V priemyselnej oblasti existuje veľké množstvo aplikácií krokových motorov, ako je riadenie automatizácie, spoje robotov, ovládanie tlačiarní atď. Najpoužívanejšie sú hybridné krokové motory. Jedným z najpoužívanejších je hybridný krokový motor, ktorý je zároveň podobou väčšiny krokových motorov, s ktorými prichádzame denne do kontaktu. Koncepčne, krokové motory a motory s premenlivou reluktanciou existujú určité prepojenia a rozdiely, tento dokument bude spočiatku hovoriť o štruktúre a princípe fungovania reluktančného motora / krokového motora a porovná rozdiely medzi rôznymi motormi.
1. Motor s premenlivou reluktanciou
Motor s premenlivou reluktanciou (Variable{0}}Reluctance Machine) je známy aj ako motor s prepínaním reluktancie, ktorý je možno najjednoduchší zo všetkých motorových konštrukcií motora, so statorom vybaveným budiacimi vinutiami a feromagnetickým rotorom s konvexnou pólovou konštrukciou. Rotor nemá žiadne vinutie cievky a žiadne permanentné magnety a spolieha sa na zmeny reluktancie rotora v rôznych polohách na generovanie elektromagnetickej sily (dΨ/dθ).
Vieme, že magnetický tok má vždy tendenciu skrížiť cestu s najnižším odporom. Ako je znázornené na obrázku . 1.1, S1 S2 riadi zapnutie a vypnutie prúdu a VD1 VD2 je dióda kontinuity prúdu. Poloha zobrazená v polohe AA' a aa' maximálnej reluktancie, minimálnej reluktancie CC, ak je fáza D v tomto čase pod napätím, rotor sa bude otáčať proti smeru hodinových ručičiek; ak je fáza B v tomto čase pod napätím, rotor sa bude otáčať v smere hodinových ručičiek; ak je fáza A v tomto čase pod napätím, rotor zostane nezmenený. Treba poznamenať, že spínané reluktančné motory nemôžu realizovať zmenu smeru otáčania motora prostredníctvom zmeny smeru prúdu, ale prostredníctvom zmeny budiacej sekvencie realizovať otáčanie motora dopredu a dozadu.
Aktivujúca sekvencia otáčania v smere hodinových ručičiek: B-A-D-C
Sekvencia aktivácie otáčania proti smeru hodinových ručičiek: D-A-B-C
Pretože sa magnetický odpor motora počas otáčania drasticky mení, pulzácia krútiaceho momentu reluktančného motora bude vysoká. Aby sa zabezpečilo, že motor môže bežať hladko a efektívne, vyžaduje ovládanie reluktančného motora okrem iných informácií poznať polohu rotora, stav zaťaženia a stav otáčok. A model reluktančného motora nemá dobrú linearitu synchrónneho motora / asynchrónneho motora s permanentným magnetom, takže potrebuje veľa predikčných modelov a algoritmov na zlepšenie presnosti riadenia, čo nepochybne zvyšuje náročnosť riadenia reluktančného motora.
Obrázok 1.1 Základná štruktúra motora s premenlivou reluktanciou
2. Od motorov s premenlivou reluktanciou až po krokové motory
Motory s premenlivou reluktanciou môžu vďaka svojmu špeciálnemu spôsobu riadenia (pulzné striedavé vedenie) rozdeliť uhol pohybu zvýšením počtu pólov statora a rotora alebo počtu napájaných fáz statora. Existuje celý rad takýchto rozdelených štruktúr s rôznymi charakteristikami uhlového krútiaceho momentu, takže o nich nebude reč. V tomto článku preskúmame niekoľko bežných mechanizmov motora s premenlivou reluktanciou z rôznych rozmerov, aby sme videli, ako krokové motory vynikajú z nespočetných štruktúr motorov s premenlivou reluktanciou.
2.1 Premenlivý reluktančný motor typu Castle
Ako už bolo spomenuté vyššie, zvýšenie počtu vyčnievajúcich pólov môže rozdeliť uhol pohybu, ale čím viac vyčnievajúcich pólov zaberie veľa miesta na cievke, účinnosť vinutia motora sa zníži a vyčnievajúce póly nemožno zväčšovať donekonečna. V prípade rovnakého počtu fáz pohonu môže byť vyrytím malého zúbka na vyčnievajúcom póle delené aj uhlom vzdialenosti stroja. Ako je znázornené na obrázku 2.1, trojfázový motor s premenlivou reluktanciou typu hrad{4}} so 6-pólovým statorom, 4 zubami na pól a 28-pólovým rotorom. Energizujúca cievka 1, cievka 2 a cievka 3 sekvenčne môže poháňať rotor tak, aby sa otáčal so vzdialenosťou kroku 2/3 pri každom kroku. hodnoty musia byť navrhnuté podľa prevodových pomerov konštrukcie motora a nie sú tu diskutované.
Tento typ motora sa všeobecne používa pri nízkych otáčkach, vysokom krútiacom momente a presnom uhlovom rozlíšení, túto štruktúru už možno nazvať „krokovým motorom“, pretože ovládanie tohto motora je možné oddeliť aj od detekcie polohy, a to prostredníctvom impulzného sekvenčného pohonu, ktorý umožňuje relatívne plynulé ovládanie.
Obrázok 2.1 Trojfázový motor s premenlivou reluktanciou typu hrad-
2.2 Viac-stupňové motory s premenlivou reluktanciou
Motory s premenlivou reluktanciou pozostávajúce z jedného rotora s viac{0}}fázovým vinutím sú známe aj ako „jednosegmentové motory s premenlivou reluktanciou“. Ďalším typom motora s premenlivou reluktanciou je rotor a stator rozdelený do mnohých segmentov, ktoré je možné rozdeliť bez zvýšenia počtu fáz statora a sú šetrnejšie k štruktúre vinutia statora. Je možné zriadiť segment s jednou fázou, čím prakticky odpadá vinutie konca viacfázového motora. Pre n-segmentové motory je rotor alebo stator každého segmentu posunutý o 1/n uhla jeho rozstupu pólov a rozstup pólov možno ďalej rozdeliť na n-krát.
2.3 Hybridné krokové motory
V jednoduchom motore s premenlivou reluktanciou závisí smer otáčania od načasovania impulzného prúdu a reluktančnej štruktúry motora a nie je ovplyvnený smerom prúdu. Pri absencii prúdu nemôže byť rotor upevnený v špecifickej polohe kvôli nedostatku reluktančného krútiaceho momentu, čo ďalej zvyšuje náročnosť ovládania. Pridanie permanentných magnetov do pôvodnej konštrukcie spínaného reluktančného motora na vytvorenie permanentného magnetu alebo hybridného motora s premenlivou reluktanciou môže výrazne zlepšiť krútiaci moment a presnosť polohy krokových motorov, čo je dnes najbežnejšia štruktúra krokových motorov.
Ako je znázornené na obrázku 2.2, štruktúra hybridného krokového motora je veľmi podobná viacsegmentovému motoru s premenlivou reluktanciou, ktorý je vložený medzi dva segmenty permanentných magnetov rotora a je vidieť na proximálnom konci N-pólového distálneho konca S-pólu. Stator môže byť navrhnutý ako jednosegmentová konštrukcia motora a vyžaduje sa iba dvojfázový pohon, čo výrazne zjednodušuje štruktúru motora a náklady. Počet pólových párov rotora v motore zobrazenom na obrázku je 3, takže mechanický uhol zodpovedajúci jednému elektrickému cyklu je 360/(2*3)=60.
Pre ľahšie pochopenie je θ mechanický uhol a špecifická postupnosť jazdy:
θ=0~10, fáza 1 a fáza 2 prechádzajú súčasne kladným prúdom rovnakej amplitúdy
θ=10~20, fáza 2 prechádza sama kladným prúdom
θ=20~30, fáza 1 prechádza sama záporným prúdom
θ=30~40, fáza 1 a fáza 2 prechádzajú súčasne záporným prúdom rovnakej amplitúdy
θ=40~50, fáza 2 prechádza sama záporným prúdom
θ=50~60, fáza 1 prechádza sama kladným prúdom
Cyklické vedenie... ...
Obrázok 2.2 Štruktúra hybridného krokového motora
3. ovládanie krokového motora
Ako je znázornené na obrázku 3.1, štruktúru hnacieho obvodu krokového motora možno vo všeobecnosti rozdeliť na bipolárne motory a unipolárne motory: unipolárne motory prostredníctvom striedavého vedenia vinutia na dosiahnutie zmeny smeru toku, bipolárne motory prostredníctvom ovládania H-mostíka na dosiahnutie zmeny smeru prúdu na dosiahnutie zmeny smeru toku.
Unipolárny motor potrebuje iba 4 výkonové MOS, unipolárne riadenie prúdu (z pohľadu MOS trubice), ale vinutie motora potrebuje ešte jeden odbočovač; bipolárny motor má jednoduchšiu štruktúru, dve vinutia sú vysoko využívané, ale na pohon je potrebné zvýšiť výkon na 8 výkonových MOS a náklady na regulátor sa zvýšia.
Obrázok 3.1 Pohony unipolárneho a bipolárneho krokového motora
Okrem rozdelenia v štruktúre motora môžu krokové motory tiež riadiť presnosť rozdelenia krokového motora riadením tvaru vlny prúdu. Princípom delenia je vložiť simulovaný sínusový prúd medzi najmenšie uhly kroku, aby sa uhly kroku rozdelili, čo sa tiež nazýva prúdové delenie.
Obrázok 3.2 Priebeh hnacieho prúdu krokového motora
3.1 Prúd v uzavretej slučke
Aktuálne nastavenie krokového motora je potrebné určiť podľa požiadaviek záťaže, čím väčšie je zaťaženie, tým väčší musí byť hnací prúd, ale riadenie s otvorenou{0}slučkou krokového motora nedokáže zistiť veľkosť záťaže, čo často vedie k neefektívnosti pohonu s otvorenou-slučkou. Rozdelenie prúdu vyžaduje presné riadenie prúdu, potrebu vytvoriť uzavretú slučku riadeného prúdu, to znamená prúdový výstup pre charakteristiky konštantného prúdu; na druhej strane kvôli nelineárnej zmene magnetorezistencie v krokovom motore je potrebné vždy sledovať veľkosť výstupného prúdu, aby sa zabránilo nasýteniu jadra prúdom spôsobeným stratou kontroly. Obrázok 3.3 nižšie, pre čip ovládača krokového motora TB67S109AFNG schému priebehu riadenia prúdu. Fchop pre vnútorný cyklus spínania cez frekvenčné delenie vnútorných hodín (Internal OSC).
Špecifické kroky riadenia konštantného prúdu sú nasledovné:
H-most vedie, prúd rýchlo stúpa na NF a sklon stúpania prúdu je VDC/Ls
Dosiahnite nastavený aktuálny bod NF, vypnite H-mostík, prúd obnoví dióda obnovy a sklon poklesu je -VDC/Ls (rýchla zmena)
Keď prúd dosiahne nastavenú hodnotu dolnej čiary, ovládajte H-mostík, aby ste skratovali cievku induktora (zvyčajne spodný mostík) a udržiavali prúd konštantný (pomalá zmena)
Keď sa zmení prúd nastavenej hodnoty, H-premostí cez rovnakú riadiacu stratégiu, aby sa prúd v najnovšej aktuálnej hodnote zostal konštantný
Ako je znázornené na obrázku 3.4, je nameraný tvar vlny krokového motora, ak poddelenie presnosti nižšieho možno vidieť ako zrejmý krok-ako priebeh prúdu ,. Ak je stupeň rozdelenia veľmi vysoký, potom je prúd bližšie k sínusovému prúdu, ako je znázornené na obrázku 3.5.
Obrázok 3.3 Ovládanie prúdu TB67S109AFNG
Obrázok 3.4 Nameraný prúd krokového motora (nerozdelený)
Obrázok 3.5 Nameraný prúd krokového motora (pododdiel)3.2 Ovládanie otvorenej-slučky a uzavretej{2}}slučky
Pri riadení s otvorenou{0}} slučkou, keďže neexistuje spätná väzba informácií o polohe rotora, je v podstate neznáme, či systém riadi alebo nie je sledovaný. Ak dôjde k nejakej abnormalite zaťaženia, je ľahké spôsobiť, že krokový motor stratí kroky. V niektorých vysoko-presných, vysoko{4}}výkonných aplikáciách, prostredníctvom kódovača alebo iných snímačov polohy späť k informáciám o polohe, takže systém krokového pohonu môže byť, či došlo alebo nedošlo k strate kroku, ak strata kroku vykompenzuje stratu impulzu v ovládaní riadenia, je tiež relatívne ľahko realizovateľná.
Zhrnutie
Tento článok stručne popisuje základnú štruktúru motorov s premenlivou reluktanciou a ich vývoj na krokové motory a porovnáva štruktúru a logiku riadenia niekoľkých bežných krokových motorov. Princíp riadenia krokového motora a podrobnosti o ovládaní prúdového rozdelenia sú predstavené s cieľom poskytnúť komplexnejšie pochopenie krokových motorov.