Schrittmotoren

Schrittmotor - Funktionsprinzip | Nanotec (Juni 2019).

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Anonim

Schrittmotoren

Digitale Schaltungen


Frage 1

Sitz nicht nur da! Baue etwas !!

Um digitale Schaltkreise analysieren zu können, bedarf es viel Übung und Übung. Üblicherweise üben die Schüler, indem sie viele Beispielprobleme durcharbeiten und ihre Antworten mit denen des Lehrbuchs oder des Lehrers vergleichen. Während das gut ist, gibt es einen viel besseren Weg.

Sie werden viel mehr lernen, indem Sie reale Schaltkreise erstellen und analysieren und Ihr Testgerät die "Antworten" anstatt eines Buches oder einer anderen Person liefern lassen. Führen Sie die folgenden Schritte aus, um erfolgreiche Übungen für den Schaltungsaufbau durchzuführen:

  1. Zeichnen Sie das Schaltbild für die zu analysierende digitale Schaltung.
  2. Bauen Sie diese Schaltung vorsichtig auf einem Steckbrett oder einem anderen geeigneten Medium auf.
  3. Überprüfen Sie die Genauigkeit der Schaltungskonstruktion, folgen Sie jeder Leitung zu jedem Verbindungspunkt und überprüfen Sie diese Elemente nacheinander in der Abbildung.
  4. Analysieren Sie die Schaltung und bestimmen Sie alle Ausgangslogikzustände für gegebene Eingangsbedingungen.
  5. Messen Sie diese Logikzustände sorgfältig, um die Genauigkeit Ihrer Analyse zu überprüfen.
  6. Wenn es Fehler gibt, überprüfen Sie sorgfältig die Konstruktion Ihres Schaltkreises gegen das Diagramm, dann analysieren Sie die Schaltung sorgfältig und messen Sie erneut.

Vergewissern Sie sich immer, dass die Spannungspegel der Stromversorgung den Spezifikationen für die zu verwendenden Logikschaltkreise entsprechen. Wenn TTL, muss die Stromversorgung eine geregelte 5-Volt-Versorgung sein, auf einen Wert so nahe wie möglich 5, 0 Volt DC eingestellt.

Eine Möglichkeit, Zeit zu sparen und die Möglichkeit von Fehlern zu reduzieren, besteht darin, mit einer sehr einfachen Schaltung zu beginnen und schrittweise Komponenten hinzuzufügen, um nach jeder Analyse die Komplexität zu erhöhen, anstatt für jedes Übungsproblem eine ganz neue Schaltung zu erstellen. Eine weitere zeitsparende Technik ist die Wiederverwendung der gleichen Komponenten in einer Vielzahl verschiedener Schaltungskonfigurationen. Auf diese Weise müssen Sie den Wert einer Komponente nicht mehr als einmal messen.

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Lassen Sie die Elektronen selbst Antworten auf Ihre eigenen "Übungsprobleme" geben!

Anmerkungen:

Es ist meine Erfahrung, dass Studenten viel Übung mit Schaltungsanalyse benötigen, um kompetent zu werden. Zu diesem Zweck stellen die Dozenten ihren Studenten normalerweise viele Übungsprobleme zur Verfügung und geben den Studenten Antworten auf ihre Arbeit. Während dieser Ansatz Schüler in der Schaltungstheorie kompetent macht, kann sie sie nicht vollständig ausbilden.

Studenten brauchen nicht nur mathematische Praxis. Sie brauchen auch echte, praktische Übungsschaltkreise und Testgeräte. Daher schlage ich den folgenden alternativen Ansatz vor: Schüler sollten ihre eigenen "Übungsprobleme" mit realen Komponenten aufbauen und versuchen, die verschiedenen logischen Zustände vorherzusagen. Auf diese Weise wird die digitale Theorie "lebendig", und die Schüler erwerben praktische Kenntnisse, die sie nicht nur durch Lösen von Booleschen Gleichungen oder Vereinfachen von Karnaugh-Karten gewinnen könnten.

Ein weiterer Grund für die Anwendung dieser Methode besteht darin, den Schülern eine wissenschaftliche Methode beizubringen: den Prozess des Testens einer Hypothese (in diesem Fall logische Zustandsvorhersagen) durch Ausführen eines echten Experiments. Die Schüler entwickeln auch echte Fähigkeiten zur Fehlersuche, da sie gelegentlich Schaltungsfehler machen.

Verbringen Sie einige Momente mit Ihrer Klasse, um einige der "Regeln" für den Aufbau von Schaltungen zu überprüfen, bevor sie beginnen. Besprechen Sie diese Probleme mit Ihren Schülern auf die gleiche sokratische Weise, dass Sie normalerweise die Arbeitsblattfragen diskutieren, anstatt ihnen einfach zu sagen, was sie tun sollten und was nicht. Ich bin immer wieder erstaunt darüber, wie schlecht die Schüler Anweisungen verstehen, wenn sie in einem typischen Vortragsformat (Instructor Monolog) präsentiert werden!

Ich empfehle CMOS-Logikschaltungen für Experimente zu Hause, bei denen die Schüler möglicherweise keinen Zugang zu einer geregelten 5-Volt-Stromversorgung haben. Moderne CMOS-Schaltungen sind hinsichtlich der statischen Entladung weitaus robuster als die ersten CMOS-Schaltungen, so dass die Befürchtungen, Schüler könnten diese Geräte beschädigen, weil sie zu Hause kein "richtiges" Laboratorium eingerichtet haben, weitgehend unbegründet sind.

Ein Hinweis an die Dozenten, die sich über die "verschwendete" Zeit beschweren können, die erforderlich ist, damit die Schüler reale Schaltungen aufbauen können, anstatt nur theoretische Schaltkreise mathematisch zu analysieren:

Was ist der Zweck der Schüler, die Ihren Kurs belegen? "Worksheetpanel panel panel-default" itemscope>

Frage 2

In dieser Schaltung steuert ein Mikrocontroller die Drehung eines speziellen Motortyps, der als Schrittmotor bekannt ist, indem sequentiell jeweils ein Transistor aktiviert wird (wodurch jeweils eine Motorspule erregt wird). Mit jedem Schritt in der Sequenz dreht sich der Motor um eine feste Anzahl von Grad, typischerweise 1, 8 Grad pro Schritt:

Jede Motorspule zieht einen relativ hohen Strom, wenn sie erregt wird, was es erforderlich macht, dass Transistoren zwischen den Mikrocontrollerausgängen und den Motorspulen "eingefügt" werden.

Identifizieren Sie, welche Art von logischem Signal ("high" oder "low") von den Ausgangsports des Mikrocontrollers benötigt wird, um jeden Transistor mit Energie zu versorgen. Zeigen Sie auch, wie die Leistungsverluste und die Anzahl der Teile reduziert werden können, indem Sie jeden Bipolartransistor mit einem geeigneten MOSFET im folgenden Diagramm ersetzen:

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Jede Schrittmotorspule wird erregt, wenn der jeweilige Mikrocontrollerausgang in einen "niedrigen" (Massepotential) Zustand geht.

Follow-up-Frage: Wenn die Widerstände an Ort und Stelle bleiben müssten, würde die modifizierte (MOSFET statt BJT) Schaltung noch richtig funktionieren "Notizen versteckt"> Hinweise:

Der Zweck dieser langatmigen Frage ist nicht nur, dass die Schüler herausfinden, wie man einen BJT durch einen MOSFET ersetzt, sondern auch, um sie in das Konzept des Mikrocontrollers einzuführen, der in modernen elektronischen Systemen immer wichtiger wird.

In dieser Schaltung wurden der Einfachheit halber keine Kommutierungsdioden gezeigt. Wenn irgendwelche Studenten danach fragen, loben Sie sie dafür, dass sie es bemerkt haben!

Frage 3

Schrittmotorspulen ziehen typischerweise viel Strom, was die Verwendung von Leistungstransistoren erfordert, um die Steuerschaltung an den Motor zu "puffern". Eine typische Schrittmotor-Endantriebsschaltung sieht in etwa so aus (der Kürze wegen ist nur einer der vier Ausgangstransistoren gezeigt):

Die Diode ist natürlich installiert, um zu verhindern, dass Hochspannungsstöße den Ausgangstransistor bei jedem Ausschalten zerstören. Dies verursacht jedoch ein anderes Problem: Wenn die Freilaufdioden an ihrem Platz sind, benötigt das in jeder Spule gebildete Magnetfeld länger, um "abzuklingen", wenn sein jeweiliger Transistor ausschaltet. Diese Verzögerung bringt dem Schrittmotor eine maximale Drehgeschwindigkeit mit sich, da der Motor nicht zum nächsten Schritt übergeht, bis sich das Magnetfeld (die magnetischen Felder) aus dem vorhergehenden Schritt aufgelöst haben.

Welche Änderung kann an dieser Schaltung vorgenommen werden, damit die Transistoren schneller schalten können, wodurch der Schrittmotor mit einer höheren Drehzahl angetrieben wird. "# 3"> Antwort anzeigen Antwort ausblenden

Ich werde nicht genau erklären, warum diese Lösung funktioniert, aber ich werde Michael Faraday einen mathematischen "Hinweis" geben lassen:

v = N d φ


dt

Follow-up-Frage: Welche Faktoren bestimmen den Widerstandswert des neuen Widerstandes, der im Diagramm "Notizen versteckt" angezeigt wird.

Bitten Sie Ihre Schüler, die Änderungsrate des Magnetflusses in jeder Spule beim Ausschalten des Transistors zu beschreiben, wobei keine Kommutierungsdioden vorhanden sind (vorausgesetzt, der Transistor könnte den von der Induktivität erzeugten transienten Spannungen standhalten). Es sollte Ihren Studenten klar werden, dass die Einbeziehung von Dioden zur Vermeidung von Hochspannungs-Spikes buchstäblich das Problem der Magnetfeld-Abklingzeit verursacht.

Frage 4

Diese Schieberegisterschaltung treibt die vier Spulen eines unipolaren Schrittmotors nacheinander in einem sich mit der Taktgeschwindigkeit bewegenden rotierenden Muster an. Die Treibertransistorschaltungen (Q 1, Q 2 und die Widerstände R 2 bis R 6 ) sind nur für eine der vier Spulen gezeigt. Die anderen drei Schieberegisterausgänge haben identische Treiberschaltungen, die mit den jeweiligen Motorspulen verbunden sind:

Angenommen, dieser Schrittmotor-Schaltkreis arbeitete mehrere Jahre lang einwandfrei, dann hörte er plötzlich auf zu arbeiten. Erklären Sie, wo Sie die ersten Messungen vornehmen würden, um das Problem zu isolieren und warum Sie dort messen würden.

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Mein erster Schritt wäre, das Vorhandensein einer ausreichenden Gleichstromleistung sowohl für das Schieberegister IC als auch für den Motor (Transistortreiberschaltung) zu prüfen. Dann würde ich ein Voltmeter oder eine Logiksonde verwenden, um zu prüfen, ob an einem der Q-Ausgänge des Schieberegisters pulsiert wird. Das würde mir sagen, ob das Problem mit dem Schieberegister oder mit der Leistungsschaltung zusammenhängt.

Anmerkungen:

Dies ist eine gute Frage, die Sie mit Ihren Schülern besprechen können, da sie ihnen hilft, ein defektes System zu "teilen und zu erobern".

Frage 5

Schrittmotoren werden häufig in Servomechanismen mit geringer Leistung verwendet, wie sie in kleinen Robotern, Computerdruckern und anderen elektromechanischen Präzisionsmaschinen anzutreffen sind. Erklären Sie, warum dieser Typ von Elektromotor beliebter ist als Permanentmagnet-DC-Motoren oder andere Motortypen. Tipp: Die Antwort hängt eng mit dem Namen des Motors selbst zusammen ("Stepper").

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Im Gegensatz zu anderen Motortypen bewegen sich Schrittmotoren in diskreten "Schritten" und eignen sich sehr gut für digitale Positionssteuerungsmodi.

Anmerkungen:

Stellen Sie sicher, dass Schüler die Möglichkeit haben, die Bewegung eines Schrittmotors in ihren eigenen Händen zu fühlen, wenn Sie Schrittmotoren in der Klasse besprechen. Wenn Sie keine Schrittmotoren zur Verfügung haben, können Sie diese leicht durch die Bergung von Teilen abgenutzter Computerdrucker erhalten!

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