativ zur Ausgangsposition. Wenn eine positive Spannung an die Wicklungen A und B angeschlossen wird, nimmt der Rotor seine ursprüngliche Position ein - er führt eine 360 ​​° -Umdrehung durch. Es ist zu beachten, dass die Bewegung des Rotors auf dem kürzesten Weg erfolgt, d. h. von Position 1 nach Position 4 im Uhrzeigersinn dreht sich der Rotor erst nach Passieren der Zwischenstufe 2 und 3 Bestimmungen. Wenn die Wicklungen nach 1 Position sofort zu 4 Position verbunden werden, dreht sich der Rotor gegen den Uhrzeigersinn.

Typen und Typen nach Polarität oder Wicklungstyp

Schrittmotoren verwenden bipolare und unipolare Wicklungen. Das Funktionsprinzip wurde anhand einer bipolaren Maschine betrachtet. Diese Konstruktion sieht die Verwendung verschiedener Phasen vor, um die Wicklungen zu versorgen. Die Schaltung ist sehr komplex und erfordert teure und leistungsfähige Steuerplatinen.

Ein einfacheres Steuerungsschema in unipolaren Maschinen. In einem solchen Schema ist der Anfang der Wicklungen mit einem gemeinsamen "Plus" verbunden. Bei den zweiten Schlüssen der Wicklungen wird abwechselnd "Minus" geliefert. Dies gewährleistet die Rotation des Rotors.

Bipolare Schrittmotoren sind leistungsstärker, sie haben 40% mehr Drehmoment als unipolare. Unipolare Elektromotoren sind viel bequemer zu bedienen.

Motortypen nach Rotorausführung

Nach der Art der Rotorausführung werden Schrittmotoren in Maschinen unterteilt:

• mit einem Permanentmagneten;
• mit variabler Zurückhaltung;
• hybrid.

SM mit Permanentmagneten am Rotor ist wie in den oben besprochenen Beispielen aufgebaut. Der einzige Unterschied besteht darin, dass es in echten Maschinen viel mehr Magnete gibt. Sie werden normalerweise auf einem freigegebenen Datenträger verteilt. Die Polzahl moderner Motoren erreicht 48. Ein Schritt bei solchen Elektromotoren beträgt 7,5°.

Motoren mit variabler Reluktanz. Der Rotor dieser Maschinen besteht aus weichmagnetischen Legierungen, sie werden auch "reaktiver Schrittmotor" genannt. Der Rotor ist aus einzelnen Platten zusammengesetzt und sieht im Schnitt aus wie ein Zahnrad. Diese Konstruktion ist notwendig, damit der magnetische Fluss durch die Zähne geschlossen wird. Der Hauptvorteil dieser Konstruktion ist das Fehlen eines Sperrmoments. Tatsache ist, dass der Permanentmagnetrotor von den Metallteilen des Elektromotors angezogen wird. Und es ist ziemlich schwierig, die Welle ohne Spannung am Stator zu drehen. Bei einem Schrittmotor mit variabler Reluktanz gibt es dieses Problem nicht. Ein wesentlicher Nachteil ist jedoch das geringe Drehmoment. Die Steigung solcher Maschinen liegt in der Regel zwischen 5° und 15°.

Der Hybrid-Schrittmotor wurde entwickelt, um die besten Eigenschaften der beiden Vorgängertypen zu vereinen. Diese Motoren haben eine kleine Steigung von 0,9 bis 5° und haben ein hohes Drehmoment und eine hohe Haltekapazität. Das wichtigste Plus ist die hohe Genauigkeit des Gerätes. Solche Elektromotoren werden in modernsten Hochpräzisionsgeräten eingesetzt. Zu den Nachteilen zählen nur ihre hohen Kosten. Konstruktiv ist der Rotor dieser Vorrichtung ein magnetisierter Zylinder, auf dem sich weichmagnetische Zähne befinden.

Ein 200-Schritt-Schrittmotor verwendet beispielsweise zwei Zahnscheiben mit jeweils 50 Zähnen. Die Scheiben sind um einen halben Zahn gegeneinander versetzt, so dass der Hohlraum des Pluspols mit dem Vorsprung des Minuspols zusammenfällt und umgekehrt. Dadurch hat der Rotor 100 Pole mit umgekehrter Polarität.

Das heißt, sowohl der Süd- als auch der Nordpol können relativ zum Stator in 50 verschiedene Positionen und insgesamt 100 verschoben werden. Und eine Phasenverschiebung um ein Viertel ergibt weitere 100 Positionen, dies geschieht durch sequentielle Anregung.

Schrittmotorsteuerung

Die Verwaltung erfolgt nach folgenden Methoden:

1. Welle. Bei diesem Verfahren wird nur an eine Spule Spannung angelegt, von der der Rotor angezogen wird. Da nur eine Wicklung beteiligt ist, ist das Rotordrehmoment klein und für eine hohe Leistungsübertragung nicht geeignet.
2. Voller Schritt. Bei dieser Ausführungsform werden zwei Wicklungen gleichzeitig erregt, wodurch das maximale Drehmoment gewährleistet wird.
3. Halbschritt. Kombiniert die ersten beiden Methoden. Bei dieser Ausführungsform wird die Spannung zuerst an eine der Wicklungen angelegt und dann an zwei. Auf diese Weise werden mehr Stufen realisiert und die maximale Haltekraft, die den Rotor bei hohen Drehzahlen stoppt.
4. Die Mikroschrittsteuerung erfolgt durch Anlegen von Mikroschrittimpulsen. Dieses Verfahren gewährleistet eine gleichmäßige Drehung des Rotors und reduziert das Ruckeln während des Betriebs.

Vor- und Nachteile von Schrittmotoren

Zu den Vorteilen dieser Art von elektrischen Maschinen gehören:

• hohe Geschwindigkeiten beim Starten, Stoppen, Rückwärtsfahren;
• die Welle wird gemäß dem Befehl der Steuervorrichtung um einen vorbestimmten Winkel gedreht;
• klare Fixierung der Position nach dem Anhalten;
• hohe Positioniergenauigkeit, ohne strenge Anforderungen an das Vorhandensein von Feedback;
• hohe Zuverlässigkeit durch das Fehlen eines Kollektors;
• Aufrechterhaltung des maximalen Drehmoments bei niedrigen Drehzahlen.

Nachteile:

• mögliche Verletzung der Positionierung, wenn die mechanische Belastung der Welle höher ist als für ein bestimmtes Motormodell zulässig;
• Resonanzwahrscheinlichkeit;
• komplexes Kontrollschema;
• niedrige Drehzahl, was jedoch nicht auf wesentliche Nachteile zurückzuführen ist, da Schrittmotoren nicht dazu dienen, einfach so etwas zu drehen bürstenlosB. aber für Positioniermechanismen.

Ein Schrittmotor wird auch als Motor mit "endlicher Anzahl von Rotorpositionen" bezeichnet. Dies ist die umfangreichste und zugleich prägnanteste Definition solcher Elektromaschinen. Sie werden aktiv in CNC-Maschinen, 3D-Druckern und Robotern eingesetzt. Der Hauptkonkurrent des Schrittmotors ist Servo, aber jeder von ihnen hat seine eigenen Vor- und Nachteile, die in jedem Fall die Angemessenheit der Verwendung des einen oder anderen bestimmen.

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