Schrittmotoren

Ein Schrittmotor ist ein elektromechanisches Gerät, das elektrische Signale in diskrete Winkelbewegungen einer Welle umwandelt. Durch den Einsatz von Schrittmotoren können die Arbeitskörper der Maschinen streng dosierte Bewegungen ausführen, indem sie am Ende der Bewegung ihre Position fixieren.

Schrittmotoren sind Aktoren, die feste Winkelbewegungen (Schritte) bereitstellen. Jede Änderung des Rotorwinkels ist die Reaktion des Schrittmotors auf den Eingangsimpuls.

Ein diskreter elektrischer Schrittmotorantrieb wird selbstverständlich mit digitalen Steuergeräten kombiniert, was den erfolgreichen Einsatz in digital gesteuerten Metallschneidemaschinen, in Industrierobotern und Manipulatoren sowie in Uhrwerken ermöglicht.

Auch ein diskreter Elektroantrieb lässt sich über eine Reihe realisieren asynchrone Elektromotoren, das aufgrund einer speziellen Steuerung im Schrittmodus arbeiten kann.

Schrittmotoren werden in elektrischen Antrieben mit Leistungen von einem Bruchteil eines Watts bis zu mehreren Kilowatt eingesetzt.Eine Erweiterung der Leistungsskala eines diskreten Elektroantriebs kann durch Reihen-Asynchron-Elektromotoren erreicht werden, die bei entsprechender Ansteuerung im Schrittbetrieb arbeiten können.

Das Funktionsprinzip von Schrittmotoren aller Art ist wie folgt. Mit Hilfe eines elektronischen Schalters werden Spannungsimpulse erzeugt, die den am Stator des Schrittmotors befindlichen Steuerspulen zugeführt werden.

Abhängig von der Reihenfolge der Erregung der Steuerspulen kommt es im Arbeitsspalt des Motors zu der einen oder anderen diskreten Änderung des Magnetfelds. Mit der Winkelverschiebung der Achse des Magnetfelds der Steuerspulen des Schrittmotors dreht sich sein Rotor diskret und folgt dem Magnetfeld. Das Drehgesetz des Rotors wird durch die Reihenfolge, das Tastverhältnis und die Frequenz der Steuerimpulse sowie durch die Art und Konstruktionsparameter des Schrittmotors bestimmt.

Das Funktionsprinzip eines Schrittmotors (Erzielung einer diskreten Bewegung des Rotors) wird am Beispiel der einfachsten Schaltung eines Zweiphasen-Schrittmotors betrachtet (Abb. 1).

Reis. 1. Vereinfachtes Diagramm eines Schrittmotors mit aktivem Rotor

Der Schrittmotor verfügt über zwei Paare klar definierter Statorpole, auf denen sich die Erregerwicklungen (Steuerwicklungen) befinden: Wicklung 3 mit den Anschlüssen 1H – 1K und Wicklung 2 mit den Anschlüssen 2H – 2K. Jede Wicklung besteht aus zwei Teilen, die sich an gegenüberliegenden Polen des Stators 1 SM befinden.

Der Rotor im betrachteten Schema ist ein zweipoliger Permanentmagnet.Die Spulen werden durch Impulse von einem Steuergerät gespeist, das eine einkanalige Folge von Eingangssteuerimpulsen in eine mehrkanalige umwandelt (entsprechend der Anzahl der Phasen des Schrittmotors).

Betrachten Sie den Betrieb eines Schrittmotors unter der Annahme, dass im ersten Moment Spannung an Spule 3 angelegt wird. Der Strom in dieser Spule magnetisiert die vertikal angeordneten Pole N und 8. Als Ergebnis der Wechselwirkung des Magnetfelds mit dem Permanentmagneten Magnet des Rotors nimmt dieser eine Gleichgewichtsposition ein, in der die Achsen der Stator- und Rotormagnetfelder gleich sind.

Die Position bleibt stabil, da auf den Rotor ein synchronisierendes Moment wirkt, das dazu neigt, den Rotor in die Gleichgewichtsposition zurückzubringen: M = Mmax x sinα,

wobei M.max das maximale Moment ist, α der Winkel zwischen den Achsen der Stator- und Rotormagnetfelder.

Wenn das Steuergerät die Spannung von Spule 3 auf Spule 2 umschaltet, entsteht ein Magnetfeld mit horizontalen Polen, d.h. Das Statormagnetfeld macht eine diskrete Drehung mit einem Viertel des Statorumfangs. In diesem Fall entsteht ein Divergenzwinkel zwischen den Achsen des Stators und des Rotors α = 90° und das maximale Drehmoment Mmax wirkt auf den Rotor. Der Rotor dreht sich um einen Winkel α = 90° und nimmt eine neue stabile Position ein. Somit bewegt sich nach der Schrittbewegung des Statorfeldes der Rotor des Motors schrittweise.

Die Hauptbetriebsart des Schrittmotors ist dynamisch. Schrittmotoren sind im Gegensatz zu Synchronmotoren darauf ausgelegt, aus dem Stillstand in den Synchronbetrieb zu gelangen und eine elektrische Zwangsbremsung durchzuführen.Dadurch ermöglicht der elektrische Schrittantrieb das Starten, Stoppen, Rückwärtsfahren und den Übergang von einer Frequenz der Steuerimpulse zur anderen.

Der Schrittmotor wird durch einen plötzlichen oder allmählichen Anstieg der Frequenz des Eingangssignals von Null auf den Betriebswert gestartet, der Stopp erfolgt durch Verringern des Nullpunkts und der umgekehrte Schritt erfolgt durch Ändern der Schaltreihenfolge der Wicklungen des Schrittmotors.

Schrittmotoren zeichnen sich durch folgende Parameter aus: Anzahl der Phasen (Steuerspulen) und deren Anschlussschema, Art des Schrittmotors (mit aktivem oder passivem Rotor), Einzelrotorschritt (Drehwinkel des Rotors bei einem einzelnen Impuls). ), Nennversorgungsspannung, maximales statisches Zeitmoment, Nenndrehmoment, Rotorträgheitsmoment, Beschleunigungsfrequenz.

Schrittmotoren sind einphasig, zweiphasig und mehrphasig mit aktivem oder passivem Rotor. Der Schrittmotor wird von einer elektronischen Steuereinheit gesteuert. Ein Beispiel für ein Schrittmotor-Steuerungsschema ist in Abbildung 2 dargestellt.

Reis. 2. Funktionsdiagramm eines elektrischen Schrittmotorantriebs mit offenem Regelkreis

Dem Eingang von Block 1 wird ein Steuersignal in Form von Spannungsimpulsen zugeführt, das die Impulsfolge beispielsweise in ein vierphasiges System unipolarer Impulse umwandelt (entsprechend der Phasenzahl des Schrittmotors). .

Block 2 erzeugt diese Impulse in der für den normalen Betrieb erforderlichen Dauer und Amplitude des Schalters 3, an dessen Ausgänge die Wicklungen des Schrittmotors 4 angeschlossen sind. Der Schalter und die anderen Blöcke werden von einer Gleichstromquelle gespeist 5.

Bei erhöhten Anforderungen an die Qualität eines diskreten Antriebs kommt ein geschlossener Kreislauf eines elektrischen Schrittantriebs (Abb. 3) zum Einsatz, der neben einem Schrittmotor einen Umrichter P, einen Kommutator K und einen Schrittsensor DSh umfasst. Bei einem solchen diskreten Antrieb werden Informationen über die tatsächliche Position der Welle des Arbeitsmechanismus RM und die Geschwindigkeit des Schrittmotors dem Eingang des automatischen Reglers zugeführt, der die eingestellte Art der Bewegung des Antriebs vorgibt.

Reis. 3. Funktionsdiagramm eines diskreten Antriebs mit geschlossenem Regelkreis

Moderne diskrete Antriebssysteme verwenden Mikroprozessorsteuerungen. Das Einsatzspektrum von Schrittmotorantrieben erweitert sich ständig. Ihr Einsatz ist vielversprechend in Schweißmaschinen, Synchronisationsgeräten, Band- und Aufzeichnungsmechanismen sowie Kraftstoffversorgungskontrollsystemen für Verbrennungsmotoren.

Die Vorteile von Schrittmotoren:

• hohe Genauigkeit auch bei Open-Loop-Struktur, d.h. ohne Lenkwinkelsensor;

• native Integration mit digitalen Verwaltungsanwendungen;

• Fehlen mechanischer Schalter, die bei anderen Motortypen häufig zu Problemen führen.

Nachteile von Schrittmotoren:

• geringes Drehmoment, aber im Vergleich zu kontinuierlichen Antriebsmotoren;

• begrenzte Geschwindigkeit;

• hohe Vibration durch ruckartige Bewegung;

• große Fehler und Schwingungen mit Impulsverlust in Open-Loop-Systemen.

Die Vorteile von Schrittmotoren überwiegen bei weitem ihre Nachteile, weshalb sie häufig dort eingesetzt werden, wo die geringe Leistung der Antriebsgeräte ausreicht.

Der Artikel verwendet Materialien aus dem Buch Daineko V.A., Kovalinsky A.I. Elektrische Ausrüstung landwirtschaftlicher Betriebe.