Koračni motori

Literatura:

P. Gugić: “Električni servomotori”, Školska knjiga, Zagreb (str. 133 – 207)

R. Wolf: “Osnove električnih strojeva”, Školska knjiga, Zagreb (str. 298 – 304)

T. Kenjo, A. Sugawara: “Stepping Motors and Their Microprocessor Controls”, Clarendon Press, Oxford

• Koračni motori su motori s višefaznim namotom (m 2) i to takvim da se položaj rotora može mijenjati samo u diskretnim koracima.

• Najmanji korak za koji se rotor koračnog motora može pomaknuti naziva se jedinični pomak ili rezolucija (engl. increment)

• Osnovno svojstvo svih koračnih motora jest da je broj polnih nastavaka (zuba) statora uvijek različit od broja polnih nastavaka (zuba) rotora

• Upravo ta razlika omogućuje pomicanje rotora za točno određeni broj jediničnih pomaka s. Jedinični pomak s ovisi o broju zuba rotora Nr, te broju faza m kako je dano u tablici 1:

• Statori i rotori koračnih motora izrađeni su u pravilu sa istaknutim polovima

• Polni nastavci statora/rotora mogu biti kompaktni ili sadržavati više tzv. “zuba”. Veći broj zuba podrazumijeva bolju rezoluciju pozicioniranja rotora

180°/(Nrm)360°/(Nrm)s [°]

Motor s perm. magnetima/hibridniVR motorTip motora:

Jedinični pomaci za različite tipove koračnih motora

Koračni motori s varijabilnom reluktancijom(reluktancija = otpor protjecanju magnetskih silnica)

• Rotor i stator koračnog motora s variabilnom reluktancijom (VR motor) izrađeni su od feromagnetskog materijala.

• Najčešći su laminirani stator/rotor (limovi) of čelika legiranog silicijem, no nisu rijetki niti kompaktni rotori (izliveni u jednom komadu)

• Materijal rotora/statora mora imati visoku permeabilnost, tj. dosta dobru vodljivost magnetskih silnica

• Stator i rotor VR motora izvode se s istaknutim polovima

• Propuštanjem struje kroz fazu statorskog namota, rotor VR motora će se pozicionirati tako da omogući zatvaranje magnetskog kruga uz minimalnu reluktanciju

Struktura i princip rada trofaznog četveropolnog VR koračnog motora s 12 zubi na statoru i 8 zubi na rotoru (s = 360°/(3·8) = 15°).

a) Položaj rotora uz uključenu fazu A

b) Isključenje faze A i uključenje faze B

c) novi položaj uz uključenu fazu B

• Ukoliko se uspostavi periodički redoslijed uključivanja faza: A – B – C – A ... rotira udesno

• Za rotaciju ulijevo redoslijed uključivanja faza jest:A – C – B – A ...

• Stabilna pozicija rotora uključena jedna od faza motora

Brzina vrtnje motora:

36060

fn s

Pri f = 600 Hz => n = 1500 min-1

• Ukoliko je potrebno preciznije pozicioniranje rotora moguće je povećati broj faza, te broj polnih nastavaka (zubi) rotora i statora

Presjek četverofaznog (m = 4), 2-polnog VR koračnog motora s Nr = 50 zubi na rotoru (rezolucija s = 1.8°).

• Ovaj tip koračnog motora ima na rotoru permanentni magnet

• Statorski namoti pojedinih faza napajaju se komplementarno

• Ako se statorski namoti pobude u slijedu A – B – A – B ... rotor rotira u smjeru kazaljke na satu (osnovni pomak za dani motor je 90°)

• Motori s perm. magnetima proizvode relativno veliki moment u relativno malom volumenu u usporedbi s VR motorima

Koračni motori sa stalnim (permanentnim) magnetima

Princip izvedbe dvofaznog koračnog motora s permanentnim magnetima: cilindrični rotor (a), statorski namoti (b), i bifilarno namatanje (c)

(a) (b) (c)

• Hibridni koračni motori predstavljaju kombinaciju između motora s varijabilnom reluktancijom i motora s permanentnim magnetima

• Na rotoru imaju permanentni magnet, no broj zuba je veći nego kod običnog motora s permanentnim magnetom na rotoru

• To se postiže posebnom izvedbom rotora gdje se na permanentni magnet u obliku štapa na svaki kraj doda nazubljeni nastavak (slika 6)

• Na taj način se može postići visoka rezolucija VR motora uz povoljan odnos razvijenog momenta i volumena kao kod motora s perm. magnetima

Izvedba rotora hibridnog koračnog motora

• Motori s “višepaketnim” rotorima (multi-stack motors) izvode se kao VR motori i kao hibridni motori.

• Posjeduju višestruke “pakete” rotorskih izdanaka na jednoj osovini, čiji zubi su geometrijski pomaknuti 1/N širine jednog zuba pojedinačnog rotora (N –višestrukost rotora)

• Na taj način postižu se relativno veliki zakretni momenti motora

VR koračni motor s trostrukim rotorom.

Načini pobude koračnih motora

• Razmatra se pobuda VR koračnog motora

• Najčešći oblici pobude

jednofazna

dvofazna simultana

tzv. half-step pobuda

• Kod jednofazne pobude pojedini fazni namoti se uključuju odvojenoprema nekom logičkom slijedu.

• Primjer jednofazne pobude za zakretanje trofaznog VR motora u jednom smjeru:

• Kod dvofazne simultane pobude u svakom trenutku bivaju uključena po dva fazna namota prema nekom logičkom slijedu.

• Princip dvofazne simultane pobude za zakretanje trofaznog VR motora u jednom smjeru:

Dvofazna simultana pobuda dvopolnog trofaznog VR motora s 4 zuba na rotoru: početni položaj – reset (R), zakret za jedan korak (1), zakret za dva koraka (2).

Potrebno je precizno sinkroniziranje uključivanja i isključivanje faza

• Prednost simultane dvofazne pobude leži u smanjenju oscilacija pri promjeni pozicije rotora u usporedbi s jednofaznom pobudom

Odzivi pozicija rotora trofaznog četveropolnog VR motora s 8 zubi na rotoru za jedinični pomak uz jednofaznu i simultanu dvofaznu pobudu.

• Half-step pobuda predstavlja kombinaciju jednofazne i dvofazne pobude• Prednosti:

• Manje oscilacije pozicije rotora• Dvostruko veća rezolucija, odnosno upola manji korak od jediničnog

Primjer half-step pobude za trofazni dvopolni VR koračni motor.

Nema istovremenog uključivanja i isključivanja faza motora kao kod dvofazne pobude

Statičke karakteristike koračnih motora

• Ovisnost momenta o položaju rotora

Rotor motora u pobuđenom stanju pomiče se iz ravnotežnog položaja pod utjecajem opteretnog momenta

Ako je moment tereta veći od maksimalnog iznosa momenta pobuđenog motora (engl. holding torque) => dolazi do “proklizavanja” rotora

Statičke ovisnosti momenta o položaju rotora: za jednu fazu motora (a), te za sve tri faze trofaznog motora (b).

a b

Holdingtorque

Sta

tic to

rque

Ph1 Ph2 Ph3

s s s

Statičke ovisnosti maksimalnog momenta motora o struji namota za četverofazni VR motor i dvofazni hibridni motor rezolucija 1.8°.

U nepobuđenom stanju hibridni motor posjeduje rezidualni moment

VR motor ima bitno nelinearniju ovisnost momenta o struji za područje malih struje u usporedbi s hibridnim motorom

Posljedica nelinearne karakteristike magnetiziranja jezgre rotora

• Ovisnost momenta o struji statora

Idealizirane karakteristike momenta za sinkroni rad uz inerciju na rotoru kao parametar.

Karakteristika momenta za sinkroni rad (pull-in torque characteristic) predstavlja raspon opteretnih momenata za koje koračni motor može krenuti i zaustaviti se bez ispadanja iz sinkronizma za različite frekvencije pobude statora

Karakteristika momenta za ispad iz sinkronizma (pull-out torque characteristic) predstavlja minimalne iznose momenata za koje će koračni motor sigurno ispasti iz sinkronizma u ovisnosti o frekvenciji pobude na statoru

Obje karakteristike ovise o ukupnom momentu inercije na osovini motora

Rotacijom rotora, odnosno redoslijedom uključivanja pojedinih faznih namota upravlja upravljački logički sklop (logic sequencer)

Upravljački logički sklop može se realizirati pomoću logičkih sklopova, kao intergrirani krug ili kao algoritam u mikrokontroleru. Ulazni signali takvog sklopa su takt (clock) i smjer rotacije.

Uključivanje (napajanje) pojedinih faznih namota izvodi se pomoću tranzistorskog pretvarača (motor driver)

Principna shema upravljanja koračnim motorom.

Zbog svojih karakteristika (diskretnog pomaka) koračni motor se najčešće koristi za pozicioniranje, pri čemu se njime upravlja u “otvorenom” krugu (bez povratne veze po poziciji)

Upravljanje koračnim motorima

Tranzistorski pretvarač Tranzistori (bipolarni, IGBT i MOSFET) za uključivanje faza se spajaju serijski

faznim namotima.

Pri projektiranju pretvarača treba uzeti u obzir:• tolerancije motora, energetskih tranzistora i napona napajanja,• utjecaj zagrijavanja motora na povećanje otpora namota

(smanjenje struje motora, odnosno maksimalnog momenta po fazi),• Dinamiku struje i induciranu EMS u namotima pri isključenju

tranzistora.

Izvedba pretvarača za unipolarno napajanje dvofaznog hibridnog koračnog motora.

Ph AB A B

E

Nadomjesna shema namota koračnog motora.

Dioda za potiskivanje prenapona.

Osim unipolarnog može se ostvariti i bipolarno napajanje koračnih motora

Bipolarno napajanje se postiže upotrebom tzv. mosnog spoja (H spoja) tranzistorskog pretvarača

Mosni spoj tranzistorskog pretvarača za napajanje dvofaznog hibridnog motora

Upotrebom bipolarnog napajanja postiže se 20-35% poboljšanje u razvijenom momentu motora

Diode o mosnom spoju pored potiskivanja EMS namota i prigušenja struje pri isključenju tranzistora namota služe za vraćanju akumulirane energije magnetskog polja namota natrag u izvor napajanja

Logički sklop za upravljanje koračnim motorom

Razvijeni su specijalizirani IC sklopovi koji sadrže sve bitne dijelove za upravljanje rotacijom koračnog motora u jednom kućištu, kao na primjer:

PMM8713 (Sanyo-Denki)

TA8415 (Toshiba)

Osnovne karakteristike IC PMM8713:

• Tipovi pobude: jednofazna, simultana dvofazna, half-step

• Dva načina definiranja smjera vrtnje:

1. Pomoću dva zasebna logička signala smjera (CW, CCW)

2. Pomoču vanjskog signala takta (CLK) i signala smjera (U/D)

Razmotrit će se karakteristike PMM8713 (IC sklop za upravljanje dvofaznim koračnim motorom) i njegova primjena

• Raspored izvoda: • Osnovne funkcije i tipovi pobude (EX):

fmax = 1 MHz

• Generiranje upravljačke sekvence

Principna shema upravljanja vrtnjom dvofaznog hibridnog motora primjenom PMM8713 integriranog sklopa (jednofazna pobuda / unipolarno napajanje).

Ph A B A B

Up = +12 V

P. GNDPMM8713

13

12

11

10

16

Ucc = +5 V

8

S. GND

o1

o2

o3

o4

9 R

3

4

5

6

7

Ck

U/D

+5V

0V

+5V

Ea

Eb

oc

T1 ... T4 - npr. BD243C

T2 T3 T4T1

D1 D2 D3 D4

D1 ... D4 - npr. 1N5401

P. GND

Opto-couplernpr. TIL199B

R1 R2 R3 R4