Υπάρχει μεγάλος αριθμός εφαρμογών βηματικών κινητήρων στον βιομηχανικό τομέα, όπως έλεγχος αυτοματισμού, αρθρώσεις ρομπότ, έλεγχος εκτυπωτή κ.λπ. Οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες είναι οι υβριδικοί βηματικοί κινητήρες. Ένας από τους πιο ευρέως χρησιμοποιούμενους είναι ο υβριδικός βηματικός κινητήρας, ο οποίος είναι και η μορφή των περισσότερων βηματικών κινητήρων με τους οποίους ερχόμαστε σε καθημερινή επαφή. Εννοιολογικά, οι βηματικοί κινητήρες και οι κινητήρες μεταβλητής απροθυμίας υπάρχουν ορισμένοι σύνδεσμοι και διαφορές, αυτό το άρθρο θα μιλήσει αρχικά για τη δομή και την αρχή λειτουργίας του κινητήρα απροθυμίας / βηματικού κινητήρα και θα συγκρίνει τις διαφορές μεταξύ των διαφορετικών κινητήρων.
1. Κινητήρας μεταβλητής απροθυμίας
Ο κινητήρας μεταβλητής απροθυμίας (Μεταβλητή-Μηχανή απροθυμίας) είναι επίσης γνωστός ως κινητήρας απροθυμίας μεταγωγής, ίσως ο απλούστερος από όλη τη δομή κινητήρα του κινητήρα, από τον στάτορα εξοπλισμένο με περιελίξεις διέγερσης και σιδηρομαγνητικό ρότορα με κυρτή δομή πόλων. Ο ρότορας δεν έχει περιελίξεις πηνίου και μόνιμους μαγνήτες και βασίζεται στη μεταβολή της απροθυμίας του ρότορα σε διαφορετικές θέσεις για να δημιουργήσει μια ηλεκτρομαγνητική δύναμη (dΨ/dθ).
Γνωρίζουμε ότι η μαγνητική ροή τείνει πάντα να διασχίζει το μονοπάτι με τη μικρότερη απροθυμία. Όπως φαίνεται στο Σχήμα. 1.1, το S1 S2 ελέγχει την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση του ρεύματος και το VD1 VD2 είναι η τρέχουσα δίοδος συνέχειας. Η θέση που φαίνεται στη θέση AA' και aa' της μέγιστης απροθυμίας, η ελάχιστη απροθυμία CC, εάν η φάση D ενεργοποιηθεί αυτήν τη στιγμή, ο ρότορας θα περιστραφεί αριστερόστροφα. Εάν η φάση Β ενεργοποιηθεί αυτή τη στιγμή, ο ρότορας θα περιστραφεί δεξιόστροφα. Εάν η φάση Α ενεργοποιηθεί αυτή τη στιγμή, ο ρότορας θα παραμείνει αμετάβλητος. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι κινητήρες μεταγωγής απροθυμίας δεν μπορούν να αντιληφθούν την αλλαγή της κατεύθυνσης περιστροφής του κινητήρα μέσω της αλλαγής της κατεύθυνσης του ρεύματος, αλλά μέσω της αλλαγής της σειράς ενεργοποίησης για να πραγματοποιήσουν την εμπρός και την αντίστροφη περιστροφή του κινητήρα.
Ακολουθία ενεργοποίησης δεξιόστροφης περιστροφής: B-A-D-C
Ακολουθία ενεργοποίησης περιστροφής αριστερόστροφα: D-A-B-C
Δεδομένου ότι η μαγνητική αντίσταση του κινητήρα αλλάζει δραστικά κατά την περιστροφή, ο παλμός ροπής του κινητήρα απροθυμίας θα γίνει υψηλός. Προκειμένου να διασφαλιστεί ότι ο κινητήρας μπορεί να λειτουργεί ομαλά και αποτελεσματικά, ο έλεγχος του κινητήρα απροθυμίας απαιτεί τη γνώση της θέσης του ρότορα, της κατάστασης του φορτίου και της κατάστασης της ταχύτητας, μεταξύ άλλων πληροφοριών. Και το μοντέλο του κινητήρα απροθυμίας δεν έχει την καλή γραμμικότητα του σύγχρονου κινητήρα/ασύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη, επομένως χρειάζεται πολλά μοντέλα πρόβλεψης και αλγόριθμους για τη βελτίωση της ακρίβειας ελέγχου, γεγονός που αναμφίβολα αυξάνει τη δυσκολία του ελέγχου κινητήρα απροθυμίας.
Εικόνα 1.1 Βασική δομή κινητήρα μεταβλητής απροθυμίας
2. Από κινητήρες μεταβλητής απροθυμίας έως βηματικούς κινητήρες
Οι κινητήρες μεταβλητής απροθυμίας μπορούν να υποδιαιρέσουν τη γωνία κίνησης αυξάνοντας τον αριθμό των πόλων του στάτη και του ρότορα ή τον αριθμό των φάσεων του στάτορα που ενεργοποιούνται λόγω της ειδικής μεθόδου ελέγχου τους (παλμική εναλλασσόμενη αγωγιμότητα). Υπάρχει μια ποικιλία τέτοιων υποδιαιρεμένων κατασκευών με διαφορετικά χαρακτηριστικά γωνιακής ροπής, επομένως δεν θα συζητηθούν. Σε αυτό το άρθρο, θα εξερευνήσουμε αρκετούς κοινούς μηχανισμούς κινητήρων μεταβλητής απροθυμίας, από διαφορετικές διαστάσεις για να δούμε πώς οι βηματικοί κινητήρες ξεχωρίζουν από τις μυριάδες δομές κινητήρων μεταβλητής απροθυμίας.
2.1 Κινητήρας μεταβλητής απροθυμίας τύπου Castle
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η αύξηση του αριθμού των πόλων που προεξέχουν μπορεί να υποδιαιρέσει τη γωνία κίνησης, αλλά όσο πιο προεξέχοντες πόλοι καταλαμβάνουν πολύ χώρο πηνίου, η απόδοση περιέλιξης κινητήρα μειώνεται και οι προεξέχοντες πόλοι δεν μπορούν να αυξηθούν επ' αόριστον. Στην περίπτωση του ίδιου αριθμού φάσεων μετάδοσης κίνησης, με την χάραξη ενός μικρού δοντιού στον προεξέχοντα πόλο, μπορεί επίσης να υποδιαιρεθεί με τη γωνία απόστασης του μηχανήματος. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.1, ένας κινητήρας μεταβλητής απροθυμίας τριφασικού-κάστρου-τύπου με στάτορα 6 πόλων, 4 δόντια ανά πόλο και ρότορα 28 πόλων. Η ενεργοποίηση του πηνίου 1, του πηνίου 2 και του πηνίου 3 διαδοχικά μπορεί να οδηγήσει τον ρότορα να περιστρέφεται με απόσταση βήματος 2/3 σε κάθε βήμα. Οι τιμές πρέπει να σχεδιάζονται σύμφωνα με τους λόγους οδοντωτών τροχών του σχεδιασμού του κινητήρα και δεν συζητούνται εδώ.
Αυτός ο τύπος κινητήρα χρησιμοποιείται γενικά σε χαμηλή ταχύτητα, υψηλή ροπή και γωνιακή ανάλυση ακριβείας, αυτή η δομή μπορεί ήδη να ονομάζεται "βηματικός κινητήρας", επειδή ο έλεγχος αυτού του κινητήρα καθώς και μπορεί να αποσπαστεί από την ανίχνευση θέσης, μέσω της μετάδοσης παλμών ακολουθίας μπορεί να πραγματοποιήσει έναν σχετικά ομαλό έλεγχο.
Εικόνα 2.1 Τριφασικός κινητήρας μεταβλητής απροθυμίας τύπου -κάστρου-
2.2 κινητήρες μεταβλητής απροθυμίας πολλαπλών{{1} σταδίων
Οι κινητήρες μεταβλητής απροθυμίας που αποτελούνται από έναν μόνο ρότορα με περιέλιξη πολλαπλών φάσεων είναι επίσης γνωστοί ως "κινητήρες μεταβλητής απροθυμίας ενός-τμήματος". Ένας άλλος τύπος κινητήρα μεταβλητής απροθυμίας είναι ένας ρότορας και ένας στάτορας που χωρίζονται σε πολλά τμήματα, τα οποία μπορούν να υποδιαιρεθούν χωρίς να αυξηθεί ο αριθμός των φάσεων του στάτορα και είναι πιο φιλικοί στη δομή περιέλιξης του στάτορα. Είναι δυνατό να δημιουργηθεί ένα τμήμα με μία φάση, το οποίο ουσιαστικά εξαλείφει το άκρο της αλληλοτύλιξης του πολυφασικού κινητήρα. Για κινητήρες n-τμημάτων, ο ρότορας ή ο στάτορας κάθε τμήματος κλιμακώνεται κατά 1/n της γωνίας του βήματος του πόλου του και το βήμα του πόλου μπορεί περαιτέρω να υποδιαιρεθεί με n φορές.
2.3 Υβριδικοί βηματικοί κινητήρες
Σε έναν απλό κινητήρα μεταβλητής απροθυμίας, η φορά περιστροφής εξαρτάται από το χρονισμό του παλμικού ρεύματος και τη δομή της απροθυμίας του κινητήρα και δεν επηρεάζεται από την κατεύθυνση του ρεύματος. Ελλείψει ρεύματος, ο ρότορας δεν μπορεί να στερεωθεί σε μια συγκεκριμένη θέση λόγω της έλλειψης ροπής απροθυμίας, γεγονός που αυξάνει περαιτέρω τη δυσκολία ελέγχου. Η προσθήκη μόνιμων μαγνητών στην αρχική δομή κινητήρα μεταγωγής απροθυμίας για να σχηματιστεί ένας μόνιμος μαγνήτης ή ένας υβριδικός κινητήρας μεταβλητής απροθυμίας μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τη ροπή και την ακρίβεια θέσης των βηματικών κινητήρων, που είναι η πιο κοινή δομή βηματικού κινητήρα σήμερα.
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.2, η δομή του υβριδικού βηματικού κινητήρα είναι πολύ παρόμοια με τον κινητήρα μεταβλητής απροθυμίας πολλαπλών-τμημάτων, που εισάγεται μεταξύ των δύο τμημάτων των μόνιμων μαγνητών του ρότορα, μπορεί να φανεί στο εγγύς άκρο του απομακρυσμένου άκρου Ν-πόλου του S-πόλου. Ο στάτορας μπορεί να σχεδιαστεί ως μια δομή κινητήρα μονού-τμήματος και απαιτείται μόνο η κίνηση δύο-φάσεων, απλοποιώντας σημαντικά τη δομή και το κόστος του κινητήρα. Ο αριθμός των ζευγών πόλων του ρότορα στον κινητήρα που φαίνεται στο σχήμα είναι 3, επομένως η μηχανική γωνία που αντιστοιχεί σε έναν ηλεκτρικό κύκλο είναι 360/(2*3)=60.
Για ευκολία κατανόησης, θ είναι η μηχανική γωνία και η συγκεκριμένη ακολουθία οδήγησης:
Θ=0~10, φάση 1 και φάση 2 περνούν θετικό ρεύμα ίσου πλάτους ταυτόχρονα
Το θ=10~20, η φάση 2 διέρχεται μόνο θετικό ρεύμα
θ=20~30, η φάση 1 περνά μόνο αρνητικό ρεύμα
θ=30~40, η φάση 1 και η φάση 2 περνούν αρνητικό ρεύμα ίσου πλάτους ταυτόχρονα
θ=40~50, η φάση 2 διέρχεται μόνο αρνητικό ρεύμα
θ=50~60, η φάση 1 διέρχεται μόνο θετικό ρεύμα
Κυκλική αγωγιμότητα... ...
Εικόνα 2.2 Δομή υβριδικού βηματικού κινητήρα
3. Έλεγχος βηματικού κινητήρα
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.1, η δομή του κυκλώματος κίνησης του βηματικού κινητήρα μπορεί γενικά να χωριστεί σε διπολικούς κινητήρες και σε μονοπολικούς κινητήρες: μονοπολικούς κινητήρες μέσω της εναλλασσόμενης αγωγιμότητας της περιέλιξης για να επιτευχθεί αλλαγή στην κατεύθυνση της ροής, διπολικοί κινητήρες μέσω του ελέγχου της γέφυρας H{1}} για να επιτευχθεί αλλαγή στην κατεύθυνση του ρεύματος για την επίτευξη της κατεύθυνσης ροής.
Ο μονοπολικός κινητήρας χρειάζεται μόνο 4 ισχύος MOS, μονοπολικός έλεγχος του ρεύματος (από την οπτική γωνία του σωλήνα MOS), αλλά η περιέλιξη του κινητήρα χρειάζεται ένα ακόμη πάτημα. Ο διπολικός κινητήρας είναι απλούστερος στη δομή, δύο περιελίξεις χρησιμοποιούνται σε μεγάλο βαθμό, αλλά πρέπει να αυξηθεί σε MOS 8 ισχύος για οδήγηση και το κόστος του ελεγκτή θα αυξηθεί.
Εικόνα 3.1 Μονοπολικοί και διπολικοί κινητήρες βηματικού κινητήρα
Εκτός από την υποδιαίρεση στη δομή του κινητήρα, οι βηματικοί κινητήρες μπορούν επίσης να ελέγξουν την ακρίβεια υποδιαίρεσης του βηματικού κινητήρα ελέγχοντας την κυματομορφή του ρεύματος. Η αρχή της υποδιαίρεσης είναι η εισαγωγή του προσομοιωμένου ημιτονοειδούς ρεύματος μεταξύ των μικρότερων γωνιών βημάτων για να υποδιαιρεθούν οι γωνίες βημάτων, η οποία ονομάζεται επίσης υποδιαίρεση ρεύματος.
Σχήμα 3.2 Διακοπή ρεύματος κίνησης βηματικού κινητήρα
3.1 Ρεύμα κλειστού βρόχου
Η τρέχουσα ρύθμιση του βηματικού κινητήρα πρέπει να καθοριστεί ανάλογα με τη ζήτηση του φορτίου, όσο μεγαλύτερο είναι το φορτίο, τόσο μεγαλύτερο πρέπει να είναι το ρεύμα οδήγησης, αλλά ο έλεγχος ανοιχτού βρόχου του βηματικού κινητήρα δεν μπορεί να ανιχνεύσει το μέγεθος του φορτίου, κάτι που συχνά οδηγεί στην αναποτελεσματικότητα της κίνησης ανοιχτού-βρόχου. Η υποδιαίρεση του ρεύματος απαιτεί ακριβή έλεγχο του ρεύματος, την ανάγκη να σχηματιστεί ένας κλειστός βρόχος του ελεγχόμενου ρεύματος, δηλαδή η έξοδος ρεύματος για τα χαρακτηριστικά σταθερού ρεύματος. Από την άλλη πλευρά, λόγω της μη γραμμικής αλλαγής της μαγνητοαντίστασης στον βηματικό κινητήρα, η ανάγκη να παρακολουθείται πάντα το μέγεθος του ρεύματος εξόδου για να αποτραπεί ο κορεσμός του πυρήνα του ρεύματος που προκαλείται από την απώλεια ελέγχου. Εικόνα 3.3 παρακάτω, για το σχηματικό σχήμα κυματομορφής ελέγχου ρεύματος του τσιπ οδηγού βηματικού κινητήρα TB67S109AFNG. Fchop για τον εσωτερικό κύκλο μεταγωγής, μέσω της διαίρεσης συχνότητας εσωτερικού ρολογιού (Internal OSC).
Τα συγκεκριμένα βήματα ελέγχου σταθερού ρεύματος είναι τα εξής:
Η γέφυρα H-αγώγει, το ρεύμα ανεβαίνει γρήγορα σε NF και η κλίση της ανόδου του ρεύματος είναι VDC/Ls
Φτάστε στο καθορισμένο σημείο ρεύματος NF, απενεργοποιήστε τη γέφυρα H-, το ρεύμα ανανεώνεται από τη δίοδο ανανέωσης και η κλίση της πτώσης είναι -VDC/Ls (Γρήγορη αλλαγή)
Όταν το ρεύμα φτάσει στην τιμή της κατώτερης γραμμής καθορισμένου σημείου, ελέγξτε τη γέφυρα H- για να βραχυκυκλώσει το πηνίο του επαγωγέα (γενικά την κάτω γέφυρα) και διατηρήστε το ρεύμα σταθερό (Αργή αλλαγή)
Όταν αλλάζει το ρεύμα του σημείου ρύθμισης, το H-γεφυρώνει μέσω της ίδιας στρατηγικής ελέγχου για να ελέγξει το ρεύμα στο πιο πρόσφατο τρέχον σημείο ρύθμισης ώστε να παραμείνει σταθερό
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.4, είναι η μετρούμενη κυματομορφή του βηματικού κινητήρα, εάν η υποδιαίρεση της ακρίβειας του κατώτερου μπορεί να φανεί προφανές βήμα-όπως η τρέχουσα κυματομορφή ,. Εάν ο βαθμός υποδιαίρεσης είναι πολύ υψηλός, τότε το ρεύμα είναι πιο κοντά σε ένα ημιτονοειδές ρεύμα, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.5.
Εικόνα 3.3 Έλεγχος ρεύματος TB67S109AFNG
Εικόνα 3.4 Μετρημένο ρεύμα βηματικού κινητήρα (δεν διαιρείται)
Εικόνα 3.5 Ρεύμα μέτρησης βηματικού κινητήρα (υποδιαίρεση)3.2 Έλεγχος ανοιχτού-βρόχου και κλειστού-βρόχου
Με τον έλεγχο ανοιχτού-βρόχου, δεδομένου ότι δεν υπάρχει ανάδραση των πληροφοριών θέσης του ρότορα, είναι ουσιαστικά άγνωστο εάν το σύστημα ακολουθείται από τον έλεγχο ή όχι. Εάν υπάρχει κάποια ανωμαλία φορτίου, είναι εύκολο να προκληθεί απώλεια βημάτων του βηματικού κινητήρα. Σε ορισμένες εφαρμογές υψηλής-ακρίβειας και υψηλής απόδοσης-, μέσω του κωδικοποιητή ή άλλων αισθητήρων θέσης επιστρέφουν στις πληροφορίες θέσης, έτσι ώστε το σύστημα μετάδοσης κίνησης να μπορεί να είναι αν έχει συμβεί ή όχι η απώλεια βήματος, εάν η απώλεια βήματος θα αντισταθμίσει την απώλεια παλμού στον έλεγχο του χειριστηρίου είναι επίσης σχετικά εύκολο να γίνει αντιληπτό.
Περίληψη
Αυτό το άρθρο περιγράφει συνοπτικά τη βασική δομή των κινητήρων μεταβλητής απροθυμίας και την εξέλιξή τους σε βηματικούς κινητήρες και συγκρίνει τη δομή και τη λογική ελέγχου πολλών κοινών βηματικών κινητήρων. Η αρχή ελέγχου βηματικού κινητήρα και οι λεπτομέρειες ελέγχου της τρέχουσας υποδιαίρεσης εισάγονται για να παρέχουν μια πιο ολοκληρωμένη κατανόηση των βηματικών κινητήρων.