Kontrola koračnog motora

Elektromotori pretvaraju električnu energiju u mehaničku, a kod koračnih motora pretvaraju energiju električnih impulsa u rotacijska gibanja rotora. Kretanje generirano djelovanjem svakog impulsa pokreće se i ponavlja s visokom preciznošću, čineći kuglične motore učinkovitim pogonima za uređaje koji zahtijevaju precizno pozicioniranje.

Koračni motori s permanentnim magnetima uključuju: rotor s permanentnim magnetima, namote statora i magnetsku jezgru. Energetske zavojnice stvaraju magnetski sjeverni i južni pol kao što je prikazano. Pokretno magnetsko polje statora prisiljava rotor da se u svakom trenutku poravna s njim. Ovo rotirajuće magnetsko polje može se podesiti kontroliranjem serijske pobude zavojnica statora za okretanje rotora.

Slika prikazuje dijagram tipične metode uzbude za dvofazni motor. U fazi A dvije zavojnice statora su pod naponom i to uzrokuje privlačenje i zaključavanje rotora dok se suprotni magnetski polovi međusobno privlače.Kada su namoti faze A isključeni, namoti faze B su uključeni, rotor se okreće u smjeru kazaljke na satu (engleski CW - u smjeru kazaljke na satu, CCW - suprotno od kazaljke na satu) 90 °.

Zatim se gasi faza B i uključuje faza A, ali polovi su sada suprotni od onoga što su bili na samom početku. To vodi do sljedećeg zaokreta od 90°. Faza A se tada isključuje, faza B se uključuje s obrnutim polaritetom. Ponavljanje ovih koraka uzrokovat će okretanje rotora u smjeru kazaljke na satu u koracima od 90°.

Postupna regulacija prikazana na slici naziva se jednofazna regulacija. Prihvatljiviji način koračne regulacije je dvofazna aktivna regulacija, gdje su obje faze motora stalno uključene, ali se mijenja polaritet u jednoj od njih, kao što je prikazano na slici.

Ova kontrola uzrokuje pomicanje rotora koračnog motora tako da se poravna sa svakim korakom u središte formiranog sjevernog i južnog pola, između izbočina magnetskog kruga. Budući da su obje faze uvijek uključene, ova metoda upravljanja osigurava 41,4% više okretnog momenta od upravljanja s jednom aktivnom fazom, ali zahtijeva dvostruko više električne energije.

Pola koraka

Koračni motor može biti i "polustepeni", tada se tijekom faznog prijelaza dodaje stupanj okidanja. Ovo smanjuje kut nagiba na pola. Na primjer, umjesto za 90°, koračni motor može napraviti 45° rotacije na svakom «polu koraka», kao što je prikazano na slici.

No način rada pola koraka uvodi gubitak zakretnog momenta od 15-30%, u usporedbi s kontrolom koraka s dvije aktivne faze, jer je jedan od namota neaktivan tijekom pola koraka i to u konačnici dovodi do gubitka elektromagnetske sile, koja djeluje na rotora, tj. neto gubitak momenta.

Bipolarna zavojnica

Dvofazna koračna kontrola pretpostavlja prisutnost dvopolnog namota statora. Svaka faza ima svoju zavojnicu, a kada se struja obrne kroz zavojnice, mijenjaju se i elektromagnetski polariteti. Tipična je početna faza dvofazni pokretač prikazano na slici. Shema upravljanja prikazana je u tablici. Vidi se kako je jednostavnom promjenom smjera struje kroz zavojnice moguće promijeniti magnetski polaritet u fazama.

Jednopolni svitak

Druga tipična vrsta zavojnice je unipolarna zavojnica. Ovdje su zavojnice podijeljene na dva dijela i kada je jedan dio zavojnice pod naponom, stvara se sjeverni pol, kada je drugi dio pod naponom, stvara se južni pol. Ovo se rješenje naziva unipolarna zavojnica jer se električni polaritet odgovoran za struju nikada ne mijenja. Regulacijski stupnjevi prikazani su na slici.

Ovaj dizajn omogućuje korištenje jednostavnijeg elektroničkog bloka. Međutim, ovdje se gubi gotovo 30% okretnog momenta u usporedbi s bipolarnom zavojnicom jer zavojnice imaju pola žice kao bipolarna zavojnica.

Ostali kutovi nagiba

Za postizanje manjih kutova nagiba potrebno je imati veći broj polova i na rotoru i na statoru. Rotor od 7,5° ima 12 pari polova, a magnetska jezgra statora ima 12 izbočina. Dvije špulice i dvije zavojnice.

To daje 48 polova za svaki korak od 7,5°. Na slici možete vidjeti 4-polne ušice u presjeku. Naravno, moguće je kombinirati korake za postizanje velikih pomaka, na primjer šest koraka od 7,5° rezultirat će rotacijom rotora od 45°.

Točnost

Točnost koračnih motora je 6-7% po koraku (bez akumulacije). Koračni motor s koracima od 7,5° uvijek će biti unutar 0,5° od teoretski predviđenog položaja, bez obzira koliko je koraka već poduzeto. Greška se neće akumulirati jer se mehanički svakih 360° ponavlja korak po korak. Bez opterećenja, fizički položaj polova statora i rotora jedan u odnosu na drugi uvijek će biti isti.

Rezonancija

Koračni motori imaju vlastitu rezonantnu frekvenciju jer su sustavi poput opruge. Kada je ritam isti kao prirodna rezonantna frekvencija motora, može se čuti buka koju stvara motor i vibracija se pojačava.

Točka rezonancije ovisi o primjeni motora, njegovom opterećenju, ali općenito se frekvencija rezonancije kreće od 70 do 120 koraka u sekundi. U najgorem slučaju, motor će izgubiti točnost upravljanja ako uđe u rezonanciju.

Jednostavan način za izbjegavanje problema s rezonancijom sustava je promjena ritma dalje od točke rezonancije. U načinu rada s pola ili mikro koraka, problem rezonancije je smanjen jer se točka rezonancije napušta kako se brzina povećava.

Zakretni moment

Okretni moment koračnog motora je funkcija: brzine koraka, struje namota statora, tipa motora. Snaga pojedinog koračnog motora također je povezana s ova tri faktora.Zakretni moment koračnog motora zbroj je momenta trenja i momenta inercije.

Moment trenja u gramima po centimetru je sila potrebna za pomicanje tereta težine određenog broja grama s krakom poluge duljine 1 cm. Važno je napomenuti da kako se brzina koraka motora povećava, povratni EMF u motoru , odnosno napon koji stvara motor raste. Time se ograničava struja u namotima statora i smanjuje zakretni moment.