Az ipari területen számos léptetőmotoros alkalmazás létezik, mint például az automatizálási vezérlés, a robotcsuklók, a nyomtatóvezérlés stb. A legszélesebb körben használt hibrid léptetőmotorok. Az egyik legelterjedtebb a hibrid léptetőmotor, amely a legtöbb léptetőmotornak is a formája, amellyel napi szinten érintkezünk. Koncepcionálisan a léptetőmotorok és a változó reluktancia motorok között vannak bizonyos kapcsolatok és különbségek, ez a cikk először a reluktancia motor / léptetőmotor felépítéséről és működési elvéről fog beszélni, és összehasonlítja a különböző motorok közötti különbségeket.
1. Változó reluktancia motor
A változó reluktancia motor (Variable{0}}Reluktance Machine) kapcsolási reluktancia motorként is ismert, amely a motor összes motorszerkezete közül talán a legegyszerűbb, amelyet a gerjesztő tekercsekkel és ferromágneses rotorral felszerelt állórész domború pólusú szerkezetével lát el. A rotornak nincs tekercselése és állandó mágnesei, és a forgórész reluktanciájának változásaira támaszkodik a különböző pozíciókban, hogy elektromágneses erőt (dΨ/dθ) hozzon létre.
Tudjuk, hogy a mágneses fluxus mindig a legkisebb vonakodással keresztezi az utat. Amint az a(z). 1.1 ábrán látható, az S1 S2 az áram be- és kikapcsolását szabályozza, a VD1 VD2 pedig az áramfolytonossági dióda. A maximális reluktancia AA' és aa' pozíciójában látható pozíció, CC 's minimális reluktancia, ha a D fázis ilyenkor feszültség alatt van, a rotor az óramutató járásával ellentétes irányba fog forogni; ha a B fázis ilyenkor feszültség alatt van, a forgórész az óramutató járásával megegyezően forog; ha az A fázis ekkor feszültség alatt van, a forgórész változatlan marad. Megjegyzendő, hogy a kapcsolt reluktancia motorok nem tudják megvalósítani a motor forgásirányának változását az áramirány megváltoztatásával, hanem a feszültségezési sorrend megváltoztatásával, hogy megvalósítsák a motor előre és hátra forgását.
Az óramutató járásával megegyező irányban forgás energizáló sorrend: B-A-D-C
Az óramutató járásával ellentétes forgási energizáló sorrend: D-A-B-C
Mivel a motor mágneses ellenállása forgás közben drasztikusan megváltozik, a reluktanciamotor nyomatékpulzációja magas lesz. Annak érdekében, hogy a motor zökkenőmentesen és hatékonyan működjön, a reluktancia motor szabályozásához többek között ismerni kell a forgórész helyzetét, a terhelés állapotát és a fordulatszám állapotát. A reluktancia motor modellje pedig nem rendelkezik az állandó mágneses szinkronmotor/aszinkron motor megfelelő linearitásával, ezért sok előrejelző modellre és algoritmusra van szüksége a vezérlési pontosság javításához, ami kétségtelenül növeli a reluktancia motor szabályozásának nehézségét.
1.1. ábra Változó reluktancia motor alapszerkezete
2. A változó reluktancia motoroktól a léptetőmotorokig
A változtatható reluktancia motorok speciális szabályozási módjuknak köszönhetően (impulzusos váltakozó vezetés) az állórész és a forgórész pólusainak vagy az állórész feszültség alatt álló fázisainak számának növelésével oszthatják fel a mozgási szöget. Számos ilyen felosztott szerkezet létezik, amelyek eltérő szögnyomaték-jellemzőkkel rendelkeznek, ezért ezeket nem tárgyaljuk. Ebben a cikkben számos általánosan elterjedt változó reluktancia motormechanizmust fogunk megvizsgálni, különböző méretekből, hogy meglássuk, hogyan tűnnek ki a léptetőmotorok a számtalan változó reluktancia motorszerkezet közül.
2.1 Castle típusú változó reluktancia motor
Ahogy már korábban említettük, a kiálló pólusok számának növelése a mozgási szöget feloszthatja, de a kiállóbb pólusok sok tekercs helyet foglalnak el, a motor tekercselési hatásfoka csökken, és a kiálló pólusok nem növelhetők a végtelenségig. Ugyanannyi hajtásfázis esetén a kiálló rúdra egy kis fogat gravírozva a géptávolság szögével is felosztható. Ahogy a 2.1. ábrán látható, egy három-fázisú vár- típusú változó reluktancia motor 6 pólusú állórésszel, pólusonként 4 foggal és 28 pólusú rotorral. Az 1., 2. és 3. tekercs energizáló tekercsek egymás után 2/3-os lépéstávolsággal minden lépésnél elforgathatják a rotort. Az értékeket a motortervezés fogaskerekes arányai szerint kell megtervezni, és itt nem tárgyaljuk.
Ezt a motortípust általában alacsony fordulatszámú, nagy nyomatékú és precíziós szögfelbontásban használják, ezt a szerkezetet már "léptetőmotornak" is nevezhetjük, mivel ennek a motornak a vezérlése, valamint a helyzetérzékeléstől leválasztható, az impulzusszekvencia hajtáson keresztül viszonylag sima vezérlést lehet megvalósítani.
2.1 ábra Három-fázisú vár-típusú változó reluktancia motor
2.2 Többfokozatú, változó reluktancia motorok
Az egyetlen forgórészből álló, több-fázisú tekercselésű, változtatható reluktancia motorokat "egy-szegmenses változó reluktancia motoroknak" is nevezik. A változtatható reluktancia motorok másik típusa a sok szegmensre osztott forgórész és állórész, amelyek az állórész fázisok számának növelése nélkül is feloszthatók, és jobban kímélik az állórész tekercsszerkezetét. Lehetőség van egy fázisú szegmens felállítására, ami gyakorlatilag kiküszöböli a többfázisú motor tekercselési végét. Az n-szegmensű motorok esetében az egyes szegmensek forgórésze vagy állórésze a pólusemelkedés szögének 1/n-ével van eltolva, és a pólusosztás tovább osztható n-szeresével.
2.3 Hibrid léptetőmotorok
Egy egyszerű változtatható reluktancia motorban a forgásirány függ az impulzusáram időzítésétől és a motor reluktancia szerkezetétől, és nem befolyásolja az áram iránya. Áram hiányában a forgórész a reluktancia nyomaték hiánya miatt nem rögzíthető meghatározott helyzetben, ami tovább növeli az irányítás nehézségét. Ha az eredeti kapcsolt reluktancia motorszerkezethez állandó mágneseket adunk, hogy állandó mágnest vagy hibrid változó reluktancia motort hozzunk létre, jelentősen javítható a léptetőmotorok nyomatéka és pozíciópontossága, amely manapság a legelterjedtebb léptetőmotoros szerkezet.
Amint a 2.2. ábrán látható, a hibrid léptetőmotor szerkezete nagyon hasonló a több-szegmensű változó reluktancia motorhoz, amely a rotor állandó mágneseinek két szegmense közé van behelyezve, és az S-pólus N-pólusának távolabbi végének proximális végén látható. Az állórész egy-szegmensű motorszerkezetként is megtervezhető, és csak két-fázisú hajtásra van szükség, ami nagyban leegyszerűsíti a motor szerkezetét és költségét. Az ábrán látható motorban a rotor póluspárjainak száma 3, tehát az egy elektromos ciklusnak megfelelő mechanikai szög 360/(2*3)=60.
A könnyebb érthetőség kedvéért θ a mechanikai szög és a konkrét vezetési sorrend:
θ=0~10, az 1. fázis és a 2. fázis azonos amplitúdójú pozitív áramot enged át egyszerre
θ=10~20, a 2. fázis csak pozitív áramot enged át
θ=20~30, az 1. fázis egyedül a negatív áramot vezeti át
θ=30~40, az 1. fázis és a 2. fázis azonos amplitúdójú negatív áramot enged át egyszerre
θ=40~50, a 2. fázis egyedül a negatív áramot vezeti át
θ=50~60, az 1. fázis csak pozitív áramot enged át
Ciklikus vezetés... ...
2.2 ábra Hibrid léptetőmotor szerkezet
3. léptetőmotoros vezérlés
A 3.1. ábrán látható módon a léptetőmotoros meghajtó áramkör felépítése általában bipoláris motorokra és unipoláris motorokra osztható: egypólusú motorok a tekercs váltakozó vezetésén keresztül a fluxus irányának megváltoztatásához, bipoláris motorok a H- híd vezérlésével az áram irányának megváltoztatása érdekében a fluxus irányának megváltoztatásához.
Az egypólusú motornak csak 4 teljesítményű MOS-re van szüksége, az áram egypólusú szabályozására (a MOS cső szemszögéből), de a motor tekercsének még egy csapra van szüksége; A bipoláris motor egyszerűbb felépítésű, két tekercs nagyon kihasznált, de a hajtáshoz 8 teljesítményű MOS-ra kell növelni, és megnő a vezérlő költsége.
3.1. ábra Unipoláris és bipoláris léptetőmotoros hajtások
A motorszerkezet felosztása mellett a léptetőmotorok az áram hullámformájának szabályozásával a léptetőmotor felosztási pontosságát is szabályozhatják. A felosztás elve az, hogy a szimulált szinuszos áramot a legkisebb lépésszögek közé illesztjük a lépésszögek felosztására, amit áramfelosztásnak is neveznek.
3.2. ábra A léptetőmotor meghajtó áramának lebontása
3.1 Zárt hurkú áram
A léptetőmotor árambeállítását a terhelés igénye szerint kell meghatározni, minél nagyobb a terhelés, annál nagyobb a hajtóáram, de a léptetőmotor nyitott-hurkú vezérlése nem érzékeli a terhelés nagyságát, ami gyakran a nyitott-hurkú hajtás hatékonyságának csökkenéséhez vezet. Az áramfelosztás megköveteli az áram pontos szabályozását, a szabályozott áram zárt hurkát, vagyis az állandó áramjellemzők áramkimenetét; másrészt a léptetőmotor mágneses ellenállásának nemlineáris változása miatt mindig figyelni kell a kimenő áram nagyságát, hogy a mag ne telítse az áramot a szabályozás elvesztése miatt. Az alábbi 3.3. ábra a TB67S109AFNG léptetőmotor-meghajtó chiphez tartozó áramvezérlő hullámforma vázlata. Fchop a belső kapcsolási ciklushoz, a belső órajel (Belső OSC) frekvenciaosztáson keresztül.
A specifikus állandó áramszabályozási lépések a következők:
A H-híd vezet, az áram gyorsan NF-re emelkedik, és az áramemelkedés meredeksége VDC/Ls
Érje el a beállított NF árampontot, kapcsolja ki a H-hidat, az áramot a megújító dióda megújítja, és az esés meredeksége -VDC/Ls (Gyors változás)
Amikor az áram eléri az alapjel alsó sorértékét, vezérelje a H-hidat az induktor tekercsének rövidre zárásához (általában az alsó híd), és tartsa állandó az áramerősséget (lassú változás)
Amikor az alapjel árama megváltozik, a H-híd ugyanazon a szabályozási stratégián keresztül szabályozza az áramerősséget a legutóbbi aktuális alapjelben, hogy állandó maradjon.
Ahogy a 3.4. ábrán látható, a léptetőmotor mért hullámformája, ha az alsó pontosságának felosztása nyilvánvaló lépés-mint az aktuális hullámforma ,. Ha a felosztás mértéke nagyon nagy, akkor az áram közelebb van a szinuszos áramhoz, ahogy az a 3.5. ábrán látható.
3.3. ábra TB67S109AFNG áramszabályozás
3.4 ábra A léptetőmotor mért árama (nem osztva)
3.5. ábra Léptetőmotor mért árama (felosztás)3.2 Nyílt-hurkú és zárt-hurkú vezérlés
Nyílt-hurkú vezérlés esetén, mivel nincs visszacsatolás a forgórész helyzetére vonatkozó információkról, lényegében nem tudni, hogy a rendszert követi-e a vezérlés vagy sem. Ha valamilyen terhelési rendellenesség lép fel, könnyen előfordulhat, hogy a léptetőmotor lépést veszít. Egyes nagy-precíziós, nagy{4}}teljesítményű alkalmazásokban a kódolón vagy más helyzetérzékelőn keresztül vissza a helyzetinformációhoz, így a léptető hajtásrendszere lehet, hogy a lépésvesztés bekövetkezett-e vagy sem, ha a lépésvesztés pótolja az impulzusveszteséget a vezérlés vezérlésében, szintén viszonylag könnyen megvalósítható.
Összegzés
Ez a cikk röviden leírja a változtatható reluktancia motorok alapvető felépítését és léptetőmotorokká való fejlődését, valamint összehasonlítja számos általános léptetőmotor szerkezetét és vezérlési logikáját. A léptetőmotorok vezérlési elve és az áramfelosztás vezérlési részletei bemutatásra kerülnek a léptetőmotorok átfogóbb megértése érdekében.