Применение микрошагового двигателя в пылесосе

С быстрым развитием концепции «умного дома» роботизированные пылесосы стали стандартным оборудованием для уборки современных домов. Среди многочисленных основных компонентов поломоечных машин все более важную роль играют микрошаговые двигатели благодаря своим преимуществам: точному управлению, низкому уровню шума и длительному сроку службы. В данной статье будут рассмотрены конкретные сценарии применения, технические преимущества и моменты выбора микрошаговых двигателей для поломоечных машин.

Что такое миниатюрный шаговый двигатель?

Микрошаговой двигатель — это исполнительный механизм, преобразующий электрические импульсные сигналы в угловое или линейное перемещение. В отличие от обычных двигателей постоянного тока, он поворачивает ротор на фиксированный угол (называемый углом шага) каждый раз, когда получает импульсный сигнал. Эта функция «разомкнутого контура управления» позволяет микрошаговым двигателям обеспечивать точное позиционирование без необходимости использования энкодеров, что делает их особенно подходящими для интеллектуальных устройств, таких как поломоечные машины, которые чувствительны к объему производства и стоимости.

Четыре основных области применения микрошаговых двигателей в подметальных машинах.

1. Основной элемент навигационной системы лазерного радара (LDS).

В настоящее время все основные подметальные машины среднего и высокого класса используют технологию лазерной радиолокационной навигации. Модули LDS требуют высокой скорости вращения (обычно 300-600 об/мин) для сканирования окружающей среды, а также предъявляют чрезвычайно высокие требования к стабильности скорости. Микрошаговые двигатели являются идеальным выбором для драйверов LDS благодаря следующим характеристикам:

Точное регулирование скорости:Регулируя частоту импульсов, можно точно контролировать скорость, обеспечивая равномерность сбора данных облака точек.

Низкий уровень вибрации:По сравнению с коллекторными двигателями, шаговые двигатели работают плавнее, уменьшая помехи для лазерных дальномерных модулей.

Длительный срок службы:Благодаря конструкции, исключающей износ электрических щеток, общий срок службы машины может достигать тысяч часов. 

В практических приложениях модули LDS часто используют микрошаговые двигатели с постоянными магнитами диаметром 25 мм в сочетании с алгоритмами управления с обратной связью для поддержания низкого уровня шума (обычно ниже 40 дБ) во время высокоскоростного вращения.

2. Подъем и регулировка скорости боковой щетки подметальной машины.

Нижняя краевая щетка подметальной машины отвечает за сбор мусора в углах стен и на краях мебели, направляя его в зону действия основной щетки. В традиционных конструкциях для вращения краевой щетки используются обычные двигатели постоянного тока, но они не позволяют регулировать ее высоту. После внедрения микрошаговых двигателей стало возможным достижение следующих результатов:

Адаптивный подъем: когда подметальная машина обнаруживает ковры или пороги, шаговый двигатель точно управляет боковой щеткой, поднимая ее на 5-8 мм и предотвращая запутывание.

Многоскоростная регулировка:Автоматически переключается между скоростями вращения 200-400 об/мин в зависимости от типа напольного покрытия, такого как деревянный пол, плитка, ковры и т.д.

Защита от обратной полярности сопротивления:Благодаря обнаружению рассинхронизации шагового двигателя, интеллектуальное реверсирование достигается при возникновении сопротивления краевой щеткой.

В этом приложении обычно используется небольшой шаговый двигатель в сочетании с винтовым механизмом для обеспечения линейного перемещения.

3. Точное управление заслонкой вентилятора.

Сила всасывания подметальной машины зависит не только от скорости вращения вентилятора, но и тесно связана со степенью открытия и закрытия воздуховода. В некоторых моделях высокого класса для управления заслонкой воздуховода используются микрошаговые двигатели:

Плавная регулировка силы всасывания:от слабого всасывания в бесшумном режиме до сильного всасывания в мощном режиме, линейная регулировка. 

Герметизация пылесборника:При выключении шаговый двигатель приводит в движение заслонку, полностью закрывая воздуховод и предотвращая обратный поток пыли.

Оптимизация энергосбережения:Точное управление открытием воздушной заслонки позволяет снизить нагрузку на вентилятор, когда высокая мощность всасывания не требуется. 

В данном сценарии применения способность микрошаговых двигателей поддерживать крутящий момент особенно важна, поскольку они могут сохранять положение перегородки даже в случае отключения электроэнергии.

4. Модуль подъема и вибрации при буксировке

В последние годы микрошаговые двигатели также играют важную роль в популярных многофункциональных устройствах для сканирования и влажной уборки.

Механизм подъема швабры:После распознавания ковра шаговый двигатель приводит в движение кронштейн швабры, поднимая его на 10-12 мм, чтобы избежать намокания ковра.

Имитация вибрации при протирании рук:Благодаря быстрому переключению между прямым и обратным вращением шагового двигателя, швабра может создавать горизонтальные возвратно-поступательные колебания, что повышает эффективность очистки стойких пятен.

Регулировка прижимного давления:Точно регулируйте давление швабры на пол в зависимости от типа покрытия (обычно в диапазоне 5-15 Н). 

Преимущества микрошаговых двигателей по сравнению с другими типами двигателей.

Сравнительный проект: микрошаговый двигатель, коллекторный двигатель постоянного тока, бесколлекторный двигатель постоянного тока.

Для обеспечения высокой точности позиционирования (в режиме разомкнутого контура) необходим энкодер.

Управлять сложностью просто, очевидно и сложно.

Отличный крутящий момент на низких оборотах, в целом плохой.

Низкий, средний, высокий и низкий уровни шума

Средняя низкая высокая стоимость

Долгая, короткая, долгая продолжительность жизни

В подметальных машинах микрошаговые двигатели обеспечивают точное управление положением без необходимости обратной связи по замкнутому контуру, что является незаменимым преимуществом в системах навигации LDS и подъемных механизмах.

Основные моменты при выборе микрошаговых двигателей для подметальных машин

При разработке подметальных машин следует обращать внимание на следующие параметры при выборе микрошаговых двигателей:

Внешние размеры:Обычно квадратные фитинги размером 20 мм, 25 мм, 28 мм, необходимо подобрать под внутреннее пространство изделия.

Поддерживайте крутящий момент:Для применения в системах LDS требуется усилие 0,1 Н·м или более, а для подъемных механизмов — 0,2–0,3 Н·м.

Текущий номинальный ток:обычно 0,5-1,0 А, с учетом возможностей управляющего чипа.

Угол шага:Угол 1,8° подходит для систем LDS, а 0,9° — для подъемных механизмов, требующих более точного управления.

Рабочая температура:Внутренняя температура подметальной машины может достигать 60 ℃, поэтому необходимо выбрать двигатель с температурной стойкостью ≥ 100 ℃.

часто задаваемые вопросы

В: Легко ли микрошаговым двигателям в подметальных машинах терять шаг?

A: Пока момент нагрузки не превышает 70% от момента удержания и задана соответствующая кривая ускорения и замедления, потеря шага происходит крайне редко. В моделях высокого класса используется управляемый шаговый двигатель с обратной связью для мониторинга положения ротора в реальном времени.

В: Потребляет ли микрошаговый двигатель электроэнергию?

A: По сравнению с вентиляторами и основными щеточными двигателями, шаговые двигатели имеют очень низкое энергопотребление (обычно 1-3 Вт). Однако следует отметить, что шаговый двигатель все же потребляет ток, удерживая положение, поэтому при проектировании следует избегать длительного нахождения под нагрузкой.

В: Как снизить уровень шума шаговых двигателей?

А: Применение технологии сегментированного привода, оптимизация кривых разгона и замедления, а также добавление амортизирующих резиновых прокладок в корпус двигателя позволяют эффективно снизить уровень шума при работе.

Тенденции будущего развития

По мере развития пылесосов в направлении создания более интеллектуальных, тихих и тонких устройств, технология микрошаговых двигателей также постоянно совершенствуется:

Встроенный драйвер:Интеграция микросхемы драйвера и двигателя в одном корпусе позволяет уменьшить занимаемую площадь печатной платы.

Бесшумные технологии:Внедрение новой конструкции магнитной цепи и гибких материалов для шестерен позволяет еще больше снизить уровень шума при работе.

Сверхтонкий двигатель:Высота может быть уменьшена до 12 мм, что подходит для сверхтонких подметальных машин.

Заключение

Несмотря на свои небольшие размеры, микрошаговые двигатели являются ключевым компонентом для обеспечения точной навигации, интеллектуального обхода препятствий и адаптивной уборки в пылесосах. Для инженеров, занимающихся исследованиями и разработками пылесосов, глубокое понимание рабочих характеристик и методов выбора микрошаговых двигателей может помочь в проектировании изделий с лучшими характеристиками и более высокой надежностью. С распространением бытовых сервисных роботов сценарии применения микрошаговых двигателей будут еще больше расширяться, становясь незаменимой основой управления движением для интеллектуальных мобильных платформ.

Если вы разрабатываете подметальную машину, пожалуйста, обратитесь к профессиональному поставщику шаговых двигателей для получения индивидуальных решений, адаптированных к конкретным условиям работы.