Elektriese Aandryfstelsels 324

Elektriese Aandryfstelsels 324 Stappermotors Dr. P.J Randewijk Universiteit Stellenbosch Dep. Elektriese & Elektroniese Ingenieurswese Stephan J. Chapman Hoofstuk 9 (5 de Uitgawe) 1 / 24

Raamwerk 1 Stappermotors Inleiding n Eenvoudige Stappermotor Tipes Stappermotors Aandrywing van Stappermotor Uitkomste vir die lesing 2 / 24

Stappermotors Inleiding Gebruik vir posisie beheer, sonder terugvoering n Stapper motor beweeg in stappe, van 90 maksimaal tot so min as 0,9 op n slag. Kan vorentoe en agtertoe draai Groot voordeel Het nie posisie terugvoering nodig nie Groot nadeel Het n mikroverwerker plus elementêre drywingselektronika nodig Draaimoment is omgekeer eweredig aan spoed Resonasie kan plaasvind Tipiese gebruike CAD/CAM/CAE vervaardigingsmasjinerie X Y plotters Drukkers Skandeerders Fotokopieerders 3 / 24

Elementêre Stappermotor Elementêre Stappermotor L.W. Slegs een pool (i.e. N pool) per fase word getoon Om te begin, is skakelaar A TOE. Die rotor sal op lyn met pool 1 4 / 24

Elementêre Stappermotor (vervolg... ) Vir anti-kloksgewyse ( ccw ) rotasie Om die rotor 60 anti-kloksgewys te laat draai, moet skakelaar B toegemaak word Die onderste gedeelte van die rotor sal nou op lyn met pool 2 Om die rotor nog 60 anti-kloksgewys te laat draai, moet skakelaar C nou toegemaak word Die boonste gedeelte van die rotor sal nou op lyn met pool 3 Die skakel volgorde is dus A, B, C, A, B... 5 / 24

Elementêre Stappermotor (vervolg... ) Vir kloksgewyse ( cw ) rotasie Om die rotor 60 kloksgewys te laat draai, moet skakelaar C toegemaak word Die onderste gedeelte van die rotor sal nou op lyn met pool 3 Om die rotor nog 60 kloksgewys te laat draai, moet skakelaar B nou toegemaak word Die boonste gedeelte van die rotor sal nou op lyn met pool 2 Die skakel volgorde is dus nou A, C, B, A, C... 6 / 24

Stappermotors Traagheidsmoment & Meganiese las Die traagheidsmoment van die rotor & die gekoppelde las veroorsaak n oorskiet met gepaartgaande ossilasies Die spoed waarteen die rotor beweeg is eweredig aan die traagheid van die las, aangesien die rotor nie teen n konstante spoed draai nie, maar start stop loop... Draaimoment vs. Stroom Die ontwikkelde draaimoment is eweredig aan die grootte van die stroom Indien die draaimoment van die las die ontwikkelde draaimoment oorskry, word die rotor na die volgende pool oorgetrek 7 / 24

Stappermotors Start stop & Sleur tempo Die tempo waarteen die die stapper motor kan draai in stappe per sekonde [sps], hang af van die las se traagheidsmoment, sowel as die las se draaimoment Indien die die stapper egter teen n uniforme spoed draai, speel die draaimoment n kleiner rol, aangesien dit nie start stop hoef te loop nie. Ramping Vanaf stilstand moet die stappermotor se spoed geleidelik opgevat word tot by sy sleurspoed, i.e. dit moet geleidelik opramp Netso kan die stappermotor nie dood gestop word nie, die spoed moet geleidelik verminder word, i.e. dit moet geleidelik aframp 8 / 24

Tipe Stappermotors Tipes stappermotors Reluktansie Stappermotors Die rotor is net n gemasjineerde sagte yster-kern Die luggaping tussen die stator en die rotor nie oral dieselfde is nie, wat beteken dat die reluktansie varieer... Die rotor sal so draai en op-lyn met die gemagnetiseerde stator veld spoel om die reluktansie tussen die stator en die rotor te minimeer Die N S oriëntasie van die stator veld speel nie n rol nie Permanente Magneet stappermotors Die rotor bestaan nou net uit permanente magnete (i.e. vir n n multi-speek rotor) Die rotor sal draai totdat een van die rotor se pool pare met die gemagnetiseerde stator veld spoel op-lyn Die N S oriëntasie van die stator veld speel nou wel n rol 9 / 24

Tipe Stappermotors (vervolg... ) A.g.v. die permanente magnete in die rotor, sal die rotor pole op gelyn bly met die stator pole al word die krag van die stator ontkoppel. Dit staan bekend as die rus-/houmoment ( detent torque ) bekend. 10 / 24

Tipe Stappermotors (vervolg... ) Hibriede Stappermotors Die rotor bestaan nou uit twee speekpool sagte yster-kern rotors. Die twee rotors word n 1 poolsteek t.o.v. mekaar 2 georiënteer. n Aksiaal gepolariseerde permamentemagneet word tussen die twee speekpool rotors geplaas. Dit veroorsaak dat ál die pole op die één speekpool rotor N en ál die pole op die ander speekpool rotor S gemagnetiseer word. 11 / 24

Tipe Stappermotors (vervolg... ) Hibriede Stappermotors Dit is dié mees algemeenste stappermotor Baie klein stappies is moontlik, al het die stator slegs vier pole 12 / 24

Tipe Stappermotors (vervolg... ) 13 / 24

S N N S S N S N S N S N S N S N SN N S N S N S N S N S N S N S N S S NS NS N S N S N S N S N SN Die N- & S-rotorpole van vorige stapper motor grafies getoon. 14 / 24

Unipolêre Stappermotor Aandrywing Aandrywing van n Hibriede Stappermotor m.b.v. Unipolêre aandrywing Benodig twee stelle spoele per pool Indien A1 & A2 argumentshalwe kloksgewys om elke pool gedraai is, is 1A & 2A anti-kloksgewys gedraai Die vloed wat deur A1 & A2 veroorsaak word is dus in die teenoorgestelde rigting as die vloed veroorsaak deur 1A & 2A 15 / 24

Unipolêre Stappermotor Aandrywing (vervolg... ) A1 R ext 1A R ext B1 R ext 1B R ext V s + A2 D 1 2A D 2 B2 D 3 2B D 4 Q1 Q2 Q3 Q4 Die diodes D 1 tot D 4 is die vryloopdiodes vir skakelaars Q 1 tot Q 4 onderskeidelik Die eksterne weerstand R ext word benodig sodat die stroom vinnig na zero kan gaan nadat die MOSFET afgeskakel het (τ = L R ) Die gestoorde energie in die spoele word dus verkwis in die weerstande 16 / 24

Bipolêre Stappermotor Aandrywing Aandrywing van n Hibriede Stappermotor m.b.v. Bipolêre aandrywing Net een stel spoele per pool Vloed word omgedraai deur die stroomrigting om te draai Q1 Q3 Q5 Q7 V s + A1 A2 B1 B2 Q4 Q2 Q8 Q6 Die gestoorde energie in die spoele word terug gepomp in die toevoer 17 / 24

Stappermotors Bipolêre aandrywing (in vergelyking met n unipolêre aandrywing vir stappermotor van dieselfde grootte) Voordele: Een spoel per stator pool (i.e. motor is goedkoper) Maksimum draaimoment is groter, die MMK [N I ] groter is... Nadele: Elektroniese aandrywing is meer kompleks & duurder, meer skakelaars (i.e. MOSFETS) benodig word 18 / 24

Stappermotors (vervolg... ) Unipolêre aandrywing (in vergelyking met n bipolêre aandrywing vir stappermotor van dieselfde grootte) Voordele: Elektroniese aandrywing is baie eenvoudig & relatief goedkoop, minder skakelaars (i.e. MOSFETS) benodig word Nadele: Twee spoele per stator pool benodig (i.e. motor is duurder) Maksimum draaimoment is kleiner, die MMK [N I ] kleiner is... 19 / 24

Stappermotors Aandrywing van n Hibriede Stappermotor Vir Bipolêre of Unipolêre aandrywing, kan die stator winding op die volgende maniere geskakel word. Golf Aandrywing ( Wave Drive ) Bipolêre (Q1 & Q2), (Q5 & Q6), (Q3 & Q4), (Q7 & Q8),... Unipolêre Q1, Q3, Q2, Q4,... 20 / 24

Stappermotors (vervolg... ) Normale Aandrywing ( Normal Drive ) Bipolêre (Q1 & Q2) + (Q5 & Q6), (Q5 & Q6) + (Q3 & Q4), (Q3 & Q4) + (Q7 & Q8), (Q7 & Q8) + (Q1 & Q2)... Unipolêre Q1 + Q3, Q3 + Q2, Q2 + Q4, Q4 + Q1,... 21 / 24

Stappermotors (vervolg... ) Half-stap Aandrywing ( Half-step Drive ) 22 / 24

Stappermotors (vervolg... ) Bipolêre (Q1 & Q2), (Q1 & Q2) + (Q5 & Q6), (Q5 & Q6), (Q5 & Q6) + (Q3 & Q4), (Q3 & Q4), (Q3 & Q4) + (Q7 & Q8), (Q7 & Q8), (Q7 & Q8) + (Q1 & Q2)... Unipolêre Q1, Q1 + Q3, Q3, Q3 + Q2, Q2, Q2 + Q4, Q4, Q4 + Q1,... 23 / 24

Uitkomste vir die lesing Vir stapper motors moet jy nou: die verskillende soorte stappermotors ken. weet wat is die verskil tussen unipolêre - & bipolêre aandrywing. weet wat is die voordele - & nadele is van unipolêre - & bipolêre aandrywing. weet die verskillende aandryf metodes ken, i.e.: Golf aandrywing Normale aandrywing Half-stap aandrywing 24 / 24