Postoji veliki broj primjena koračnih motora u industrijskom polju, kao što su automatizacija, robotski spojevi, kontrola štampača, itd. Najviše se koriste hibridni koračni motori. Jedan od najčešće korištenih je hibridni koračni motor, koji je također oblik većine koračnih motora s kojima svakodnevno dolazimo u kontakt. Konceptualno, koračni motori i motori s promjenjivim reluktantnim motorima postoje određene veze i razlike, ovaj rad će na početku govoriti o strukturi i principu rada reluktantnog motora/stepper motora, te usporediti razlike između različitih motora.
1. Motor s promjenjivom relukcijom
Motor s promjenjivom relukcijom (Variable-Reluctance Machine) je također poznat kao motor s promjenjivom relukcijom, možda najjednostavniji od svih struktura motora motora, po statoru opremljenom pobudnim namotajima i feromagnetnim rotorom sa konveksnom strukturom polova. Rotor nema namotaje zavojnice i trajne magnete, a oslanja se na varijaciju otpornosti rotora na različitim pozicijama da bi stvorio elektromagnetnu silu (dΨ/dθ).
Znamo da magnetni fluks uvek teži da pređe put sa najmanjim otporom. Kao što je prikazano na slici . 1.1, S1 S2 kontroliše uključivanje i isključivanje struje, a VD1 VD2 je dioda kontinuiteta struje. Položaj prikazan u položaju AA' i aa' pozicije maksimalne reluktancije, minimalne reluktancije CC, ako je D faza uključena u to vrijeme, rotor će se rotirati u smjeru suprotnom od kazaljke na satu; ako je B faza u ovom trenutku pod naponom, rotor će se rotirati u smjeru kazaljke na satu; ako je A faza u ovom trenutku pod naponom, rotor ostaje nepromijenjen. Treba napomenuti da komutirani reluktantni motori ne mogu ostvariti promjenu smjera rotacije motora promjenom smjera struje, već promjenom sekvence uključivanja kako bi se ostvarila rotacija motora naprijed i nazad.
Slijed pokretanja rotacije u smjeru kazaljke na satu: B-A-D-C
Slijed pokretanja rotacije u smjeru suprotnom od kazaljke na satu: D-A-B-C
Budući da se magnetni otpor motora drastično mijenja tokom rotacije, pulsiranje obrtnog momenta reluktantnog motora će postati visoko. Kako bi se osiguralo da motor može raditi glatko i efikasno, kontrola reluktantnog motora zahtijeva poznavanje položaja rotora, stanja opterećenja i stanja brzine, između ostalih informacija. A model reluktantnog motora nema dobru linearnost sinhronog motora s permanentnim magnetom/asinhronog motora, tako da mu je potrebno puno modela predviđanja i algoritama za poboljšanje točnosti upravljanja, što nesumnjivo povećava poteškoću u kontroli reluktantnog motora.
Slika 1.1 Osnovna struktura promjenjivog reluktantnog motora
2. Od motora s promjenjivim reluktantom do koračnih motora
Motori s promjenjivom reluktancijom mogu podijeliti ugao kretanja povećanjem broja polova statora i rotora ili broja faza pod naponom statora zbog njihove posebne metode upravljanja (puls naizmjeničnog provođenja). Postoji niz takvih podijeljenih struktura s različitim karakteristikama ugaonog momenta, tako da se o njima neće raspravljati. U ovom članku ćemo istražiti nekoliko uobičajenih motornih mehanizama s promjenjivom relukcijom, iz različitih dimenzija, da vidimo kako se koračni motori izdvajaju iz mnoštva struktura motora s promjenjivom relukcijom.
2.1 Motor s promjenjivom relukcijom tipa dvorca
Kao što je ranije spomenuto, povećanje broja izbočenih polova može podijeliti ugao kretanja, ali više izbočeni stupovi će zauzeti puno prostora zavojnice, efikasnost namotaja motora je smanjena, a izbočeni stupovi se ne mogu povećavati beskonačno. U slučaju istog broja pogonskih faza, graviranjem malog zuba na izbočenom stupu, može se podijeliti i ugao udaljenosti stroja. Kao što je prikazano na slici 2.1, trofazni motor tipa zamak- sa promjenjivom reluktantnošću sa 6-polnim statorom, 4 zuba po polu i 28-polnim rotorom. Zavojnica za napajanje 1, zavojnica 2 i zavojnica 3 uzastopno može pokrenuti rotor da se rotira sa rastojanjem koraka od 2/3 pri svakom koraku. vrijednosti moraju biti dizajnirane prema omjerima zupčanika dizajna motora i o njima se ovdje ne raspravlja.
Ovaj tip motora se generalno koristi u maloj brzini, velikom obrtnom momentu i preciznoj ugaonoj rezoluciji, ova struktura se već može nazvati "stepper motorom", jer kontrola ovog motora kao i da se može odvojiti od detekcije položaja, preko pogona sa sekvencom impulsa može se ostvariti relativno glatka kontrola.
Slika 2.1 Trofazni motor s promjenjivim reluktantnim tipom-zamak{2}}
2.2 Višestepeni motori s promjenjivom reluktancijom
Motori s promjenjivom reluktantnošću koji se sastoje od jednog rotora sa više-faznim namotajem također su poznati kao "jednosegmentni motori s promjenjivom relukcijom". Druga vrsta promjenjivog reluktantnog motora je rotor i stator podijeljeni na mnogo segmenata, koji se mogu podijeliti bez povećanja broja faza statora, i pogodniji su za strukturu namotaja statora. Moguće je postaviti segment sa jednom fazom, što praktično eliminiše premotavajući kraj višefaznog motora. Za motore sa n-segmentima, rotor ili stator svakog segmenta je pomaknut za 1/n ugla njegovog nagiba polova, a nagib polova se može dalje podijeliti za n puta.
2.3 Hibridni koračni motori
U jednostavnom motoru s promjenjivom relukcijom, smjer rotacije ovisi o vremenu impulsne struje i reluktancijskoj strukturi motora, i na njega ne utječe smjer struje. U nedostatku struje, rotor se ne može fiksirati u određenom položaju zbog nedostatka reluktantnog momenta, što dodatno otežava kontrolu. Dodavanje trajnih magneta originalnoj strukturi komutacionog reluktantnog motora kako bi se formirao permanentni magnet ili hibridni motor s promjenjivom reluktantnošću može značajno poboljšati moment i pozicionu tačnost koračnih motora, što je danas najčešća struktura koračnog motora.
Kao što je prikazano na slici 2.2, struktura hibridnog koračnog motora je vrlo slična više-segmentnom motoru varijabilne reluktancije, umetnutom između dva segmenta trajnih magneta rotora, može se vidjeti na proksimalnom kraju N-pola distalnog kraja S-pola. Stator može biti dizajniran kao jedno-segmentna struktura motora, a potreban je samo dvofazni pogon, što uvelike pojednostavljuje strukturu motora i troškove. Broj parova polova rotora u motoru prikazan na slici je 3, tako da je mehanički ugao koji odgovara jednom električnom ciklusu 360/(2*3)=60.
Radi lakšeg razumijevanja, θ je mehanički ugao i specifična sekvenca vožnje:
θ=0~10, faza 1 i faza 2 prolaze pozitivnu struju jednake amplitude u isto vrijeme
θ=10~20, faza 2 sama prolazi pozitivnu struju
θ=20~30, faza 1 sama prolazi kroz negativnu struju
θ=30~40, faza 1 i faza 2 istovremeno prolaze negativnu struju jednake amplitude
θ=40~50, faza 2 sama propušta negativnu struju
θ=50~60, faza 1 sama prolazi pozitivnu struju
Ciklično provođenje... ...
Slika 2.2 Struktura hibridnog koračnog motora
3. kontrola koračnog motora
Kao što je prikazano na slici 3.1, struktura pogonskog kruga koračnog motora općenito se može podijeliti na bipolarne motore i unipolarne motore: unipolarne motore putem naizmjeničnog provođenja namotaja kako bi se postigla promjena smjera fluksa, bipolarne motore kroz kontrolu H-mosta da bi se postigla promjena smjera struje kako bi se postigla promjena smjera fluksa.
Unipolarnom motoru su potrebne samo 4 snage MOS, unipolarna kontrola struje (iz perspektive MOS cijevi), ali namotaju motora treba još jedan odvod; bipolarni motor je jednostavnije strukture, dva namotaja su visoko iskorištena, ali ga je potrebno povećati na 8 snaga MOS za vožnju, a cijena kontrolera će rasti.
Slika 3.1 Pogoni unipolarnog i bipolarnog koračnog motora
Osim podjele u strukturi motora, koračni motori također mogu kontrolirati tačnost podjele koračnog motora kontroliranjem valnog oblika struje. Princip podjele je da se ubaci simulirana sinusoidna struja između najmanjih uglova koraka kako bi se podijelili uglovi koraka, što se također naziva podjela struje.
Slika 3.2 Slom pogonske struje koračnog motora
3.1 Struja zatvorene petlje
Trenutna postavka koračnog motora se mora odrediti u skladu sa zahtjevima opterećenja, što je veće opterećenje, to je veća struja pokretanja, ali kontrola otvorene-petlje koračnog motora ne može osjetiti veličinu opterećenja, što često rezultira neefikasnošću pogona otvorene{1}}petlje. Podela struje zahteva preciznu kontrolu struje, potrebu da se formira zatvorena petlja kontrolisane struje, odnosno strujni izlaz za karakteristike konstantne struje; s druge strane, zbog nelinearne promjene magnetootpornosti u koračnom motoru, potreba da se uvijek prati veličina izlazne struje kako bi se spriječilo da jezgro zasićuje struju uzrokovanu gubitkom kontrole. Slika 3.3 u nastavku, za šemu valnog oblika strujne kontrole čipa TB67S109AFNG drajvera koračnog motora. Fchop za interni ciklus prebacivanja, kroz interni sat (Internal OSC) frekvencijsku podjelu.
Specifični koraci kontrole konstantne struje su sljedeći:
H-most provodi, struja brzo raste do NF, a nagib porasta struje je VDC/Ls
Dostignite zadatu trenutnu tačku NF, isključite H-most, struja se obnavlja diodom za obnavljanje, a nagib pada je -VDC/Ls (brza promjena)
Kada struja dostigne zadanu vrijednost donje linije, kontrolirajte H- most da kratko spojite induktorsku zavojnicu (obično donji most) i zadržite struju konstantnom (spora promjena)
Kada se struja zadane vrijednosti promijeni, H-most kroz istu kontrolnu strategiju kontrolira struju u posljednjoj trenutnoj zadanoj tački da ostane konstantna
Kao što je prikazano na slici 3.4, je izmjereni talasni oblik koračnog motora, ako se podpodjela tačnosti na niže može vidjeti očigledan korak-kao trenutni talasni oblik ,. Ako je stepen podjele vrlo visok, tada je struja bliža sinusnoj struji, kao što je prikazano na slici 3.5.
Slika 3.3 Kontrola struje TB67S109AFNG
Slika 3.4 Izmjerena struja koračnog motora (nije podijeljena)
Slika 3.5 Izmjerena struja koračnog motora (podjela)3.2 Kontrola otvorene-i zatvorene{2}}petlje
Kod upravljanja u otvorenom{0}}okruženju, budući da nema povratnih informacija o položaju rotora, u suštini je nepoznato da li sistem prati kontrola ili ne. Ako postoji neka abnormalnost opterećenja, lako je uzrokovati da koračni motor izgubi korake. U nekim aplikacijama visoke{3}}preciznosti, visokih{4}}performansi, preko enkodera ili drugih senzora položaja nazad do informacija o poziciji, tako da sistem koračnog pogona može utvrditi da li je došlo do gubitka koraka ili ne, ako će gubitak koraka nadoknaditi gubitak pulsa u kontroli kontrole također je relativno lako realizirati.
Rezime
Ovaj rad ukratko opisuje osnovnu strukturu promjenjivih reluktantnih motora i njihovu evoluciju do koračnih motora, te uspoređuje strukturu i upravljačku logiku nekoliko uobičajenih koračnih motora. Uvedeni su princip upravljanja koračnim motorom i detalji kontrole trenutne podjele kako bi se pružilo sveobuhvatnije razumijevanje koračnih motora.