מבנה ובקרה של מנוע צעד

ישנם מספר רב של יישומי מנועי צעד בתחום התעשייתי, כגון בקרת אוטומציה, חיבורי רובוטים, בקרת מדפסת וכו'. הנפוצים ביותר הם מנועי צעד היברידיים. אחד המנועים הנפוצים ביותר הוא מנוע הצעד ההיברידי, שהוא גם הצורה של רוב מנועי הצעד שאנו באים איתם במגע על בסיס יומיומי. מבחינה קונספטואלית, מנועי צעד ומנועי סריגה משתנה ישנם קישורים והבדלים מסוימים, מאמר זה ידבר בתחילה על המבנה ועקרון העבודה של מנוע הסרבנות / מנוע צעד, וישווה את ההבדלים בין המנועים השונים.

1. מנוע סרבנות משתנה

מנוע סרבנות משתנה (Variable-Reluctance Machine) ידוע גם כמנוע סרבנות מיתוג, אולי הפשוט ביותר מבין כל מבנה המנוע של המנוע, על ידי הסטטור המצויד בפיתולי עירור ורוטור פרומגנטי עם מבנה קוטב קמור. לרוטור אין פיתולי סליל וללא מגנטים קבועים, והוא מסתמך על וריאציה של חוסר הרצון של הרוטור במיקומים שונים כדי ליצור כוח אלקטרומגנטי (dΨ/dθ).

אנו יודעים שהשטף המגנטי תמיד נוטה לחצות את הנתיב בחוסר הרצון הנמוך ביותר. כפי שמוצג באיור . 1.1, S1 S2 שולט בזרם מופעל וכיבוי, ו-VD1 VD2 היא דיודת המשכיות הנוכחית. המיקום המוצג במצב של AA' ו-aa' של הסרבנות המקסימלית, הסרבנות המינימלית של CC, אם שלב D מופעל בזמן זה, הרוטור יסתובב נגד כיוון השעון; אם שלב B מופעל בזמן זה, הרוטור יסתובב עם כיוון השעון; אם שלב A מופעל בזמן זה, הרוטור יישאר ללא שינוי. יש לציין כי מנועי סריגה מוחלפים אינם יכולים לממש את השינוי של כיוון סיבוב המנוע באמצעות שינוי כיוון הזרם, אלא באמצעות שינוי רצף האנרגיה כדי לממש את הסיבוב קדימה ואחורה של המנוע.

2. ממנועי סרבנות משתנים ועד למנועי צעד

מנועי חוסר רצון משתנה יכולים לחלק את זווית התנועה על ידי הגדלת מספר עמודי הסטטור והרוטור או מספר השלבים המופעלים של הסטטור בשל שיטת הבקרה המיוחדת שלהם (הולכה מתחלפת פעימה). יש מגוון של מבנים מחולקים כאלה עם מאפייני מומנט זוויתיים שונים, אז הם לא יידונו. במאמר זה, נחקור מספר מנגנונים נפוצים של תנועת דחיית משתנה, מממדים שונים, כדי לראות כיצד מנועי צעד בולטים מתוך אינספור מבני מנועי סריגה משתנים.

2.1 מנוע סריגה משתנה מסוג טירה

כפי שצוין קודם לכן, הגדלת מספר העמודים הבולטים יכולה לחלק את זווית התנועה, אך ככל שהעמודים הבולטים יותר יתפוס מקום רב בסליל, יעילות סליל המנוע מופחתת, ולא ניתן להגדיל את העמודים הבולטים ללא הגבלת זמן. במקרה של אותו מספר שלבי הנעה, על ידי חריטת שן קטנה על המוט הבולט, ניתן לחלק גם לפי זווית מרחק המכונה. כפי שמוצג באיור 2.1, מנוע סריגה משתנה מסוג תלת-של טירה- עם סטטור 6 קוטבים, 4 שיניים לכל קוטב ורוטור 28 קוטבים. אנרגיית סליל 1, סליל 2 וסליל 3 ברצף יכול להניע את הרוטור להסתובב עם מרחק צעד של 2/3 בכל צעד. ערכים צריכים להיות מתוכננים בהתאם ליחסי גלגל השיניים של עיצוב המנוע ואינם נדונים כאן.

סוג זה של מנוע משמש בדרך כלל במהירות נמוכה, מומנט גבוה ורזולוציית זוויתית מדויקת, מבנה זה כבר יכול להיקרא "מנוע צעד", מכיוון שהבקרה של מנוע זה, כמו גם ניתנת לניתוק מזיהוי המיקום, דרך כונן רצף הדופק יכול לממש בקרה חלקה יחסית.

איור 2.1 מנוע סריגה משתנה מסוג תלת-טירה-

2.2 מנועים רב-שלבים עם חוסר רצון משתנים

מנועי סרבנות משתנה המורכבים מרוטור יחיד עם פיתול רב-פאזי ידועים גם כ"מנועי סרבנות משתנה-יחידה. סוג נוסף של מנוע סריגה משתנה הוא רוטור וסטטור המחולקים למקטעים רבים, אותם ניתן לחלק מבלי להגדיל את מספר שלבי הסטטור, והם ידידותיים יותר למבנה המתפתל של הסטטור. אפשר להגדיר קטע עם פאזה אחת, מה שמבטל למעשה את הקצה המתפתל של המנוע הרב-פאזי. עבור מנועי n-מקטע, הרוטור או הסטטור של כל מקטע מסודרים ב-1/n מזווית גובה הקוטב שלו, וניתן לחלק את גובה הקוטב עוד יותר ב-n פעמים.

2.3 מנועי צעד היברידיים

במנוע סריגה משתנה פשוט, כיוון הסיבוב תלוי בתזמון זרם הדופק ובמבנה הסריגה של המנוע, ואינו מושפע מכיוון הזרם. בהיעדר זרם, לא ניתן לקבע את הרוטור במצב מסוים בגלל היעדר מומנט סרבנות, מה שמגביר עוד יותר את קושי השליטה. הוספת מגנטים קבועים למבנה מנוע הסרבנות המקורי המתחלף ליצירת מגנט קבוע או מנוע סריגה משתנה היברידי יכולה לשפר משמעותית את המומנט ודיוק המיקום של מנועי צעד, שהוא מבנה מנוע הצעד הנפוץ ביותר כיום.

כפי שמוצג באיור 2.2, מבנה מנוע הצעד ההיברידי דומה מאוד למנוע הסרבנות המשתנה מרובה-מקטעים, המוכנס בין שני המקטעים של המגנטים הקבועים של הרוטור, ניתן לראות בקצה הפרוקסימלי של הקוטב N-הקצה המרוחק של הקוטב S-. הסטטור יכול להיות מתוכנן כמבנה מנוע יחיד-, ונדרש רק הנעה דו--פאזית, מה שמפשט מאוד את מבנה המנוע והעלות. מספר זוגות עמודי הרוטור במנוע המוצג באיור הוא 3, כך שהזווית המכנית המתאימה למחזור חשמלי אחד היא 360/(2*3)=60.

כדי להקל על ההבנה, θ היא הזווית המכנית ורצף הנהיגה הספציפי:
θ=0~10, שלב 1 ושלב 2 מעבירים זרם חיובי בעל משרעת שווה בו-זמנית
θ=10~20, שלב 2 מעביר זרם חיובי בלבד
θ=20~30, שלב 1 מעביר זרם שלילי לבדו
θ=30~40, שלב 1 ושלב 2 מעבירים זרם שלילי בעל משרעת שווה בו-זמנית
θ=40~50, שלב 2 מעביר זרם שלילי לבדו
θ=50~60, שלב 1 מעביר זרם חיובי בלבד
הולכה מחזורית... ...

איור 2.2 מבנה מנוע צעד היברידי

3. בקרת מנוע צעד

כפי שמוצג באיור 3.1, ניתן לחלק את מבנה מעגל ההנעה של מנוע הצעד למנועים דו-קוטביים ולמנועים חד-קוטביים: מנועים חד-קוטביים דרך ההולכה המתחלפת של הפיתול כדי להשיג שינוי בכיוון השטף, מנועים דו-קוטביים דרך השליטה של ​​גשר H- כדי להשיג שינוי בכיוון הזרם כדי להשיג שינוי בשטף.

מנוע חד קוטבי צריך רק 4 כוח MOS, שליטה חד קוטבית של הזרם (מנקודת המבט של צינור MOS), אבל פיתול המנוע צריך עוד ברז אחד; מנוע דו-קוטבי פשוט יותר במבנה, שני פיתולים מנוצלים מאוד, אך יש להגדיל אותו ל-8 הספק MOS לנהיגה, ועלות הבקר תעלה.

איור 3.1 כונני מנוע צעד חד-קוטביים ודו-קוטביים

בנוסף לחלוקה המשנה במבנה המנוע, מנועי צעד יכולים לשלוט גם על דיוק החלוקה של מנוע הצעד על ידי שליטה בצורת הגל של הזרם. עקרון החלוקה הוא להכניס את הזרם הסינוסואידי המדומה בין זוויות הצעד הקטנות ביותר כדי לחלק את זוויות הצעד, מה שנקרא גם תת-חלוקת זרם.

איור 3.2 התמוטטות זרם כונן מנוע צעד

3.1 זרם לולאה סגורה

ההגדרה הנוכחית של מנוע הצעד צריכה להיקבע בהתאם לדרישת העומס, ככל שהעומס גדול יותר, זרם ההנעה צריך להיות גדול יותר, אך בקרת הלולאה הפתוחה של מנוע הצעד אינה יכולה לחוש את גודל העומס, מה שגורם לעתים קרובות לחוסר היעילות של כונן הלולאה הפתוחה-. חלוקת המשנה הנוכחית דורשת בקרה מדויקת של הזרם, הצורך ליצור לולאה סגורה של הזרם המבוקר, כלומר, פלט הזרם עבור מאפייני הזרם הקבוע; מצד שני, עקב השינוי הלא-ליניארי של ההתנגדות המגנטורית במנוע הצעד, הצורך לנטר תמיד את גודל זרם המוצא כדי למנוע מהליבה להרוות את הזרם הנגרם מאובדן השליטה. איור 3.3 להלן, עבור שבב נהג מנוע צעד TB67S109AFNG סכמטי של צורת גל בקרת זרם. Fchop עבור מחזור המיתוג הפנימי, דרך חלוקת התדרים של השעון הפנימי (Internal OSC).

שלבי בקרת הזרם הקבוע הספציפיים הם כדלקמן:
הגשר H-מוליך, הזרם עולה במהירות ל-NF, והשיפוע של עליית הזרם הוא VDC/Ls
הגיעו לנקודת הזרם שנקבעה NF, כבה את הגשר H-, הזרם מתחדש על ידי דיודת החידוש, ושיפוע הנפילה הוא -VDC/Ls (שינוי מהיר)
כאשר הזרם מגיע לערך הקו התחתון של נקודת הקביעה, שלטו בגשר H-כדי לקצר את סליל המשרן (בדרך כלל הגשר התחתון), ולשמור על זרם קבוע (שינוי איטי)
כאשר הזרם של נקודת ההגדרה משתנה, ה-H-מגשר דרך אותה אסטרטגיית בקרה כדי לשלוט בזרם בנקודת ההגדרה הנוכחית האחרונה כדי להישאר קבוע
כפי שמוצג באיור 3.4, היא צורת הגל הנמדדת של מנוע הצעד, אם ניתן לראות את חלוקת הדיוק של התחתון שלב ברור-כמו צורת הגל הנוכחית,. אם מידת החלוקה גבוהה מאוד, אזי הזרם קרוב יותר לזרם סינוסואידי, כפי שמוצג באיור 3.5.

איור 3.3 בקרת זרם TB67S109AFNG

איור 3.4 זרם נמדד של מנוע צעד (לא מחולק)

איור 3.5 זרם נמדד מנוע צעד (תת-חלוקה)

3.2 בקרת לולאה- פתוחה וסגורה- בלולאה

עם בקרת-לולאה פתוחה, מכיוון שאין משוב של מידע על מיקום הרוטור, למעשה לא ידוע אם המערכת עוקבת אחר הבקרה או לא. אם יש חריגות בעומס, קל לגרום למנוע הצעד לאבד צעדים. בחלק מהיישומים-בדיוק ובעלי{4}}ביצועים גבוהים, דרך המקודד או חיישני מיקום אחרים בחזרה למידע המיקום, כך שמערכת ההנעה המדרגית יכולה להיות אם אובדן הצעד התרחש או לא, אם אובדן הצעד יפצה על אובדן הדופק בבקרה של הבקרה גם קל יחסית למימוש.

תַקצִיר

מאמר זה מתאר בקצרה את המבנה הבסיסי של מנועי סריגה משתנים ואת התפתחותם למנועי צעד, ומשווה את המבנה והלוגיקת הבקרה של מספר מנועי צעד נפוצים. עיקרון בקרת מנועי צעד ופרטי הבקרה של החלוקה הנוכחית מוצגים כדי לספק הבנה מקיפה יותר של מנועי צעד.