Osnovne karakteristike koračnih pogona

Transcript

1 Osnovne karakteristike koračnih pogona Elektromagnetni koračni pogoni Rotor koračnog motora izvodi koračno kretanje Koračni ugao: α = 0, о Broj koraka po obrtaju: z = 360 o / α = Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 1

2 Primena koračnih pogona Tehnika štampe (pisaće mašine, štampači, ploteri, telefax-aparati) Računarska tehnika (floppy diskovi, hard diskovi, CD/DVD čitači i rezači) Grejanje, ventilacija i klimatizacija (otvaranje poklopaca, ventila i mlaznica) Automobilska tehnika (klima uređaji, podešavanje retrovizora, farova, sedišta,...) Foto i kino tehnika (upravlajnje blendama, pogon projektora, reflektora,...) Medicina (pumpe za infuziju, aparati za dijalizu,...) Robotika (koordinatni stolovi, manipulatori, roboti, automati,...) Merna tehnika i upravljanje (pozicioniranje primenom senzora,...) Zabava (igračke, laseri, reflektori,...) Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 2

3 Struktura koračnih pogona DC i AC servo pogoni: upravljanje preko povratne spege (feed-back contol) Koračni pogoni: upravljanje u otvorenom lancu (open-loop control) Struktura sa posebnim upravljačkim kolom Struktura sa upravljanjem preko mikroračunara Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 3

4 Elementi koračnih pogona Generator impulsa: generiše ulazne signale - signal koraka (i) i signal smera (R) Upravljačko kolo: pretvara ulazne signale (i,r) u upravljačke signale (y) Pojačivač: pojačava upravljačke signale (y) i napaja fazne namotaje koračnog motora Koračni motor: na osnovu ulaznih signala (i,r) izvodi koračno kretanje (α) u zadatom smeru Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 4

5 Tipovi koračnih motora Koračni motori sa permanentnim magnetima (PM-motori) Koračni motori sa promenljivom reluktancom (VR-motori) Hibridni koračni motori Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 5

6 Oblasti parametara koračnih motora Elektromagnetni koračni pogoni Parametar PM motori VR motori Hibridni motori Koračni ugao α ( o ) , , Moment držanja M H (Ncm) 0, Maksimalna polazna koračna frekvenca f A0max (khz)... 0, Maksimalna radna koračna frekvenca f B0max (khz) Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 6

7 Koračni motori sa permanentnim magnetima Stator: 2 dela, polovi u obliku kandži, delovi pomereni za polovinu polne podele Namotaji: 1 kalem za bipolarno odn. 2 kalema za unipolarno upravljanje Rotor: perm. magnet u obliku prstena, magnetiziran po obimu α = β r / 2 1,2 - statori sa kandžastim polovima, 2 - namotaji, 3 - rotor (prstenasti perm. magnet) Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 7

8 Koračni motori sa permanentnim magnetima Karakteristike: relativno jednostavna izrada mala snaga veoma povoljan odnos cena / snaga veliki koračni ugao Primena: automobilska tehnika grejanje, ventilacija i klimatizacija Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 8

9 Koračni motori sa promenljivom reluktancom Stator: polna podela statora se razlikuje od zupčaste podele rotora Namotaji: oko svakog pola, min. 3 faze, unipolarno ređe bipolarno upravljanje Rotor: reluktantni, od lima za veće, a masivan za manje koračne frekvence α = β r - β s 1 - stator sa polovima, 2 - unipolarni namotaji (broj pokazuje fazu), 3 - rel. rotor sa zupcima Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 9

10 Koračni motori sa promenljivom reluktancom Karakteristike: pogodan za izradu podložan mehaničkim oscilacijama relativno nizak stepen korisnog dejstva nema sopstveni moment držanja (u nepobuđenom stanju) Primena: danas od malog značaja Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 10

11 Hibridni koračni motori Stator: odgovara statoru koračnih motora sa promenljivom reluktancom Namotaji: odgovara namotajim koračnih motora sa promenljivom reluktancom Rotor: perm. magnet, aksijalno magnetiziran, oklopljen sa 2 zupčaste polne kape, polne kape međusobno pomerene za polovinu zupčaste podele, od lima za veće, a masivan za manje koračne frekvence α = β r - β s α 7 o α < 7 o 1 - stator sa polovima, 2 - bipolarni namotaji, 3 - zupčaste polne kape, 4 - perm. magnet Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 11

12 Hibridni koračni motori Karakteristike: najbolji parametri (odnos cena / snaga) za veće snage pogoršavaju se parametri, cena raste Primena: glavna oblast: α 1,8 o, M H 100 Ncm (računarska tehnika) veće snage za zadatke pozicioniranja (npr. robotika) Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 12

13 3-fazni i 5-fazni hibridni koračni motori Elektromagnetni koračni pogoni Karakteristike: rad sa vrlo malo oscilacija visok stepen korisnog dejstva veliki obrtni moment skupo bipolarno upravljanje α = β r - β s Primena: specijalni slučajevi (gde je cena u drugom planu) 1 - stator sa polovima, 2 - bipolarni namotaji, 3 - zupčaste polne kape, 4 - perm. magnet Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 13

14 Koračni ugao Za sve tipove koračnih motora može se izračunati prema jednačini: α = 360 o / 2pmk 2p p m k = 1 k = 2 broj polova magnetnog sistema kod PM koračnog motora broj zubaca rotora kod VR koračnog motora odnosno broj zubaca polne kape kod hibridnog koračnog motora broj magnetnih sistema za rad sa punim korakom za rad sa polu-korakom Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 14

15 Upravljanje koračnih motora Koračni motor je samo deo koračnog pogona i može ostvarivati svoju funkciju jedino uz adekvatno upravljanje Oba ulazna signala (signal koraka i signal smera) moraju se elektronski obraditi i pojačati, kako bi se omogućilo odgovarajuće napajanje faznih namotaja, da bi koračni motor mogao da generiše potrebni obrtni moment i koračno kretanje Koračni pogoni obično funkcionišu na principu 2 elektro-magnetna sistema, tako da je potrebno upravljačko kolo koje na osnovu 2 ulazna signala (i,r) generiše 4 upravljačka signala (y 1... y 4 ) Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 15

16 Režimi rada koračnih motora Rad sa punim korakom: pri svakom koraku napaja se isti broj faznih namotaja (istovremeno se 2 upravljačka signala menjaju) Rad sa polu-korakom: pri svakom koraku menja se broj faznih namotaja koji se napajaju uvek za jedan (samo se 1 upravljački signal menja) Rad sa punim korakom Rad sa polu-korakom Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 16

17 Unipolarno upravljanje struja u faznom namotaju može teći samo u jednom smeru promena smera magnetnog fluksa u magnetnom sistemu postiže se preko dva fazna namotaja koji su namotani u suprotnom smeru Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 17

18 Bipolarno upravljanje struja u faznom namotaju može teći u oba smera promena smera magnetnog fluksa u magnetnom sistemu postiže se preko samo jednog faznog namotaja kroz promenu smera struje Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 18

19 Napajanje faznih namotaja koračnih motora Rad sa punim korakom Rad sa polu-korakom Unipolarno upravljanje Bipolarno upravljanje Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 19

20 Obrtni moment koračnih motora Elektromagnetni koračni pogoni kombinacije napajanja faznih namotaja 0, ±4α,... stabilne radne tačke M m = 0, dm / dα < 0, E min ±2α,... labilne radne tačke M m = 0, dm / dα > 0, E max Kod preopterećenja koračnog motora (M m > M H ), za nepromenjeno napajanje faznih namotaja, dostiže se nova stabilna radna tačka, tj. nastupa koračna greška: ±4α Kod koračnih motora sa permanentnim magnetima i hibridnih koračnih motora postoji u nepobuđenom stanju sopstveni moment držanja: M s = (0, ,30) M H Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 20

21 Tačnost pozicioniranja koračnih motora Elektromagnetni koračni pogoni Uzroci: moment trenja (M r ) magneta i električna nesimetričnost tolerancije izrade Tačnost pozicioniranja: α = (0, ,10) α Tačnost pozicioniranja ( α) predstavlja najveće moguće odstupanje od idealnog položaja kod neopterećenog koračnog motora Kod realizacije više koraka greška tačnosti pozicioniranja se ne nagomilava Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 21

22 Dinamička jednačina kretanja koračnog pogona 2 d α dα M m = J + k 2 d + M r + dt dt M L M m J k d M r M L obrtni moment koračnog motora ukupni maseni moment inercije koeficijent prigušenja sistema moment trenja koračnog motora obrtni moment opterećenja Dijagram ugao - vreme koračnog pogona za jedan korak Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 22

23 Dijagrami ugao - vreme koračnih pogona za različite koračne frekvence 1 o niska frekvenca 2 o visoka frekvenca 3 o previsoka frekvenca Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 23

24 Radne karakteristike koračnog pogona Elektromagnetni koračni pogoni 1 - oblast start-stop koračne frekvence (f A ) 2 - oblast radne koračne frekvence (f B ) Faktor inercije: FI = J / J m = (J m + J L ) / J m f f = A( 2 ) A0( 2 )max f A f A0( 2 )max f A0 max f A0 max FI( 2 ) Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 24

25 Rad sa mikro-korakom Dijagrami ugao - vreme za 1 korak 1 - rad sa punim korakom 2 - rad sa mikro-korakom Prednosti: Dijagrami ugao - vreme za niz koraka veliki broj koraka po obrtaju (z 50000) miran rad sa malo oscilacija približno konst. brzina i obrtni moment Nedostaci: skupo upravljanje mala tačnost pozicioniranja Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 25

26 Vrste kretanja kod koračnih pogona Elektromagnetni koračni pogoni Kretanje konstantom brzinom Reverzibilno kretanje konstantom brzinom Kretanje promenljivom brzinom Vremenski optimalno pozicioniranje Prekidno kretanje konstantnom brzinom Univerzitet u Nišu Mašinski fakultet Katedra za mehatroniku i upravljanje 26