osnovne karakteristike koračnih pogona - telekomunikacije · pdf file• grejanje,...

Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 1

Elektromagnetni koračni pogoni

Osnovne karakteristike koračnih pogona

• Rotor koračnog motora izvodi koračno kretanje

• Koračni ugao: α = 0,36 ... 180 о

• Broj koraka po obrtaju: z = 360 o / α = 1000 … 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, ...)



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



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



Tipovi koračnih motora

• Koračni motori sa permanentnim magnetima (PM-motori)

• Koračni motori sa promenljivom reluktancom (VR-motori)

• Hibridni koračni motori



Oblasti parametara koračnih motora

... 40... 20... 5Maksimalna radna koračna frekvencafB0max (kHz)

... 3... 1... 0,5Maksimalna polazna koračna frekvencafA0max (kHz)

3 ... 10001 ... 500,5 ... 25Moment držanjaMH (Ncm)

0,36 ... 151,8 ... 306 ... 45Koračni ugaoα (o)

Hibridni motori

VR motori

PM motoriParametar



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

1,2 - statori sa kandžastim polovima, 2 - namotaji, 3 - rotor (prstenasti perm. magnet)

α = βr / 2



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



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

1 - stator sa polovima, 2 - unipolarni namotaji (broj pokazuje fazu), 3 - rel. rotor sa zupcima

α = βr - βs



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



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

1 - stator sa polovima, 2 - bipolarni namotaji, 3 - zupčaste polne kape, 4 - perm. magnet

α ≥ 7o α < 7o

α = βr - βs



Hibridni koračni motori

Karakteristike:

• najbolji parametri (odnos cena / snaga)• za veće snage pogoršavaju se parametri, cena raste

Primena:

• glavna oblast: α ≤ 1,8o, MH ≤ 100 Ncm (računarska tehnika)• veće snage za zadatke pozicioniranja (npr. robotika)



3-fazni i 5-fazni hibridni koračni motori

Karakteristike:

• rad sa vrlo malo oscilacija• visok stepen korisnog dejstva• veliki obrtni moment• skupo bipolarno upravljanje

Primena:

• specijalni slučajevi (gde je cena u drugom planu)

1 - stator sa polovima, 2 - bipolarni namotaji, 3 - zupčaste polne kape, 4 - perm. magnet

α = βr - βs



Koračni ugao

Za sve tipove koračnih motora može se izračunati prema jednačini:

α = 360o / 2pmk

2p broj polova magnetnog sistema kod PM koračnog motora

p broj zubaca rotora kod VR koračnog motora odnosno

broj zubaca polne kape kod hibridnog koračnog motora

m broj magnetnih sistema

k = 1 za rad sa punim korakom

k = 2 za rad sa polu-korakom



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 (y1 ... y4)



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



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



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



Napajanje faznih namotaja koračnih motora

Bipolarno upravljanje

Unipolarno upravljanje

Rad sa polu-korakomRad sa punim korakom



Obrtni moment koračnih motora

Kod preopterećenja koračnog motora (Mm > MH), 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: Ms = (0,05 ... 0,30) MH

1 ... 4 kombinacije napajanjafaznih namotaja

0, ±4α,... stabilne radne tačkeMm = 0 , dM / dα < 0 , Emin

±2α,... labilne radne tačkeMm = 0 , dM / dα > 0 , Emax



Tačnost pozicioniranja koračnih motora

Uzroci:

• moment trenja (Mr)• magneta i električna

nesimetričnost• tolerancije izrade

Tačnost pozicioniranja:

∆α = (0,02 ... 0,10) α

Tačnost pozicioniranja (∆α) predstavlja najveće moguće odstupanjeod idealnog položaja kod neopterećenog koračnog motora

Kod realizacije više koraka greška tačnosti pozicioniranja se ne nagomilava



Dinamička jednačina kretanja koračnog pogona

Lrd2

2

m MMdtdk

dtdJM +++=

αα

Mm obrtni moment koračnog motora

J ukupni maseni moment inercije

kd koeficijent prigušenja sistema

Mr moment trenja koračnog motora

ML obrtni moment opterećenja

Dijagram ugao - vreme koračnog pogona za jedan korak



Dijagrami ugao - vreme koračnih pogona za različite koračne frekvence

1o niska frekvenca 2o visoka frekvenca 3o previsoka frekvenca



Radne karakteristike koračnog pogona

Faktor inercije:

FI = J / Jm = (Jm + JL) / Jm

max0A

max)2(0AA)2(A f

fff =

)2(FIff max0A

max)2(0A ≈

1 - oblast start-stop koračne frekvence (fA)

2 - oblast radne koračne frekvence (fB)



Rad sa mikro-korakom

1 - rad sa punim korakom

2 - rad sa mikro-korakom

Prednosti:

• veliki broj koraka po obrtaju (z ≤ 50000)

• miran rad sa malo oscilacija

• približno konst. brzina i obrtni moment

Nedostaci:

• skupo upravljanje

• mala tačnost pozicioniranja

Dijagrami ugao - vreme za 1 korak

Dijagrami ugao - vreme za niz koraka



Vrste kretanja kod koračnih pogonaKretanje konstantom brzinom

Kretanje promenljivom brzinom

Prekidno kretanje konstantnom brzinom

Reverzibilno kretanje konstantom brzinom

Vremenski optimalno pozicioniranje

osnovne karakteristike koračnih pogona - telekomunikacije · pdf file• grejanje,...

Documents