Sveučilište u Zagrebu, Fakultet elektrotehnike i računarstva Zavod za automatiku i procesno računarstvo KORAČNI MOTORI

Transcript

1 KORAČNI MOTORI Prikladni su za digitalno upravljanje Digitalni ulazni impulsi analogni izlaz gibanje osovine motora Uključenje napajanja naredne faze motora pomak za 1 korak Broj upravljačkih impulsa = broju koraka (jedan korak odgovara određenom fiksnom kutnom zakretu) Upravljanjem iznosom struje uzbude mijenja se rezolucija mikrokoračanje Moguće je upravljanje položajem radne osovine u otvorenoj petlji (bez povratne veze jednostavno je realizirati sustav upravljanja većim brojem motora (roboti, pisači) Osnovne karakteristike koračnih motora: Jednostavne su konstrukcije i ne zahtijevaju održavanje U normalnim uvjetima rada ne akumulira se pogreška položaja Razmjerno mala efikasnost, veliko nadvišenje i oscilatornost u odzivu od jednog koraka Ograničene mogućnosti pokretanja tereta s velikim momentom inercije Moment trenja i aktivni teret mogu povećati pogrešku položaja (moguć je gubitak koraka posljedica je akumulirana pogreška položaja) 1 Karakteristike koračnih motora: Rezolucija Odziv jednog koraka Točnost Statički moment Dinamički moment Start-stopni moment Rezolucija rotacijskih koračnih motora N k, kor/okr broj koraka po okretaju α k, [ o ] iznos koraka u stupnjevima Rezolucija linearnih koračnih motora x k, [mm] iznos koraka Odziv jednog koraka - Θ(t) Pokazuje brzinu, oscilatornost i točnost odziva Napajanje jedne faze se isključi (U A =0), a napajanje naredne faze se uključi (U B =U) motor se pomakne za 1 korak 2

2 Točnost koračnog motora Određena je točnošću izrade Izražava se maksimalnom relativnom pogreškom Θ m = ± (1 5)% Statički moment (moment držanja) Zanima nas ovisnost uspostavljenog momenta u motoru o pomaku rotora m=f(θ) Prikaz ovisnosti statičkog momenta m A faze A o položaju rotora: 1 stabilna ravnotežna točka (poravnanje polova rotora i statora), 2 nestabilna ravnotežna točka (pol rotora točno na sredini između dva pola statora) 3 Dinamički moment (pull-out moment) Zanima nas ovisnost srednje vrijednosti momenta u motoru o brzini vrtnje m=f(f) Maksimalna vrijednost momenta tereta (M t =M) kojim se u stacionarnom stanju smije opteretiti koračni motor na određenoj brzini vrtnje a da rotor ne ispadne iz sinkronizma s upravljačkim impulsima i motor se ne zaustavi Prikaz ovisnosti dinamičkog momenta motora M o brzini vrtnje pri upravljanju u: 1 otvorenoj petlji, 2 zatvorenoj petlji Maksimalni moment u mirovanju: M m =M 0 f > i < I n (zbog L i e) M < 4

3 Upravljanje u otvorenoj petlji (M t nije točno određen): Zaliha momenta (50-100)% Maksimalna brzina vrtnje f om nije velika Upravljanje u zatvorenoj petlji: Postiže se veći moment Postiže se veća brzina vrtnje f zm > f om M t raste f z pada (pouzdan rad pogona) Start-stopni moment (Pull-in moment) Moment tereta oblika trenja s kojim koračni motor pri zadanoj frekvenciji upravljačkih impulsa može startati, a da ne izgubi korak 1 - Start-stopna karakteristika 2 karakteristika dinamičkog momenta Područje između 1 i 2 nestabilno je. Da bi motor mogao raditi u tom području mora se ubrzavati po određenom zakonu (algoritmu) 5 Vrste koračnih motora Najviše se primjenjuju koračni motori sinkronog tipa Podjela prema: - Vrsti uzbude - Broju faza - Broju polova - Načinu gibanja Vrste uzbude: - Elektromagnetska - Stalni magneti Uzbuda se može nalaziti na rotoru (aktivni koračni motori) i statoru. Koračni motori sa stalnim magnetima rotor magnetiziran radijalno Hibridni koračni motori imaju stalne magnete na rotoru smještene aksijalno Reluktantni (reaktivni) koračni motori nemaju uzbudu 6

4 Broj faza n f Najčešće n f = 2, 3, 4, 5, 6 Broj pari polova p r Serijski proizvedeni koračni motori p r = 1-90 Stalni magneti (na rotoru) p r = 1-4 Načini gibanja: Rotacijski Linearni (translacijski) Višekoordinatni koračni motori: - Dvije nezavisne osi gibanja: x, y; z, φ - Tri nezavisne osi gibanja: x, y, z; x, y, φ - Četiri nezavisne osi gibanja: x, y, z, φ 7 Koračni slijedni sustav kao element fleksibilnog proizvodnog sustava - Stalni magneti i uzbudni namoti na pokretnom dijelu - Pokretni dio na podu, zidu i stropu - Nepokretni dio nazubljen - Odvajanje pokretnog od nepokretnog dijela zrakom zračni jastuk 20µm - Veliki problem je oscilatornost gibanja - Velika točnost pozicioniranja ostvaruje se mikrokoračanjem 8

5 Reluktatntni koračni motori Izrađuju se s jednim paketom statora i više paketa statora Zračni raspor može biti radijalan i aksijalan Gibanje može biti rotacijsko i translacijsko (linearno) Reluktantni koračni motori s više paketa statora Rotor višepolni od mekog željeza, stator lamelirani Broj faza (paketa) statora: 3, 4 Paketi statora i rotora (slika dolje) mehanički su učvršćeni, električki i magnetski su nezavisni Za gibanje rotora moraju biti pomaknuti paketi rotora ili paketi statora (slika dolje) 9 U A = U zubi rotora faze A poravnavaju se sa zubima statora minimalna reluktancija stabilna ravnotežna točka faze A Djelovanje vanjskog momenta M t dolazi do pomaka osovine θ m = f(θ) moment djeluje da vraća motor u stabilnu ravnotežnu točku (slika dolje) m = 0 zubi rotora su točno između zubiju statora nestabilna ravnotežna točka Oblik krivulje statičkog momenta nije sinusoidlan, nego ovisi o parametrima motora: obliku zubiju, veličini zračnog raspora, iznosu uzbude 10

6 U A = 0, U B = U Zubi rotora faze B poravnavaju se sa zubima statora korak u smjeru kazaljke na satu U A = 0, U C = U Zubi rotora faze C poravnavaju se sa zubima statora korak u smjeru suprotnom od kazaljke na satu Rezolucija reluktantnog višepaketnog koračnog motora Nk = z n f, [ kor / o] , o αk = = / kor Nk z n f z broj zubiju po fazi, n f broj faza Primjer (prethodna slika): z = 6, n f = 3 Nk = 63 = 18 [ kor / o] 360 o αk = = 20 / 18 kor Aksijalni zračni raspor: - Rotor u obliku diska - Znatno manji moment inercije -Veći moment motora 11 Hibridni koračni motori Rade na principu koračnih motora sa stalnim magnetima na rotoru i reluktatntnih koračnih motora Stalni magneti na rotoru aksijalno (slika) Rezolucija Nr Ns Nk = N N s r [ kor o], / 360, o αk = / kor N k Primjer (slika): N r =10, N s = Nk = = 40 kor/o o αk = = 9 /kor 40 MDD 0202 (ISKRA): N r =50, N s =40 N k =200, α k =1.8 o U n =12 V, I n =0.27 A, M 0 =9 Ncm 12

7 Osnovni elementi slijednog sustava s koračnim motorom u otvorenoj petlji Upravljački uređaj izvodi algoritam upravljanja režim rada motora Kontroler stanja faza određuje redoslijed uključenja faza i smjer gibanja Pojačalo snage osigurava nominalan napon i struju svake faze Točnost pozicioniranja određena iznosom koraka i momentom tereta Brzina vrtnje jednaka je frekvenciji upravljačkih impulsa Pomak proporcionalan broju upravljačkih impulsa Osnovni nedostaci: Maksimalna brzina nije velika (velika zaliha momenta zbog pouzdanosti rada) Nije moguće upravljati oscilacijama brzine vrtnje i pozicijom pri zaletu i zaustavljanju Povećanje brzine vrtnje moguće uvođenjem povratne veze s davača impulsa direktno na kontroler stanja faza upravljački uređaj je izvan zatvorene petlje Kontroler stanja faza daje nalog za sljedeći korak čim se izvrši prethodni korak Moguće je smanjiti potrebnu zalihu momenta 13 Upravljanje slijednim sustavom s koračnim motorom u zatvorenoj petlji Povratna veza s davača impulsa na upravljački uređaj Poboljšava se momentna karakteristika (optimalno upravljanje) Povećana je brzina vrtnje Smanjena je zaliha momenta Nedostatak zbog korištenja davača impulsa značajno veća cijena sustava Rješenje umjesto davača impullsa mogu se koristiti električki signali (napon i struja faze) za određivanje položaja i brzine vrtnje. Pojačala snage unipolarna i bipolarna Za napajanje svake faze koristi se zasebno pojačalo snage Unipolarna pojačala protjecanje struje u jednom smjeru i njezino isključenje Primjer: Faza motora u kolektorskom krugu tranzistora koji radi kao sklopka Bipolarna pojačala protjecanje struje u oba smjera (mogu biti s bipolarnim i unipolarnim izvorom napajanja) Za pouzdan rad treba onemogućiti kratki spoj tranzistora (prvo sigurno gašenje prvog tranzistora, a tek onda uključenje drugog) vidi sliku Bipolarno pojačalo s jednostrukim izvorom napajanja mosni (H) spoj tranzistora 14

8 Unipolarrno pojačalo (lijevo gore) Bipolarno pojačalo (lijevo dolje) Način uklapanja napona (desno gore) Mosni (H) spoj pojačala 1 faze motora (desno dolje) 15 Načini ubrzanja smanjenja struje Za vrijeme isključenja se na tranzistoru pojavljuje napon u CE proporcionalan L f di f /dt Ovaj napon je puta veći od napona faze U Za zaštitu tranzistora i ubrzanje smanjenja struje, paralelno namotu faze spaja se - dioda i otpornik - zener dioda i dioda Ako je samo dioda spojena paralelno namotu, tada: Tranzistor vodi dioda nepropusno polarizirana Tranzistor presstaje voditi dioda vodi Maksimalni napon na tranzistoru U CEm je približno jednak U Vremenska konstanta smanjenja struje T = T f = L f /R f Disipacija energije na R f Primjenjuje se kod manjih brzina vrtnje sporije smanjenje struje prigušuje odziv koraka Dioda i otpornik U CEm > U, T = L f /(R f + R p ), disipacija na R f i R p, primjenjuje se kad se žele postići veće brzine vrtnje Zener dioda i dioda (vidi sliku) U CEm = U + U D + U z, brzina smanjenja struje veća nego kod diode i otpornika (napon zener diode kao aktivni napon), disipacija energije na zener diodi i namotu faze 16

9 Povećanjem brzine vrtnje, zbog djelovanja L f i e, struja i moment motora se smanjuju (i f < I n, M < M 0 ) Povećanjem brzine porasta struje povećava se iznos struje i momenta motora na većim brzinama vrtnje Metode povećanja brzine porasta struje - dodatni serijski otpor R s - dvostruki napon napajanja (impulsno forsiranje struje) - regulacija struje faze Dodatni serijski otpor -koeficijent forsiranja k F =(R f + R s )/ R f -Napon napajanja U= k F U n -Vremenska konstanta L f /(R f + R s ) = T f /k F -Prijelazna pojava struje k F puta brža -Nedostatak je velika disipacija snage na serijskom otporu manji koeficijent korisnosti 17 Dvostruki napon napajanja -Prijelazna pojava struje faze je brža nego kod dodatnog serijskog otpora uz isti iznos napona U = 2U n -Isključenje napona U 1 i uključenje napona U 2 može se obaviti kada struja poprimi nominalnu vrijednost ili nakon vremena t F -Nedostaci: potrebna su 2 izvora napajanja, na većim brzinama vrtnje napon U 2 = U n nije dovoljan za postizanje nominalne struje (zbog e i L f ) napon U 2 može se koristiti samo kada motor stoji Regulacija struje faze Principi regulacije struje: - Maksimalna vrijednost struje (konstantno vrijeme isključenja tranzistora) - Srednja vrijednost struje (histerezni regulatori I = I m I min, I n = (I m + I min )/2 ) Regulacija maksimalne struje je jednostavnija pa se više koristi za koračne motore male snage integrirani sklopovi 18

10 Vrijeme isključenja tranzistora t i je konstantno, ali se može podešavati Vrijeme uključenja tranzistora t u ovisi o vremenskoj konstanti faze T f i naponu U Frekvencija oscilacija f o = 1/(t i + t u ) područje vrijednosti khz Integrirani sklopovi za pojačala snage ULN 20xx, USN 20xx 7 Darlington pojačala i dioda ULN 28xx, USN 28xx 8 Darlington pojačala i dioda I m = 0.5 A, U m = 50 V PIC Darlington pojačala i diode I m = 5 A, U m = 60, 80, 100 V (mosni spoj za napajanje jedne faze koračnog motora) L298 2 mosna spoja pojačala I m = 2 A, U m = 50 V (napajanje dvije faze koračnog motora) 19 Kontroleri stanja faza Osnovni zadatak pretvorba upravljačkih impulsa u višekanalni (prema broju faza) niz impulsa za pojačala snage Zahtjevi: -formiranje niza impulsa uz minimalni broj elemenata, - rad u vrlo širokom području frekvencija, uključivo i mogućnost dugotrajnog pamćenja stanja, -Mogućnost promjene smjera, u bilo kojem trenutku, bez gubitka informacije - Velika pouzdanost rada (izgubljena informacija može se nadoknaditi samo u pogonima s povratnom vezom položaja). Načini promjene smjera gibanja: -jedan ulaz za impulse naprijed, a drugi ulaz za impulse natrag vidi sliku -Jedan ulaz za impulse koraka, a drugi ulaz za signal smjera vidi sliku 20

11 Ovisno o ukupnom broju uključenih faza komutacija može biti: -simetrična (uključen uvijek isti broj faza) - nesimetrična (uključen različiti broj faza) Četverofazni koračni motor -simetrične komutacije: -Uključena samo jedna faza -Uključene po dvije faze -Uključene po tri faze -Nesimetrične komutacije: -Uključene maksimalno dvije faze -Uključene maksimalno tri faze. Kontroleri stanja faza mogu se napraviti pomoću: -reverzibilnog brojila -posmačnog registra Integrirane izvedbe kontrolera stanja faza L297 omogućava: - kontrolu stanja faza motora s unipolarnim napajanjem (4 faze) -kontrolu stanja faza motora s bipolarnim napajanjem (2 faze) -primjenu simetrične (FULL STEP) i nesimetrične (HALF STEP) komutacije 21 PBL 3717 sadrži: -kontroler stanja jedne faze -pojačalo snage (mosni spoj) -logičke ulaze I o, I 1 za regulaciju struje faze (0; 0.2; 0.6; 1)I n 8 mikrokoraka -maksimalne vrijednosti napona i struje: U m = 45 V, I m = 1 A CY 500 namijenjen za upravljanje: -četverofaznog unipolarno napajanog koračnog motora -dvofaznog bipolarno napajanog koračnog motora -čip ima mogućnosti: -generiranja programa (22 instrukcije) -generiranja funkcije zaleta i zaustavljanja -gibanja s punim i pola koraka. Upravljački uređaj Djeluje na pokazatelje kvalitete upravljanja pogonom: -maksimalna brzina -točnost pozicioniranja -kvaliteta gibanja 22

12 Algoritmi upravljanja u otvorenoj petlji -zalet i zaustavljanje Algoritmi zaleta u zatvorenoj petlji -P, PI, PID -optimalni -maksimalna brzina gibanja minimalno trajanje prijelazne pojave (pozicioniranja) -kvaliteta gibanja minimalno nadvišenje (mikrokoračanje, prigušenje gibanja) Mikroračunalo kao upravljački uređaj integracija pogona i mikroračunala Funkcije: - upravljačkog uređaja -kontrolera stanja faza -obrade signala davača impulsa -regulacije struje faze PLC kao upravljački uređaj Funkcijski moduli FM253 i FM353 za Simatic S7 23 Rješenje sustava upravljanja dvoosnim slijednim sustavom s koračnim motorima Zadatak pakiranje gotovih proizvoda u kartonsku ambalažu 24