Има голям брой приложения на стъпкови двигатели в промишленото поле, като автоматизирано управление, съединения на роботи, управление на принтери и т.н. Най-широко използваните са хибридните стъпкови двигатели. Един от най-широко използваните е хибридният стъпков двигател, който е и формата на повечето стъпкови двигатели, с които се сблъскваме ежедневно. Концептуално стъпковите двигатели и двигателите с променливо съпротивление има определени връзки и разлики, тази статия първоначално ще говори за структурата и принципа на работа на реактивния двигател / стъпковия двигател и ще сравни разликите между различните двигатели.
1. Двигател с променливо съпротивление
Двигателят с променливо съпротивление (Variable-Reluctance Machine) е известен също като двигател с превключващо съпротивление, може би най-простата от всички двигателни конструкции на двигателя, от статора, оборудван с възбудителни намотки и феромагнитен ротор с изпъкнала полюсна структура. Роторът няма намотки и постоянни магнити и разчита на промяната на нежеланието на ротора в различни позиции за генериране на електромагнитна сила (dΨ/dθ).
Знаем, че магнитният поток винаги се стреми да пресече пътя с най-малко нежелание. Както е показано на Фигура. 1.1, S1 S2 контролира включването и изключването на тока, а VD1 VD2 е диодът за непрекъснатост на тока. Позицията, показана в позицията на AA' и позицията aa' на максималното съпротивление, минималното нежелание на CC, ако фазата D е захранена в този момент, роторът ще се върти обратно на часовниковата стрелка; ако фазата B е захранена в този момент, роторът ще се върти по посока на часовниковата стрелка; ако фазата А се захранва в този момент, роторът остава непроменен. Трябва да се отбележи, че двигателите с превключвателно съпротивление не могат да реализират промяната на посоката на въртене на двигателя чрез промяна на посоката на тока, но чрез промяна на последователността на захранване, за да реализират въртенето напред и назад на двигателя.
Енергизираща последователност с въртене по посока на часовниковата стрелка: B-A-D-C
Енергизираща последователност на въртене обратно на часовниковата стрелка: D-A-B-C
Тъй като магнитното съпротивление на двигателя се променя драстично по време на въртене, пулсацията на въртящия момент на реактивния двигател ще стане висока. За да се гарантира, че двигателят може да работи гладко и ефективно, управлението на реактивния двигател изисква познаване на позицията на ротора, състоянието на товара и състоянието на скоростта, наред с друга информация. И моделът на реактивния двигател няма добрата линейност на синхронния двигател с постоянен магнит/асинхронния двигател, така че се нуждае от много модели за прогнозиране и алгоритми за подобряване на точността на управление, което несъмнено увеличава трудността на управлението на реактивния двигател.
Фигура 1.1 Основна структура на двигател с променливо съпротивление
2. От двигатели с променливо съпротивление до стъпкови двигатели
Двигателите с променливо съпротивление могат да разделят ъгъла на движение чрез увеличаване на броя на полюсите на статора и ротора или броя на захранваните фази на статора поради техния специален метод на управление (импулсна променлива проводимост). Има различни такива подразделени структури с различни характеристики на ъгловия въртящ момент, така че те няма да бъдат обсъждани. В тази статия ще изследваме няколко често срещани механизма на двигатели с променливо съпротивление, от различни измерения, за да видим как стъпковите двигатели се открояват от безбройните конструкции на двигатели с променливо съпротивление.
2.1 Двигател с променливо съпротивление тип Castle
Както бе споменато по-рано, увеличаването на броя на изпъкналите полюси може да раздели ъгъла на движение, но по-изпъкналите полюси ще заемат много място в бобината, ефективността на намотката на двигателя е намалена и изпъкналите полюси не могат да се увеличават безкрайно. В случай на същия брой фази на задвижване, чрез гравиране на малък зъб върху изпъкналия полюс, той може също да бъде разделен от ъгъла на разстоянието на машината. Както е показано на Фигура 2.1, три{3}}фазен двигател с променливо съпротивление тип castle- с 6-полюсен статор, 4 зъба на полюс и 28-полюсен ротор. Захранващата намотка 1, намотка 2 и намотка 3 последователно могат да задвижат ротора да се върти с разстояние на стъпка от 2/3 на всяка стъпка. стойностите трябва да бъдат проектирани според коефициентите на зъбно колело на конструкцията на двигателя и не се обсъждат тук.
Този тип двигател обикновено се използва при ниска скорост, висок въртящ момент и прецизна ъглова разделителна способност, тази структура вече може да се нарече "стъпков двигател", тъй като управлението на този двигател, както и може да бъде отделено от откриването на позиция, чрез задвижването на импулсна последователност може да реализира относително гладко управление.
Фигура 2.1 Три{1}}фазен двигател-тип с променливо съпротивление
2.2 Много{1}}стъпални двигатели с променливо съпротивление
Двигателите с променливо съпротивление, състоящи се от един ротор с много-фазна намотка, са известни също като „едно-сегментни двигатели с променливо съпротивление“. Друг тип двигател с променливо съпротивление е ротор и статор, разделени на много сегменти, които могат да бъдат разделени без увеличаване на броя на фазите на статора и са по-благоприятни за структурата на намотката на статора. Възможно е да се настрои сегмент с една фаза, което на практика елиминира навиващия се край на многофазния двигател. За n-сегментни двигатели роторът или статорът на всеки сегмент е разместен с 1/n от ъгъла на неговата полюсна стъпка и полюсната стъпка може да бъде допълнително разделена на n пъти.
2.3 Хибридни стъпкови двигатели
В прост двигател с променливо съпротивление посоката на въртене зависи от времето на импулсния ток и структурата на съпротивлението на двигателя и не се влияе от посоката на тока. При липса на ток роторът не може да бъде фиксиран в определена позиция поради липсата на съпротивителен момент, което допълнително усложнява управлението. Добавянето на постоянни магнити към оригиналната структура на реактивния двигател с превключвател, за да се образува постоянен магнит или хибриден двигател с променливо съпротивление, може значително да подобри въртящия момент и точността на позициониране на стъпковите двигатели, което е най-разпространената структура на стъпковия двигател днес.
Както е показано на фигура 2.2, структурата на хибридния стъпков двигател е много подобна на много-сегментния двигател с променливо съпротивление, вмъкнат между двата сегмента на роторните постоянни магнити, които могат да се видят в проксималния край на N-полюса, дисталния край на S-полюса. Статорът може да бъде проектиран като едно-сегментна моторна структура и е необходимо само дву-фазно задвижване, което значително опростява структурата на двигателя и разходите. Броят двойки полюси на ротора в двигателя, показан на фигурата, е 3, така че механичният ъгъл, съответстващ на един електрически цикъл, е 360/(2*3)=60.
За по-лесно разбиране θ е механичният ъгъл и специфичната последователност на движение:
θ=0~10, фаза 1 и фаза 2 преминават положителен ток с еднаква амплитуда едновременно
θ=10~20, фаза 2 пропуска само положителен ток
θ=20~30, фаза 1 пропуска само отрицателен ток
θ=30~40, фаза 1 и фаза 2 преминават отрицателен ток с еднаква амплитуда едновременно
θ=40~50, фаза 2 пропуска само отрицателен ток
θ=50~60, фаза 1 пропуска само положителен ток
Циклично провеждане... ...
Фигура 2.2 Структура на хибриден стъпков двигател
3. управление на стъпков двигател
Както е показано на Фигура 3.1, структурата на задвижващата верига на стъпковия двигател може най-общо да бъде разделена на биполярни двигатели и униполярни двигатели: еднополярни двигатели чрез променлива проводимост на намотката за постигане на промяна в посоката на потока, биполярни двигатели чрез управление на моста H- за постигане на промяна в посоката на тока за постигане на промяна в посоката на потока.
Униполярният мотор се нуждае само от 4 мощни MOS, еднополюсен контрол на тока (от гледна точка на MOS тръбата), но намотката на двигателя се нуждае от още едно кранче; биполярният мотор е с по-проста структура, две намотки са силно използвани, но трябва да се увеличи до 8 мощност MOS за задвижване и цената на контролера ще се увеличи.
Фигура 3.1 Униполярни и биполярни стъпкови двигатели
В допълнение към подразделението в структурата на двигателя, стъпковите двигатели могат също така да контролират точността на подразделяне на стъпковия двигател чрез контролиране на формата на вълната на тока. Принципът на подразделяне е да се вмъкне симулираният синусоидален ток между най-малките ъгли на стъпката, за да се разделят ъглите на стъпката, което също се нарича подразделяне на тока.
Фигура 3.2 Разбивка на задвижващия ток на стъпковия двигател
3.1 Ток в затворен контур
Текущата настройка на стъпковия двигател трябва да се определи в съответствие с изискванията на товара, колкото по-голям е товарът, толкова по-голям трябва да бъде управляващият ток, но управлението на отворен-контур на стъпковия двигател не може да усети размера на товара, което често води до неефективност на отворения-контур. Текущото подразделение изисква прецизен контрол на тока, необходимостта от образуване на затворен контур на контролирания ток, т.е. токовия изход за характеристиките на постоянен ток; от друга страна, поради нелинейната промяна на магнитосъпротивлението в стъпковия двигател, необходимостта винаги да се следи размерът на изходния ток, за да се предотврати насищане на ядрото от тока, причинен от загубата на контрол. Фигура 3.3 по-долу за схема на вълновата форма на чипа на драйвера на стъпковия двигател TB67S109AFNG. Fchop за вътрешния цикъл на превключване, чрез разделяне на честотата на вътрешния часовник (Internal OSC).
Специфичните стъпки за управление на постоянен ток са както следва:
Мостът H- провежда, токът нараства бързо до NF и наклонът на нарастването на тока е VDC/Ls
Достигнете зададената точка на ток NF, изключете моста H-, токът се подновява от диода за обновяване и наклонът на спада е -VDC/Ls (Бърза промяна)
Когато токът достигне стойността на долната линия на зададената точка, управлявайте моста H-, за да свържете накъсо бобината на индуктора (обикновено долния мост) и поддържайте тока постоянен (бавна промяна)
Когато токът на зададената точка се промени, H-мостът преминава през същата стратегия за управление, за да контролира тока в последната зададена точка, за да остане постоянен
Както е показано на Фигура 3.4, е измерената форма на вълната на стъпковия двигател, ако подразделянето на точността на по-ниската може да се види очевидна стъпка-като форма на вълната на тока,. Ако степента на подразделяне е много висока, тогава токът е по-близо до синусоидален ток, както е показано на фигура 3.5.
Фигура 3.3 Контрол на тока TB67S109AFNG
Фигура 3.4 Измерен ток на стъпков двигател (не е подразделен)
Фигура 3.5 Измерен ток на стъпков двигател (подразделение)3.2 Управление на отворен-контур и затворен-контур
При управление с отворен-контур, тъй като няма обратна връзка за информация за позицията на ротора, по същество е неизвестно дали системата се следва от управлението или не. Ако има някаква аномалия в натоварването, лесно е да накарате стъпковия двигател да загуби стъпки. В някои високо-прецизни, високо-производителни приложения, чрез енкодера или други сензори за позиция обратно към информацията за позицията, така че стъпковата задвижваща система да може да определи дали е настъпила загуба на стъпка или не, дали загубата на стъпка ще компенсира загубата на импулс в управлението на управлението също е сравнително лесно да се реализира.
Резюме
Тази статия описва накратко основната структура на двигателите с променливо съпротивление и тяхната еволюция до стъпкови двигатели и сравнява структурата и логиката на управление на няколко често срещани стъпкови двигатели. Принципът на управление на стъпковия двигател и контролните детайли на текущото подразделение са въведени, за да осигурят по-цялостно разбиране на стъпковите двигатели.