Istnieje wiele zastosowań silników krokowych w przemyśle, takich jak sterowanie automatyką, złącza robotów, sterowanie drukarkami itp. Najpowszechniej stosowane są hybrydowe silniki krokowe. Jednym z najpowszechniej stosowanych jest hybrydowy silnik krokowy, będący jednocześnie formą większości silników krokowych, z którymi mamy styczność na co dzień. Koncepcyjnie, silniki krokowe i silniki o zmiennej reluktancji istnieją pewne powiązania i różnice. W tym artykule początkowo omówimy strukturę i zasadę działania silnika reluktancyjnego/silnika krokowego oraz porównamy różnice między różnymi silnikami.
1. Silnik o zmiennej reluktancji
Silnik o zmiennej reluktancji (maszyna o zmiennej-reluktancji) jest również znany jako przełączalny silnik reluktancyjny i jest to być może najprostsza ze wszystkich konstrukcji silnika, ze stojanem wyposażonym w uzwojenia wzbudzenia i ferromagnetyczny wirnik o wypukłej strukturze bieguna. Wirnik nie ma uzwojeń cewki ani magnesów trwałych, a wytwarzanie siły elektromagnetycznej (dΨ/dθ) opiera się na zmianie reluktancji wirnika w różnych położeniach.
Wiemy, że strumień magnetyczny zawsze ma tendencję do przecinania ścieżki z najmniejszą niechęcią. Jak pokazano na rys.. 1.1, S1 S2 steruje włączaniem i wyłączaniem prądu, a VD1 VD2 to dioda ciągłości prądu. Pozycja pokazana w pozycji AA' i pozycji aa' maksymalnej reluktancji, minimalnej niechęci CC, jeśli w tym momencie faza D będzie zasilona, wirnik będzie się obracał w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara; jeśli w tym momencie zostanie zasilona faza B, wirnik będzie się obracał zgodnie z ruchem wskazówek zegara; jeśli w tym momencie faza A zostanie zasilona, wirnik pozostanie niezmieniony. Należy zauważyć, że silniki reluktancyjne z przełączaniem nie mogą realizować zmiany kierunku obrotu silnika poprzez zmianę kierunku prądu, ale poprzez zmianę sekwencji zasilania, aby zrealizować obrót silnika do przodu i do tyłu.
Sekwencja energetyzowania obrotu w prawo: B-A-D-C
Sekwencja energetyzująca obracająca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara: D-A-B-C
Ponieważ rezystancja magnetyczna silnika zmienia się drastycznie podczas obrotu, pulsacja momentu obrotowego silnika reluktancyjnego będzie wysoka. Aby zapewnić płynną i wydajną pracę silnika, sterowanie silnikiem reluktancyjnym wymaga między innymi znajomości położenia wirnika, stanu obciążenia i stanu prędkości. Model silnika reluktancyjnego nie ma dobrej liniowości silnika synchronicznego/asynchronicznego z magnesami trwałymi, dlatego wymaga wielu modeli i algorytmów predykcyjnych, aby poprawić dokładność sterowania, co niewątpliwie zwiększa trudność sterowania silnikiem reluktancyjnym.
Rysunek 1.1 Podstawowa konstrukcja silnika o zmiennej reluktancji
2. Od silników o zmiennej reluktancji po silniki krokowe
Silniki o zmiennej reluktancji mogą dzielić kąt ruchu poprzez zwiększenie liczby biegunów stojana i wirnika lub liczby faz stojana pod napięciem, dzięki specjalnej metodzie sterowania (impulsowe przewodzenie przemienne). Istnieje wiele takich podzielonych konstrukcji o różnych charakterystykach momentu obrotowego, dlatego nie będą one omawiane. W tym artykule przyjrzymy się kilku powszechnym mechanizmom silników o zmiennej reluktancji, z różnych wymiarów, aby zobaczyć, jak silniki krokowe wyróżniają się na tle niezliczonej liczby struktur silników o zmiennej reluktancji.
2.1 Silnik o zmiennej reluktancji typu zamek
Jak wspomniano wcześniej, zwiększenie liczby wystających biegunów może spowodować podział kąta ruchu, ale bardziej wystające bieguny zajmą dużo miejsca na cewkę, wydajność uzwojenia silnika zostanie zmniejszona, a wystających biegunów nie można zwiększać w nieskończoność. W przypadku tej samej liczby faz napędowych, poprzez wygrawerowanie małego zęba na wystającym drążku, można go również podzielić przez kąt rozstawu maszyny. Jak pokazano na rysunku 2.1, trójfazowy silnik o zmiennej reluktancji-zamkowej-z 6-biegunowym stojanem, 4 zębami na biegun i 28-biegunowym wirnikiem. Cewka zasilająca 1, cewka 2 i cewka 3 mogą sekwencyjnie napędzać wirnik w celu obracania się z krokiem wynoszącym 2/3 na każdym kroku. wartości muszą być zaprojektowane zgodnie z przełożeniami zębatymi konstrukcji silnika i nie są tutaj omawiane.
Ten typ silnika jest powszechnie stosowany przy niskiej prędkości, wysokim momencie obrotowym i precyzyjnej rozdzielczości kątowej. Konstrukcję tę można już nazwać „silnikiem krokowym”, ponieważ sterowanie tym silnikiem może być oddzielone od wykrywania położenia, poprzez napęd sekwencji impulsów może realizować stosunkowo płynne sterowanie.
Rysunek 2.1 Trójfazowy silnik-zamkowy-ze zmienną reluktancją
2.2 Wielostopniowe-silniki o zmiennej reluktancji
Silniki o zmiennej reluktancji składające się z pojedynczego wirnika z uzwojeniem wielo-fazowym są również nazywane „jednosegmentowymi silnikami reluktancyjnymi-. Innym typem silnika o zmiennej reluktancji jest wirnik i stojan podzielone na wiele segmentów, które można dzielić bez zwiększania liczby faz stojana i są bardziej przyjazne dla struktury uzwojeń stojana. Istnieje możliwość zestawienia segmentu z jedną fazą, co praktycznie eliminuje koniec uzwojenia silnika wielofazowego. W przypadku silników z n-segmentami wirnik lub stojan każdego segmentu jest przesunięty o 1/n kąta podziałki biegunów, a podziałkę biegunów można dalej podzielić n razy.
2.3 Hybrydowe silniki krokowe
W prostym silniku o zmiennej reluktancji kierunek obrotu zależy od czasu prądu impulsowego i struktury reluktancji silnika i nie ma na niego wpływu kierunek prądu. W przypadku braku prądu wirnik nie może zostać ustalony w określonej pozycji ze względu na brak momentu reluktancyjnego, co dodatkowo zwiększa trudność sterowania. Dodanie magnesów trwałych do oryginalnej konstrukcji silnika reluktancyjnego z przełączaniem w celu utworzenia silnika z magnesami trwałymi lub hybrydowego silnika reluktancyjnego o zmiennej reluktancji może znacząco poprawić moment obrotowy i dokładność pozycjonowania silników krokowych, które są obecnie najpowszechniejszą konstrukcją silników krokowych.
Jak pokazano na rysunku 2.2, konstrukcja hybrydowego silnika krokowego jest bardzo podobna do wielo-segmentowego silnika o zmiennej reluktancji, umieszczonego pomiędzy dwoma segmentami magnesów trwałych wirnika, co można zobaczyć na bliższym końcu bieguna N-, dalszym końcu bieguna S-. Stojan można zaprojektować jako silnik jedno-segmentowy, a wymagany jest tylko napęd dwu-fazowy, co znacznie upraszcza konstrukcję silnika i obniża koszty. Liczba par biegunów wirnika w silniku pokazana na rysunku wynosi 3, zatem kąt mechaniczny odpowiadający jednemu cyklowi elektrycznemu wynosi 360/(2*3)=60.
Dla ułatwienia zrozumienia θ to kąt mechaniczny i konkretna sekwencja jazdy:
θ=0~10, faza 1 i faza 2 przepuszczają jednocześnie prąd dodatni o równej amplitudzie
θ=10~20, faza 2 przepuszcza sam prąd dodatni
θ=20~30, faza 1 przepuszcza sam prąd ujemny
θ=30~40, faza 1 i faza 2 przepuszczają jednocześnie prąd ujemny o równej amplitudzie
θ=40~50, faza 2 przepuszcza sam prąd ujemny
θ=50~60, faza 1 przepuszcza sam prąd dodatni
Przewodnictwo cykliczne... ...
Rysunek 2.2 Konstrukcja hybrydowego silnika krokowego
3. sterowanie silnikiem krokowym
Jak pokazano na rysunku 3.1, strukturę obwodu napędu silnika krokowego można ogólnie podzielić na silniki bipolarne i silniki unipolarne: silniki unipolarne poprzez zmienne przewodzenie uzwojenia w celu uzyskania zmiany kierunku strumienia, silniki bipolarne poprzez sterowanie mostkiem H-, aby uzyskać zmianę kierunku prądu w celu uzyskania zmiany kierunku strumienia.
Silnik unipolarny potrzebuje tylko 4 mocy MOS, unipolarna kontrola prądu (z perspektywy lampy MOS), ale uzwojenie silnika potrzebuje jeszcze jednego odczepu; silnik bipolarny ma prostszą konstrukcję, dwa uzwojenia są w dużym stopniu wykorzystywane, ale do sterowania należy zwiększyć moc MOS do 8 mocy, a koszt sterownika wzrośnie.
Rysunek 3.1 Jednobiegunowe i bipolarne napędy silników krokowych
Oprócz podziału konstrukcji silnika, silniki krokowe mogą również kontrolować dokładność podziału silnika krokowego poprzez kontrolowanie kształtu fali prądu. Zasada podziału polega na umieszczeniu symulowanego prądu sinusoidalnego pomiędzy najmniejszymi kątami kroku w celu podzielenia kątów kroku, co jest również nazywane podziałem prądu.
Rysunek 3.2 Rozkład prądu napędu silnika krokowego
3.1 Prąd w pętli zamkniętej
Aktualne ustawienie silnika krokowego należy określić w zależności od zapotrzebowania obciążenia. Im większe obciążenie, tym większy musi być prąd sterujący, ale sterowanie silnikiem krokowym w-pętli otwartej nie jest w stanie wykryć wielkości obciążenia, co często skutkuje nieefektywnością napędu w-pętli otwartej. Podział prądu wymaga precyzyjnej kontroli prądu, konieczności utworzenia zamkniętej pętli kontrolowanego prądu, czyli wyjścia prądowego dla charakterystyki prądu stałego; z drugiej strony, ze względu na nieliniową zmianę magnetooporu w silniku krokowym, należy zawsze monitorować wielkość prądu wyjściowego, aby zapobiec nasyceniu rdzenia prądem na skutek utraty sterowania. Rysunek 3.3 poniżej przedstawia schemat układu sterownika silnika krokowego TB67S109AFNG sterującego prądem. Fchop dla wewnętrznego cyklu przełączania, poprzez podział częstotliwości zegara wewnętrznego (wewnętrzny OSC).
Konkretne etapy regulacji prądu stałego są następujące:
Mostek H- przewodzi, prąd szybko rośnie do NF, a nachylenie narastania prądu wynosi VDC/Ls
Osiągnij ustawiony punkt prądu NF, wyłącz mostek H-, prąd jest odnawiany przez diodę odnowienia, a nachylenie spadku wynosi -VDC/Ls (szybka zmiana)
Gdy prąd osiągnie nastawioną wartość dolnej linii, steruj mostkiem H-, aby zewrzeć cewkę indukcyjną (zazwyczaj dolny mostek) i utrzymuj prąd na stałym poziomie (powolna zmiana)
Gdy zmienia się prąd o wartości zadanej, mostek H- wykorzystuje tę samą strategię sterowania, aby kontrolować prąd w ostatniej aktualnej wartości zadanej, aby pozostał stały
Jak pokazano na rysunku 3.4, jest to zmierzony kształt fali silnika krokowego, jeśli podział dokładności dolnej części jest oczywisty krok-podobny do kształtu fali prądu. Jeśli stopień podziału jest bardzo duży, wówczas prąd jest bliższy prądowi sinusoidalnemu, jak pokazano na rysunku 3.5.
Rysunek 3.3 Sterowanie prądem TB67S109AFNG
Rysunek 3.4 Zmierzony prąd silnika krokowego (niepodzielony)
Rysunek 3.5 Zmierzony prąd silnika krokowego (podział)3.2 Sterowanie w pętli otwartej-i zamkniętej-pętli
W przypadku sterowania w otwartej-pętli, ponieważ nie ma sprzężenia zwrotnego na temat informacji o położeniu wirnika, zasadniczo nie wiadomo, czy sterowanie podąża za systemem, czy nie. Jeśli wystąpią pewne nieprawidłowości w obciążeniu, łatwo jest spowodować utratę kroków silnika krokowego. W niektórych-precyzyjnych i wysokowydajnych zastosowaniach, za pośrednictwem enkodera lub innych czujników położenia z powrotem do informacji o położeniu, dzięki czemu układ napędu krokowego może stwierdzić, czy nastąpiła utrata kroku, czy utrata kroku zrekompensuje utratę impulsu w sterowaniu, jest również stosunkowo łatwe do zrealizowania.
Streszczenie
W artykule krótko opisano podstawową strukturę silników o zmiennej reluktancji i ich ewolucję do silników krokowych, a także porównano strukturę i logikę sterowania kilku popularnych silników krokowych. Wprowadzono zasadę sterowania silnikiem krokowym i szczegóły sterowania podziałem prądu, aby zapewnić pełniejsze zrozumienie silników krokowych.