Teollisuusalalla on suuri määrä askelmoottorisovelluksia, kuten automaation ohjaus, robottiliitokset, tulostinohjaus jne. Yleisimmin käytettyjä ovat hybridiaskelmoottorit. Yksi yleisimmin käytetyistä on hybridi-askelmoottori, joka on myös useimpien päivittäin kosketuksissa olevien askelmoottoreiden muoto. Käsitteellisesti askelmoottoreissa ja vaihtelevan reluktanssin moottoreissa on tiettyjä linkkejä ja eroja, tässä artikkelissa puhutaan aluksi reluktanssimoottorin / askelmoottorin rakenteesta ja toimintaperiaatteesta sekä verrataan eri moottoreiden eroja.
1. Muuttuva reluktanssimoottori
Muuttuva reluktanssimoottori (Variable-Reluktanssikone) tunnetaan myös kytkentäreluktanssimoottorina, joka on kenties yksinkertaisin moottorin moottorirakenteesta, jonka staattori on varustettu virityskäämeillä ja ferromagneettisella roottorilla, jossa on kupera naparakenne. Roottorissa ei ole kelakäämiä eikä kestomagneetteja, ja se luottaa roottorin reluktanssin vaihteluun eri kohdissa sähkömagneettisen voiman (dΨ/dθ) tuottamiseksi.
Tiedämme, että magneettivuolla on aina taipumus ylittää polku pienimmällä vastahakoisuudella. Kuten kuvasta . 1.1 näkyy, S1 S2 ohjaa virtaa päälle ja pois, ja VD1 VD2 on virran jatkuvuusdiodi. Maksimireluktanssin asennossa AA' ja aa' esitetty asento, CC:n minimireluktanssi, jos D-vaihe on tällä hetkellä jännitteinen, roottori pyörii vastapäivään; jos B-vaihe on kytkettynä tällä hetkellä, roottori pyörii myötäpäivään; jos A-vaihe on tällä hetkellä jännitteinen, roottori pysyy muuttumattomana. On huomattava, että kytketyt reluktanssimoottorit eivät voi toteuttaa moottorin pyörimissuunnan muutosta virran suunnan muutoksen kautta, vaan virransyöttösekvenssin muutoksen avulla moottorin eteen- ja taaksepäin pyörimisen toteuttamiseksi.
Myötäpäivään pyörimisen viritysjärjestys: B-A-D-C
Vastapäivään pyörivä virransyöttöjärjestys: D-A-B-C
Koska moottorin magneettiresistanssi muuttuu voimakkaasti pyörimisen aikana, reluktanssimoottorin vääntömomenttipulsaatio kasvaa korkeaksi. Moottorin tasaisen ja tehokkaan toiminnan varmistamiseksi reluktanssimoottorin ohjaaminen edellyttää muun muassa roottorin asennon, kuormituksen tilan ja nopeuden tilan tuntemista. Ja reluktanssimoottorin mallilla ei ole kestomagneettisynkronisen moottorin/asynkronisen moottorin hyvää lineaarisuutta, joten se tarvitsee paljon ennustemalleja ja algoritmeja ohjaustarkkuuden parantamiseksi, mikä epäilemättä lisää reluktanssimoottorin ohjauksen vaikeutta.
Kuva 1.1 Muuttuvan reluktanssimoottorin perusrakenne
2. Muuttuvan reluktanssimoottoreista askelmoottoreihin
Muuttuva reluktanssimoottorit voivat jakaa liikekulman lisäämällä staattorin ja roottorin napojen lukumäärää tai staattorin jännitteisten vaiheiden lukumäärää niiden erityisestä ohjausmenetelmästä (pulssivaihtojohdosta) johtuen. On olemassa useita tällaisia jaettuja rakenteita, joilla on erilaiset kulmamomenttiominaisuudet, joten niitä ei käsitellä. Tässä artikkelissa tutkimme useita yleisiä muuttuvan reluktanssimoottorin mekanismeja eri mitoista nähdäksemme kuinka askelmoottorit erottuvat lukemattomista muuttuvan reluktanssin moottorirakenteista.
2.1 Castle-tyyppinen säädettävä reluktanssimoottori
Kuten aiemmin mainittiin, ulkonevien napojen lukumäärän lisääminen voi jakaa liikekulman, mutta ulkonevammat navat vievät paljon kelatilaa, moottorin käämityksen tehokkuus heikkenee, eikä ulkonevia napoja voida lisätä loputtomiin. Jos käyttövaiheita on sama määrä, voidaan myös jakaa koneen etäisyyskulman mukaan pieni hammas kaivertamalla ulkonevaan napaan. Kuten kuvasta 2.1 näkyy, kolmivaiheinen Castle--tyyppinen muuttuva reluktanssimoottori, jossa on 6-napainen staattori, 4 hammasta napaa kohden ja 28-napainen roottori. Energisoiva käämi 1, kela 2 ja kela 3 voivat peräkkäin saada roottorin pyörimään 2/3 askeletäisyydellä kussakin vaiheessa. arvot on suunniteltava moottorin suunnittelun hammastussuhteiden mukaan, eikä niitä käsitellä tässä.
Tämän tyyppistä moottoria käytetään yleensä alhaisella nopeudella, suurella vääntömomentilla ja tarkalla kulmaresoluutiolla, tätä rakennetta voidaan jo kutsua "askelmoottoriksi", koska tämän moottorin ohjaus voidaan myös irrottaa sijainnin tunnistuksesta, pulssisekvenssiohjauksen kautta voidaan toteuttaa suhteellisen tasainen ohjaus.
Kuva 2.1 Kolmi-vaiheinen Castle--tyyppinen muuttuva reluktanssimoottori
2.2 Monivaiheiset muuttuvareluktanssimoottorit
Muuttuva reluktanssimoottorit, jotka koostuvat yhdestä roottorista, jossa on monivaiheinen käämitys, tunnetaan myös "yhden-segmentin muuttuvan reluktanssin moottoreina". Toinen muuttuvan reluktanssimoottorin tyyppi on useisiin segmentteihin jaettu roottori ja staattori, jotka voidaan jakaa staattorin vaiheiden lukumäärää lisäämättä ja jotka ovat ystävällisempi staattorin käämirakennetta kohtaan. On mahdollista muodostaa yksivaiheinen segmentti, joka käytännössä eliminoi monivaihemoottorin käämityspään. N--segmentin moottoreissa kunkin segmentin roottori tai staattori porrastetaan 1/n sen napavälin kulmasta, ja napaväli voidaan jakaa edelleen n kertaa.
2.3 Hybridi askelmoottorit
Yksinkertaisessa muuttuvareluktanssimoottorissa pyörimissuunta riippuu pulssivirran ajoituksesta ja moottorin reluktanssirakenteesta, eikä virran suunta vaikuta siihen. Virran puuttuessa roottoria ei voida kiinnittää tiettyyn asentoon reluktanssivääntömomentin puutteen vuoksi, mikä lisää hallinnan vaikeutta. Kestomagneettien lisääminen alkuperäiseen kytkettyyn reluktanssimoottorirakenteeseen kestomagneetin tai vaihtelevan hybridireluktanssimoottorin muodostamiseksi voi parantaa merkittävästi askelmoottoreiden vääntömomenttia ja asennon tarkkuutta, mikä on nykyään yleisin askelmoottorirakenne.
Kuten kuvasta 2.2 näkyy, hybridi-askelmoottorirakenne on hyvin samanlainen kuin monisegmenttinen muuttuva reluktanssimoottori, joka on sijoitettu roottorin kestomagneettien kahden segmentin väliin, voidaan nähdä S--navan N--navan distaalipään proksimaalisessa päässä. Staattori voidaan suunnitella yksi-segmenttimoottorirakenteeksi, ja siihen tarvitaan vain kaksivaiheinen käyttö-, mikä yksinkertaistaa huomattavasti moottorin rakennetta ja kustannuksia. Kuvan moottorin roottorin napaparien määrä on 3, joten yhtä sähkösykliä vastaava mekaaninen kulma on 360/(2*3)=60.
Ymmärtämisen helpottamiseksi θ on mekaaninen kulma ja tietty ajojärjestys:
θ=0~10, vaihe 1 ja vaihe 2 kulkevat saman amplitudin positiivisen virran läpi samanaikaisesti
θ=10~20, vaihe 2 kulkee yksin positiivisen virran läpi
θ=20~30, vaihe 1 ohittaa pelkästään negatiivisen virran
θ=30~40, vaihe 1 ja vaihe 2 kulkevat saman amplitudin negatiivisen virran läpi samanaikaisesti
θ=40~50, vaihe 2 ohittaa pelkästään negatiivisen virran
θ=50~60, vaihe 1 kulkee yksin positiivisen virran läpi
Syklinen johtavuus... ...
Kuva 2.2 Hybridi askelmoottorirakenne
3. askelmoottorin ohjaus
Kuten kuvasta 3.1 näkyy, askelmoottorin käyttöpiirin rakenne voidaan yleensä jakaa bipolaarisiin moottoreihin ja unipolaarisiin moottoreihin: yksinapaiset moottorit käämin vaihtelevan johtumisen kautta, jotta saavutetaan muutos vuon suunnassa, kaksinapaiset moottorit H--sillan ohjauksen avulla virran suunnan muutoksen saavuttamiseksi vuon suunnan muutoksen saavuttamiseksi.
Yksinapainen moottori tarvitsee vain 4 tehoa MOS, yksinapainen virran ohjaus (MOS-putken näkökulmasta), mutta moottorin käämi tarvitsee vielä yhden kosketuksen; bipolaarinen moottori on rakenteeltaan yksinkertaisempi, kahta käämiä käytetään paljon, mutta se on nostettava 8 tehoon MOS ajoa varten ja ohjaimen hinta nousee.
Kuva 3.1 Unipolaariset ja bipolaariset askelmoottorikäytöt
Moottorirakenteen osajaon lisäksi askelmoottorit voivat ohjata myös askelmoottorin osajakotarkkuutta ohjaamalla virran aaltomuotoa. Jaon periaate on sijoittaa simuloitu sinimuotoinen virta pienimpien askelkulmien väliin askelkulmien jakamiseksi, jota kutsutaan myös virranjakoksi.
Kuva 3.2 Askelmoottorin käyttövirran jakautuminen
3.1 Suljetun piirin virta
Askelmoottorin virta-asetus on määritettävä kuorman tarpeen mukaan, mitä suurempi kuorma, sitä suuremman ajovirran on oltava, mutta askelmoottorin avoimen-silmukan ohjaus ei pysty havaitsemaan kuorman kokoa, mikä usein johtaa avoimen-silmukan käytön tehottomuuteen. Virran alajako edellyttää virran tarkkaa säätöä, tarvetta muodostaa ohjatusta virrasta suljettu silmukka, toisin sanoen virran ulostulo vakiovirran ominaisuuksille; toisaalta askelmoottorin magnetoresisanssin epälineaarisesta muutoksesta johtuen tarve aina tarkkailla lähtövirran kokoa, jotta estetään ydin kyllästymästä hallinnan menettämisen aiheuttamaa virtaa. Kuva 3.3 alla, askelmoottoriohjainpiirin TB67S109AFNG virransäätöaaltomuodon kaavio. Fchop sisäiseen kytkentäjaksoon sisäisen kellon (Internal OSC) taajuusjaon kautta.
Erityiset vakiovirran ohjausvaiheet ovat seuraavat:
H-silta johtaa, virta nousee nopeasti NF:ksi ja virran nousun kaltevuus on VDC/Ls
Saavuta asetettu virtapiste NF, sammuta H-silta, uusintadiodi uusii virran ja putoamisen kaltevuus on -VDC/Ls (nopea muutos)
Kun virta saavuttaa asetuspisteen alemman linjan arvon, ohjaa H-siltaa oikosulkemaan induktorikela (yleensä alempi silta) ja pidä virta vakiona (hidas muutos)
Kun asetuspisteen virta muuttuu, H-silta kulkee saman ohjausstrategian kautta ohjatakseen viimeisimmän nykyisen asetusarvon virran pysymään vakiona
Kuten kuvassa 3.4 näkyy, on askelmoottorin mitattu aaltomuoto, jos alemman tarkkuuden alajako näkyy ilmeisenä askel-kuten nykyinen aaltomuoto ,. Jos jakoaste on erittäin korkea, niin virta on lähempänä sinimuotoista virtaa, kuten kuvassa 3.5 näkyy.
Kuva 3.3 TB67S109AFNG virransäätö
Kuva 3.4 Askelmoottorin mitattu virta (ei jaettu)
Kuva 3.5 Askelmoottorin mitattu virta (alajako)3.2 Avoimen-silmukan ja suljetun-silmukan ohjaus
Avoimen-silmukan ohjauksessa, koska roottorin asentotiedoista ei ole palautetta, ei ole käytännössä tiedossa, seuraako ohjaus järjestelmää vai ei. Jos kuormituksessa on poikkeavuuksia, askelmoottori on helppo menettää askelia. Joissakin korkean-tarkkuuden ja suorituskyvyn{4}}sovelluksissa kooderin tai muiden asentoantureiden kautta takaisin paikkatietoon, jotta stepper-käyttöjärjestelmä voi olla, onko askelhäviö tapahtunut vai ei, jos askelhäviö korvaa pulssin menetyksen ohjauksen ohjauksessa, on myös suhteellisen helppo toteuttaa.
Yhteenveto
Tässä artikkelissa kuvataan lyhyesti muuttuvan reluktanssimoottoreiden perusrakennetta ja niiden kehitystä askelmoottoreiksi sekä verrataan useiden yleisten askelmoottoreiden rakennetta ja ohjauslogiikkaa. Askelmoottorin ohjausperiaate ja virran alajaon ohjausyksityiskohdat esitellään, jotta saadaan kattavampi käsitys askelmoottoreista.