Endüstriyel alanda otomasyon kontrolü, robot bağlantıları, yazıcı kontrolü vb. gibi çok sayıda step motor uygulaması vardır. En yaygın kullanılanlar hibrit step motorlardır. En yaygın kullanılanlardan biri, aynı zamanda günlük olarak karşılaştığımız step motorların çoğunun şekli olan hibrit step motordur. Kavramsal olarak, kademeli motorlar ve değişken relüktans motorlar arasında belirli bağlantılar ve farklılıklar vardır; bu yazıda öncelikle isteksizlik motorunun / kademeli motorun yapısı ve çalışma prensibi hakkında konuşacak ve farklı motorlar arasındaki farkları karşılaştıracağız.
1. Değişken isteksizlik motoru
Değişken relüktans motoru (Değişken-Relüktans Makinesi), uyarma sargıları ve dışbükey kutup yapısına sahip ferromanyetik rotorla donatılmış stator tarafından, belki de motorun tüm motor yapılarının en basiti olan anahtarlamalı isteksizlik motoru olarak da bilinir. Rotorun bobin sargısı ve kalıcı mıknatısı yoktur ve bir elektromanyetik kuvvet (dΨ/dθ) oluşturmak için rotorun farklı konumlardaki isteksizliğinin değişimine dayanır.
Manyetik akının her zaman en düşük isteksizlikle yolu geçme eğiliminde olduğunu biliyoruz. Şekil. 1.1'de gösterildiği gibi, S1 S2 akımın açılıp kapanmasını kontrol eder ve VD1 VD2 akım süreklilik diyotudur. AA' konumunda gösterilen konum ve aa' konumunda maksimum isteksizlik, CC'nin minimum isteksizliği, bu sırada D fazına enerji verilirse rotor saat yönünün tersine dönecektir; bu sırada B fazına enerji verilirse rotor saat yönünde dönecektir; bu sırada A fazına enerji verilirse rotor değişmeden kalır. Anahtarlamalı relüktans motorlarının, motor dönüş yönünün değişimini akım yönünün değiştirilmesi yoluyla gerçekleştiremeyeceği, ancak motorun ileri ve geri dönüşünü gerçekleştirmek için enerji verme sırasının değiştirilmesi yoluyla gerçekleştirilebileceğine dikkat edilmelidir.
Saat yönünde dönüş enerjilendirme dizisi: B-A-D-C
Saat yönünün tersine dönüş enerjilendirme sırası: D-A-B-C
Motorun manyetik direnci dönüş sırasında büyük ölçüde değiştiğinden, isteksizlik motorunun tork titreşimi yüksek olacaktır. Motorun sorunsuz ve verimli bir şekilde çalışabilmesini sağlamak için, relüktans motorunun kontrol edilmesi, diğer bilgilerin yanı sıra rotorun konumunun, yükün durumunun ve hızın durumunun bilinmesini gerektirir. Ve isteksizlik motorunun modeli, sabit mıknatıslı senkron motor/asenkron motorun iyi doğrusallığına sahip değildir, bu nedenle kontrol doğruluğunu geliştirmek için birçok tahmin modeline ve algoritmaya ihtiyaç duyar, bu da şüphesiz isteksizlik motor kontrolünün zorluğunu arttırır.
Şekil 1.1 Değişken relüktans motorunun temel yapısı
2. Değişken relüktans motorlardan step motorlara
Değişken relüktans motorları, özel kontrol yöntemi (darbeli alternatif iletim) sayesinde stator ve rotor kutup sayısını veya statorun enerjili faz sayısını artırarak hareket açısını alt bölümlere ayırabilir. Farklı açısal tork özelliklerine sahip bu tür alt bölümlere ayrılmış çeşitli yapılar mevcuttur, dolayısıyla bunlar tartışılmayacaktır. Bu makalede, step motorların sayısız değişken relüktans motor yapıları arasında nasıl öne çıktığını görmek için farklı boyutlardaki birkaç ortak değişken relüktans motor mekanizmasını inceleyeceğiz.
2.1 Kale tipi değişken relüktans motoru
Daha önce de belirtildiği gibi, çıkıntılı kutupların sayısının arttırılması hareket açısını alt bölümlere ayırabilir, ancak daha çıkıntılı kutuplar çok fazla bobin alanı kaplar, motor sargı verimliliği azalır ve çıkıntılı kutuplar süresiz olarak artırılamaz. Aynı sayıda tahrik fazı olması durumunda, çıkıntılı direğe küçük bir diş kazınarak makine mesafe açısına göre de alt bölümlere ayrılabilir. Şekil 2.1'de gösterildiği gibi, 6 kutuplu bir statöre, kutup başına 4 dişe ve 28 kutuplu bir rotora sahip üç-fazlı kale-tipi değişken relüktans motor. Bobin 1, bobin 2 ve bobin 3'e sırayla enerji verilmesi, rotorun her adımda 2/3 adım mesafesiyle dönmesini sağlayabilir. değerlerin motor tasarımının dişli oranlarına göre tasarlanması gerekir ve burada tartışılmamaktadır.
Bu tip motor genellikle düşük hız, yüksek tork ve hassas açısal çözünürlükte kullanılır; bu yapıya zaten "adım motoru" adı verilebilir, çünkü bu motorun kontrolü konum tespitinden ayrılabilir ve darbe sırası sürücüsü aracılığıyla nispeten düzgün bir kontrol gerçekleştirebilir.
Şekil 2.1 Üç-fazlı kale-tipi değişken relüktans motoru
2.2 Çok-kademeli değişken relüktans motorlar
Çok-fazlı sargıya sahip tek bir rotordan oluşan değişken isteksizlik motorları aynı zamanda "tek-segmentli değişken isteksizlik motorları" olarak da bilinir. Değişken relüktanslı motorun başka bir türü, stator fazlarının sayısını artırmadan alt bölümlere ayrılabilen ve statorun sargı yapısına daha uygun olan birçok parçaya bölünmüş bir rotor ve statordur. Çok fazlı motorun sarma ucunu neredeyse ortadan kaldıran, tek fazlı bir segment oluşturmak mümkündür. n- segmentli motorlar için, her bir segmentin rotoru veya statoru, kutup eğim açısının 1/n'si kadar kademeli hale getirilir ve kutup eğimi ayrıca n katına kadar alt bölümlere ayrılabilir.
2.3 Hibrit adım motorları
Basit değişken relüktans motorunda dönme yönü darbe akımının zamanlamasına ve motorun relüktans yapısına bağlıdır ve akımın yönünden etkilenmez. Akımın yokluğunda, isteksizlik torkunun olmaması nedeniyle rotor belirli bir pozisyonda sabitlenemez, bu da kontrolün zorluğunu daha da artırır. Kalıcı mıknatıslı veya hibrit değişken relüktans motor oluşturmak için orijinal anahtarlamalı relüktans motor yapısına kalıcı mıknatısların eklenmesi, günümüzde en yaygın step motor yapısı olan step motorların torkunu ve konumsal doğruluğunu önemli ölçüde artırabilir.
Şekil 2.2'de gösterildiği gibi, hibrit step motor yapısı çok-bölümlü değişken relüktans motora çok benzer, rotor kalıcı mıknatıslarının iki bölümü arasına yerleştirilir ve S-kutupunun N-kutbunun uzak ucunun yakın ucunda görülebilir. Stator, tek-segmentli bir motor yapısı olarak tasarlanabilir ve yalnızca iki-fazlı sürücü gerekir; bu da motor yapısını ve maliyetini büyük ölçüde basitleştirir. Şekilde gösterilen motordaki rotor kutup çifti sayısı 3 olduğundan bir elektrik çevrimine karşılık gelen mekanik açı 360/(2*3)=60. olur.
Anlama kolaylığı için θ mekanik açı ve özel sürüş sırasıdır:
θ=0~10, faz 1 ve faz 2 aynı anda eşit genlikte pozitif akım geçirir
θ=10~20, faz 2 tek başına pozitif akımı geçirir
θ=20~30, faz 1 tek başına negatif akımı geçirir
θ=30~40, faz 1 ve faz 2 aynı anda eşit genlikte negatif akım geçirir
θ=40~50, faz 2 tek başına negatif akımı geçirir
θ=50~60, faz 1 tek başına pozitif akımı geçirir
Döngüsel iletim... ...
Şekil 2.2 Hibrit step motor yapısı
3. step motor kontrolü
Şekil 3.1'de gösterildiği gibi, adım motoru sürücü devre yapısı genel olarak iki kutuplu motorlara ve tek kutuplu motorlara ayrılabilir: akı yönünde bir değişiklik elde etmek için sarımın alternatif iletimi yoluyla tek kutuplu motorlar, akının yönünde bir değişiklik elde etmek için akımın yönünde bir değişiklik elde etmek için H- köprüsünün kontrolü aracılığıyla iki kutuplu motorlar.
Tek kutuplu motor yalnızca 4 güçlü MOS'a, akımın tek kutuplu kontrolüne (MOS tüpü açısından) ihtiyaç duyar, ancak motor sargısının bir kademeye daha ihtiyacı vardır; Bipolar motor yapı olarak daha basittir, iki sargı yüksek oranda kullanılır, ancak sürüş için 8 güçlü MOS'a yükseltilmesi gerekir ve kontrolörün maliyeti artacaktır.
Şekil 3.1 Tek kutuplu ve iki kutuplu adım motoru sürücüleri
Adım motorları, motor yapısındaki alt bölümlemenin yanı sıra, akımın dalga biçimini de kontrol ederek adım motorunun alt bölümleme doğruluğunu da kontrol edebilir. Alt bölme ilkesi, adım açılarını alt bölümlere ayırmak için simüle edilmiş sinüzoidal akımı en küçük adım açıları arasına yerleştirmektir; buna aynı zamanda akım alt bölümü de denir.
Şekil 3.2 Adım motoru sürücü akımının dökümü
3.1 Kapalı Döngü Akımı
Adım motorunun akım ayarının yükün talebine göre belirlenmesi gerekir; yük ne kadar büyük olursa, sürüş akımının da o kadar büyük olması gerekir, ancak adım motorunun açık-döngü kontrolü yükün boyutunu algılayamaz, bu da genellikle açık-döngü sürücüsünün verimsizliğiyle sonuçlanır. Akımın alt bölümü, akımın hassas kontrolünü, kontrollü akımın kapalı bir döngüsünün oluşturulması ihtiyacını, yani sabit akım özellikleri için akım çıkışını gerektirir; Öte yandan, step motordaki manyetik direncin doğrusal olmayan değişimi nedeniyle, kontrol kaybı nedeniyle çekirdeğin akımı doyurmasını önlemek için her zaman çıkış akımının boyutunun izlenmesi ihtiyacı ortaya çıkar. Aşağıdaki Şekil 3.3'te TB67S109AFNG step motor sürücü çipinin akım kontrol dalga şekli şeması bulunmaktadır. Dahili saat (Dahili OSC) frekans bölümü aracılığıyla dahili anahtarlama döngüsü için Fchop.
Spesifik sabit akım kontrol adımları aşağıdaki gibidir:
H-köprüsü iletime geçer, akım hızla NF'ye yükselir ve akım yükselişinin eğimi VDC/Ls'dir
Ayarlanan akım noktası NF'ye ulaşın, H-köprüsünü kapatın, akım yenileme diyotu tarafından yenilenir ve düşüşün eğimi -VDC/Ls'dir (Hızlı değişim)
Akım ayar noktası alt hat değerine ulaştığında, indüktör bobinine (genellikle alt köprüye) kısa devre yaptırmak için H-köprüsünü kontrol edin ve akımı sabit tutun (Yavaş değişim)
Ayar noktasının akımı değiştiğinde, H-aynı kontrol stratejisi üzerinden köprü oluşturarak akımı en son geçerli ayar noktasında sabit kalacak şekilde kontrol eder
Şekil 3.4'te gösterildiği gibi, adım motorunun ölçülen dalga biçimidir, eğer alt doğruluğun alt bölümü, akım dalga biçimi gibi açık bir adım- görülebiliyorsa. Bölünme derecesi çok yüksekse, Şekil 3.5'te gösterildiği gibi akım sinüzoidal akıma daha yakındır.
Şekil 3.3 TB67S109AFNG akım kontrolü
Şekil 3.4 Adım motorunun ölçülen akımı (alt bölümlere ayrılmamıştır)
Şekil 3.5 Adım motoru ölçülen akımı (alt bölüm)3.2 Açık-döngü ve kapalı-döngü kontrolü
Açık-döngü kontrolünde, rotor konum bilgisinin geri bildirimi olmadığından, sistemin kontrol tarafından takip edilip edilmediği esasen bilinmemektedir. Yükte bir anormallik varsa step motorun adım kaybetmesine neden olmak kolaydır. Bazı yüksek-hassas, yüksek{-performanslı uygulamalarda, enkoder veya diğer konum sensörleri aracılığıyla konum bilgisine geri dönülür, böylece adım tahrik sisteminde adım kaybının meydana gelip gelmediği, adım kaybının kontrol kontrolünde darbe kaybını telafi etmesi durumunda da gerçekleştirilmesi nispeten kolaydır.
Özet
Bu makale, değişken relüktans motorlarının temel yapısını ve bunların adım motorlarına evrimini kısaca açıklamakta ve birçok yaygın adım motorunun yapısını ve kontrol mantığını karşılaştırmaktadır. Step motorların daha kapsamlı anlaşılmasını sağlamak için step motor kontrol prensibi ve mevcut alt bölümün kontrol detayları tanıtılmıştır.