Ηλεκτρικοί Κινητήρες μικρής ισχύος, δομή και έλεγχος Ενότητα 5:Βηματικοίκινητήρες Επαμεινώνδας Μητρονίκας Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών
Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο πουδεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο πουδεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου καιαδειοδόχοέμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχοξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 2
Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 3
Άδειες χρησης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης CreativeCommons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 4
Περιεχόμενα 1. Εισαγωγή στους κινητήρες μικρής ισχύος 2. Ασύγχρονοι κινητήρες μονοφασικής τροφοδοσίας 3. Ασύγχρονοι κινητήρες µε ιδιόμορφους πόλους 4. Σύγχρονοι κινητήρες 5. Βηματικοίκινητήρες 6. Κινητήρες τύπου Universal 5
Σκοποί ενότητας Παρουσίαση των κατασκευαστικών χαρακτηριστικών των βηματικών κινητήρων Παρουσίαση των λειτουργικών χαρακτηριστικών των βηματικών κινητήρων Παρουσίαση των διατάξεων που χρησιμοποιούνται για την οδήγηση των βηματικών κινητήρων 6
Οι βηματικοί κινητήρες αποτελούν σήμερα μια ιδιαίτερα διαδεδομένη μορφή μικρών ηλεκτρικών κινητήρων, που χρησιμοποιείται σε συσκευές στις οποίες βασική απαίτηση είναι ο ακριβής έλεγχος της θέσης ενός περιστρεφόμενου άξονα, με ακρίβεια και χωρίς τη βοήθεια επιπρόσθετου αισθητήρα θέσης. Τα βασικότερα χαρακτηριστικά των βηματικών κινητήρων είναι: Οδηγούνται με κατάλληλους παλμούς τάσης. Κάθε παλμός αντιστοιχεί σε συγκεκριμένη γωνία στροφής του δρομέα, η οποία εξαρτάται αποκλειστικά από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του κινητήρα. Για το λόγο αυτό είναι δυνατός ο έλεγχος της θέσης του δρομέα χωρίς την ανάγκη τοποθέτησης αισθητήρων, δίνοντας τον απαραίτητο αριθμό παλμών. Σε χαμηλές ταχύτητες λειτουργίας επιτυγχάνονται μεγάλες τιμές ροπής Με κατάλληλη παλμοδότηση είναι δυνατό να επιτευχθεί η αναγκαία ροπή συγκράτησης (ροπή σε ακινησία), ιδιότητα πολύ χρήσιμη για εφαρμογές όπως π.χ. οι ρομποτικοί βραχίονες. 7
Εφαρμογές Μηχανισμοί ελέγχου θέσης της κεφαλής σε εκτυπωτές και σε σχεδιογράφους Μονάδες ανάγνωσης (οπτικοί δίσκοι) Συστήματα αριθμητικού ελέγχου (CNC) Ρομπότ Φωτοτυπικά μηχανήματα Fax Δορυφόροι Διαστημικά οχήματα Ιατρικά όργανα Μηχανές συσκευασίας τροφίμων Συστήματα αυτόματης βαφής Ρολόγια Κάμερες Χρονοδιακόπτες 8
Αρχή λειτουργίας Η λειτουργία του βηματικού κινητήρα βασίζεται στην ηλεκτρομαγνητική δύναμη που αναπτύσσεται όταν ο πόλος ενός ηλεκτρομαγνήτη πλησιάζει ένα μεταλλικό οπλισμό ή ένα μόνιμο μαγνήτη. Με κατάλληλο σχεδιασμό του κινητήρα, η ροπή που αναπτύσσεται με κάθε παλμό που δίνεται στο κατάλληλο τύλιγμα του στάτη, έχει ως αποτέλεσμα την περιστροφή του δρομέα κατά καθορισμένη γωνία. 9
Αρχή λειτουργίας (1/2) Η λειτουργία του βηματικού κινητήρα βασίζεται στην ηλεκτρομαγνητική δύναμη που αναπτύσσεται όταν ο πόλος ενός ηλεκτρομαγνήτη πλησιάζει ένα μεταλλικό οπλισμό ή ένα μόνιμο μαγνήτη. Με κατάλληλο σχεδιασμό του κινητήρα, η ροπή που αναπτύσσεται με κάθε παλμό που δίνεται στο κατάλληλο τύλιγμα του στάτη, έχει ως αποτέλεσμα την περιστροφή του δρομέα κατά καθορισμένη γωνία. 10
Αρχή λειτουργίας (2/2) Ο πιο συνηθισμένος τύπος βηματικού κινητήρα που διατίθεται στο εμπόριο είναι ο τετραπολικός κινητήρας. Ο κινητήρας αυτός, έχει τέσσερα τυλίγματα, τα οποία λειτουργούν ως ζεύγη. Έτσι τα τυλίγματα Α και Αc παλμοδοτούνται με τέτοιο τρόπο ώστε να αναπτύσσουν αντίθετη μαγνητική ροή. Για να απλοποιήσουμε την περιγραφή της λειτουργίας, στους παρακάτω πίνακες, αντιστοιχίζουμε την κατάσταση αγωγής του κάθε ζεύγους με τις δυαδικές τιμές: Α 0 0 Η φάση δεν παλμοδοτείται 0 1 Ο βόρειος πόλος στο 1 0 Ο βόρειος πόλος στο Α 11
Δεξιόστροφη περιστροφή του δρομέα με τροφοδοσία ενός μόνο ζεύγους Α Α Β Β (α) 0 0 1 0 (β) 0 1 0 0 (γ) 0 0 0 1 (δ) 1 0 0 0 (α) (β) 12
Δεξιόστροφη περιστροφή του δρομέα με τροφοδοσία ενός μόνο ζεύγους Α Α Β Β (α) 0 0 1 0 (β) 0 1 0 0 (γ) 0 0 0 1 (δ) 1 0 0 0 (γ) (δ) 13
Δεξιόστροφη περιστροφή του δρομέα με ταυτόχρονη τροφοδοσία δύο ζευγών Α Α Β Β (α1) 0 1 1 0 (β1) 0 1 0 1 (γ1) 1 0 0 1 (δ1) 1 0 1 0 (α1) (β1) 14
Δεξιόστροφη περιστροφή του δρομέα με ταυτόχρονη τροφοδοσία δύο ζευγών Α Α Β Β (α1) 0 1 1 0 (β1) 0 1 0 1 (γ1) 1 0 0 1 (δ1) 1 0 1 0 (γ1) (δ1) 15
Αριστερόστροφη περιστροφή του δρομέα με τροφοδοσία ενός μόνο ζεύγους Α Α Β Β (α) 0 0 1 0 (β) 1 0 0 0 (γ) 0 0 0 1 (δ) 0 1 0 0 (α) (β) 16
Αριστερόστροφη περιστροφή του δρομέα με τροφοδοσία ενός μόνο ζεύγους Α Α Β Β (α) 0 0 1 0 (β) 1 0 0 0 (γ) 0 0 0 1 (δ) 0 1 0 0 (γ) (δ) 17
Αριστερόστροφη περιστροφή του δρομέα με ταυτόχρονη τροφοδοσία δύο ζευγών Α Α Β Β (α1) 0 1 1 0 (β1) 1 0 1 0 (γ1) 1 0 0 1 (δ1) 0 1 0 1 (α1) (β1) 18
Αριστερόστροφη περιστροφή του δρομέα με ταυτόχρονη τροφοδοσία δύο ζευγών Α Α Β Β (α1) 0 1 1 0 (β1) 1 0 1 0 (γ1) 1 0 0 1 (δ1) 0 1 0 1 (γ1) (δ1) 19
Είδη βηματικώνκινητήρων (1/3) Βηματικοί κινητήρες με μόνιμο μαγνήτη. Ο δρομέας είναι κατασκευασμένος από μόνιμο μαγνήτη που δημιουργεί μόνιμους μαγνητικούς πόλους. Βηματικοί κινητήρες μεταβλητής επαγωγικής αντίδρασης. C Α B B C --------------------------------------------------- Α 20
Είδη βηματικώνκινητήρων (2/3) Υβριδικοί βηματικοί κινητήρες. Οι κινητήρες αυτοί συνδυάζουν τις χαρακτηριστικές οδοντώσεις της μηχανής μεταβλητής επαγωγικής αντίδρασης και το μόνιμο μαγνήτη στο δρομέα. B Α Α Μόνιμος μαγνήτης B 21
Είδη βηματικώνκινητήρων (3/3) Διπολική σύνδεση τυλιγμάτων: Τα δυο τυλίγματα του ίδιου ζεύγους συνδέονται σε σειρά και με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε όταν διαρρέονται από το ίδιο ρεύμα να δημιουργούν μαγνητικό πεδίο ίδιας φοράς. Έτσι, όταν για παράδειγμα δημιουργείται ένας βόρειος πόλοςστοα,στοα δημιουργείταιέναςνότιος. Επομένως, ένας κινητήρας με διπολική σύνδεση (bipolar motor) έχει 4 ακροδέκτες. Μονοπολική σύνδεση: Στη μονοπολική σύνδεση, διαρρέεται από ρεύμα ένα εκ των δυο τυλιγμάτων του ζεύγους κάθε φορά. Σε αυτή τη σύνδεση τα δυο τυλίγματα έχουν ένα κοινό άκρο(συνήθως συνδεδεμένο στην τροφοδοσία). Ένας κινητήρας με μονοπολική σύνδεση (unipolar motor) έχει συνήθως 6 ακροδέκτες. Επειδή αυτή η τοπολογία δεν απαιτεί αναστροφή της πολικότητας στα τυλίγματα, το κύκλωμα ελέγχου που απαιτείται είναι πιο απλό. 22
Βηματικήγωνία Η βηματική γωνία αποτελεί χαρακτηριστικό μέγεθος του βηματικού κινητήρα. Αν στο βηματικό κινητήρα εφαρμοστούν παλμοί τάσης εναλλάξ στις φάσεις αυτού, ο δρομέας του κινητήρα αυτού εκτελεί ένα βήμα για κάθε παλμό. Ηγωνίαπουαντιστοιχείσεαυτότοβήμαονομάζεταιβηματικήγωνίακαι θα συμβολίζεται με θs. θ S 360 = S o 23
Βηματικήγωνία Τα χαρακτηριστικά μεγέθη των βηματικών κινητήρων όσον αφορά την ανάπτυξη ροής και ταχύτητας είναι τα ακόλουθα: Μέγιστη συχνότητα εκκίνησης: Ονομάζεται η μέγιστη συχνότητα παλμοδότησης υπό την οποία ο κινητήρας μπορεί να εκκινήσει χωρίς φορτίο χωρίς να χάνει βήματα Μέγιστη συχνότητα λειτουργίας: Ονομάζεται η μέγιστη συχνότητα υπό την οποία ο κινητήρας μπορεί να περιστρέφεται χωρίς να χάνει βήματα. Μέγιστη ροπή εκκίνησης είναι η μέγιστη ροπή που μπορεί να αναπτυχθεί στον άξονά του κινητήρα κατά την εκκίνηση του χωρίς να χάνονται βήματα. Μέγιστη ροπή λειτουργίας είναι η μέγιστη ροπή που μπορεί ν αναπτύξει ο βηματικός κινητήρας υπό φορτίο χωρίς να χάνει βήματα. Ροπή συγκράτησης: Ένα από τα σημαντικά λειτουργικά πλεονεκτήματα του βηματικού κινητήρα είναι η δυνατότητά του ν αναπτύσσει ροπή στην ακινησία, εφόσον διεγερθεί κατάλληλα με συνεχόμενους παλμούς. Η μέγιστη ροπή που μπορεί να εφαρμοστεί εξωτερικά σε συνθήκες ακινησίας χωρίς να μεταβάλλεται η κινητική του κατάσταση ονομάζεται ροπή συγκράτησης. Ροπή ηρεμίας: Ειδικά στην περίπτωση του βηματικού κινητήρα με μόνιμο μαγνήτη, μια μικρή ροπή συγκράτησης αναπτύσσεται λόγω της ύπαρξης του μόνιμου μαγνήτη, χωρίς ο κινητήρας να είναι διεγερμένος. 24
Ροπή Τα χαρακτηριστικά μεγέθη των βηματικών κινητήρων όσον αφορά την ανάπτυξη ροής και ταχύτητας είναι τα ακόλουθα: Μέγιστη συχνότητα εκκίνησης: Ονομάζεται η μέγιστη συχνότητα παλμοδότησης υπό την οποία ο κινητήρας μπορεί να εκκινήσει χωρίς φορτίο χωρίς να χάνει βήματα Μέγιστη συχνότητα λειτουργίας: Ονομάζεται η μέγιστη συχνότητα υπό την οποία ο κινητήρας μπορεί να περιστρέφεται χωρίς να χάνει βήματα. Μέγιστη ροπή εκκίνησης είναι η μέγιστη ροπή που μπορεί να αναπτυχθεί στον άξονά του κινητήρα κατά την εκκίνηση του χωρίς να χάνονται βήματα. Μέγιστη ροπή λειτουργίας είναι η μέγιστη ροπή που μπορεί ν αναπτύξει ο βηματικός κινητήρας υπό φορτίο χωρίς να χάνει βήματα. Ροπή συγκράτησης: Ένα από τα σημαντικά λειτουργικά πλεονεκτήματα του βηματικού κινητήρα είναι η δυνατότητά του ν αναπτύσσει ροπή στην ακινησία, εφόσον διεγερθεί κατάλληλα με συνεχόμενους παλμούς. Η μέγιστη ροπή που μπορεί να εφαρμοστεί εξωτερικά σε συνθήκες ακινησίας χωρίς να μεταβάλλεται η κινητική του κατάσταση ονομάζεται ροπή συγκράτησης. Ροπή ηρεμίας: Ειδικά στην περίπτωση του βηματικού κινητήρα με μόνιμο μαγνήτη, μια μικρή ροπή συγκράτησης αναπτύσσεται λόγω της ύπαρξης του μόνιμου μαγνήτη, χωρίς ο κινητήρας να είναι διεγερμένος. 25
Καμπύλη ροπής -στροφών 26
Τοπολογίες για την οδήγηση των βηματικώνκινητήρων 27
Τοπολογία γέφυρας 28
Μονοπολική τοπολογία 29
Μονοπολική τοπολογία τροφοδοσία ενός τυλίγματος 30
Μονοπολική τοπολογία 31
Τοπολογία με χρήση δύο επιπέδων τάσης 32
Παλμοδότησηβηματικώνκινητήρων Με μεθοδολογίες πλήρους βήματος (έχουν περιγραφεί παραπάνω). Με μεθοδολογία μισού βήματος. Αποτελείται από συνδυασμό των προηγούμενων που έχει ως αποτέλεσμα μισό βήμα σε κάθε παλμό. Για δεξιόστροφη περιστροφή α-α1-β-β1-γ-γ1-δ-δ1 Παλμοδότηση μικρού βήματος (ministepping και microstepping). 33
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στoπλαίσιο του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Πατρών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 34
Σημείωμα Ιστορικού ΕκδόσεωνΈργου Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.00. 35
Σημείωμα Αναφοράς CopyrightΠανεπιστήμιο Πατρών, Επαμεινώνδας Μητρονίκας2014. Επαμεινώνδας Μητρονίκας. «Ηλεκτρικοί Κινητήρες μικρής ισχύος, δομή και έλεγχος». Έκδοση: 1.0. Πάτρα 2014. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: https://eclass.upatras.gr/courses/ee711/. 36
Βιβλιογραφία [1].Helmut Moczala, JurgenDraeger, Hermann Krauss, Helmut Schock, Siegfried Tillner: Small Electric Motors, The Institution of Electrical Engineers, 1998. 37