E-Laboratórium 2 A léptetőmotorok alkalmazásai Elméleti leírás 1. Bevezető A szinkronmotorok csoportjában egy külön helyet a léptetőmotor foglal el, aminek a diszkrét működését, vagyis a léptetést, egy megfelelő felépítési és tápellátási rendszer jellemez. Lépcső tipusú feszültségimpulzusok vagy ezek kombinációinak hatására a gép fázistekercsei áramimpulzusokkal vannak ellátva. Ilyen módon a mágneses tér a vasmagban diszkrét elosztást mutat. Egyik pozicióból a másikba való átmenet, ami a motor szögelfordulását jelenti, direkt módon a mágneses tér diszkrét eloszlásának megváltozása hatására történik, vagyis a léptetőmotor a kapott lépcsőformájú impulzust, precízen meghatározott, diszkrét szögelmozdulássá alakítja. Tehát a léptetőmotort meg lehet határozni mint, diszkrét elektromehanikus impulzus/elmozdulás átalakító. A léptetőmotor a szinkron motorok csoportjába tartozik, mert a rotorelfordulás sebessége, az egységidő alatti lépések számával kifejezve, egyenes arányban függ a tápálási (gerjesztési) impulzusok frekvenciájával. Csak a léptetőmotor sajátossága az, hogy a teljes szögelfordulás ami egy jól meghatározott lépésszámból áll, egyhangulag jelképezi a motor fázisaira adott vezérlőimpulzusokat. Ebből következően a léptetőmotort meg lehet határozni mint egy numerikus integrátort, aminek az integrálási állandója egyenlő a vezérlő impulzusok frekvenciájának fordítottjával. A rotor végső helyzete megfelel az utoljára alkalmazott vezérlőimpulzusnak, és ez a helyzet megőrződik és eltárolódik a következő új vezérlőimpulzus megjelenéséig. Az impulzus/elmozdulás konverziójára vonatkozó, egyedi tulajdonság, társítva a pozició megörzésének a képességével, a léptetőmotort egy kitűnő végrehajtó elemmé teszi a helyzetszabályzó rendszerek számára a nyilhurkú rendszerekben, általánosan szólva, pozícióba hajtó rendszerekben. Egy másik tulajdonsága ami a klasszikus szinkronmotoroktól megkülönbözteti az az, hogy a munkatartományban, hirtelen indítást, megállást, irányváltást biztosít információ vesztés nélkül, vagyis lépéskihagyás nélkül. 2. Léptetőmotorok osztályozása Jelenleg a léptetőmotorokat, különböző teljesítménynek és sebességnek megfelelően széles tipustartományban építik. Az építési kritérium a motor mértani alakzatára és a mágneses szerkezetére vonatkozik. A léptetőmotorok szétválaszthatók mint: - változtatható reluktanciájú léptetőmotorok ( 1.a ábra); - állandó mágnesekkel rendelkező léptetőmotorok ( 1.b ábra); - hibrid léptetőmotorok ( 1.c ábra). A hibrid motorok, az első két építési tipus kombinációját képezik, vagyis egyaránt alkalmaznak állandó mágnest és változtatható reluktanciát. Léteznek speciális léptetőmotorok is, mint például a lineáris, az elektrohidraulikus, a piezoelektrikus léptetőmotorok, stb. 15
A. b. c. 1 Ábra. Léptetőmotorok. A változtatható mágneses reluktanciájú motor forgórésze lágyvasból készűl, a külső felületén kiemelkedésekkel. Ez a motortipus iparon kívüli alkalmazásokban hasznos, mint pl. egy mikro-slide pozícióba mozgatása. Az 1.a ábra által bemutatott motor 8 állópólust tartalmaz 4 fázistekerccsel AA 1, BB 1, CC 1, DD 1, mindegyik 2 azonos féltekercsből alkotva és megfelelően, átlósan a szembenfekvő pólusokra felhelyezve (AA 1, BB 1, stb.). Egy fázis gerjesztése (pl. AA 1 ) vonzó mágneses kölcsönhatást eredményez az állórész és a rotor között, ami a fogaknak a pólusokhoz való beállásához vezet, az A fázisnak megfelelően. A BB 1 fázistekercs betáplálásának hatására a rotor, egy 45 -os szögelfordulást végez. A folyamat a CC 1, DD 1, A 1 A, B 1 B,...fázistekercsek betáplálásával folytatódik, az óramutató járásának megfelelően. A fázisok sorrendjének a megfordításával, D-től az A fele, megfordíthatjuk a motor rotorjának a forgásirányát. Az állandó mágnessel rendelkező motrok nagy, 45 vagy 90 -os szögelfordulással, alacsony nyomatékot fejlesztve viszonylag kis sebességgel működnek. Ez a motor ideális megoldás iparon kívüli alkalmazásokban, mint pl. egy nyomtató kerekének a pozícióba való mozgatása. Az 1.b ábrán egy állórészen 4 fázissal rendelkező 90 -os szögelfordulású motor van feltüntetve (A-D). A négy fázist sorba betáplálva, a rotor, a mágneses mező változásainak függvényében forog, vagyis az alá a pólus alá áll be, amelyiknek a tekercse táplálva van. (2ábra). 2. Ábra. A motor működése az 1.b ábrából A hibrid motor a változtatható reluktanciájú és az állandó mágnessel rendelkező motor legjobb tulajdonságait ötvözi. Rotorjuk állandó mágnes és az állórészük fogazott pólusokból épűl. Magas dinamikus és statikus nyomatékot fejlesztenek, ezért széles skálán használják ipari alkalmazásokban. 16
A léptetőmotornak a s szögelfordulását az alábbi képlettel számoljuk ki : 360 s m Nr ahol m- az állórész fázisainak a számát, N r pedig a rotor fogainak a számát jelenti. (1) 3. A léptető motorok tekercsei A következő tekercstipusok léteznek: a. monofiláris egyetlen tekercs adott állópóluson (3.a Abra); b. bifiláris két rend azonos tekercs van mindegyik állópóluson. A tekercsekben ebben a konfigurációjában a motor működése, az áramnak, az egyik tekercsről a másikra való átvitelére van leegyszerüsítve. A tekercsek meneteinek ellenkező irányba való tekercselése, a rotorforgásirányának megváltozásához vezet. A monofiláris tekercsekkel rendelkező motorok esetében, a rotor forgásiranyának megváltoztatásához szükség van a tekercsen átfolyó áram irányának a megfordítására. Általában a bifiláris léptetőmotorok 8 véghuzallal rendelkeznek ami rugalmassá teszi a tekercseknek soros vagy párhuzamos kapcsolását. Léteznek még 6 véghuzallal rendelkező léptetőmotorok azokhoz az alkalmazásokhoz ahol a tekercseket sorbacsatolják (3.b Abra). a. b. 3. Ábra. Léptető motorok tekercs tipusai. 4. A léptetőmotorok vezérlésének módszerei A léptetőmotor vezérlési módja az alkalmazott meghajtó tipusától függ. A következő vezérlési módszerek léteznek: teljes szöglépés, fél lépés és mikrolépés vezérlés. 4.1. A teljeslépés vezérlés A tekercseknek, sorban egyenként való táplálásával jön létre a teljes szöglépés (4. Ábra). Következésképpen egy digitális bemenet a meghajtónál egyenértékű a rotornak egy szöglépésével. a. b. 4. Ábra. A teljes szöglépés vezérlése: a) a tekercsek gerjeszése; b) a tekercsekben folyó áramnak. 17
4.2. A féllépéses vezérlés Ebben az esetben megtáplálják az első tekercset, majd két-két tekercset (elsőt a másodikkal), ezt követően a második tekercset, a másodikat a harmadikkal, és így tovább. (5. Ábra). Figura 5. A féllépéses vezérlés. Ez a vezérlési mód ipari alkalmazásokban előnyös, még akkor is ha a nyomaték kisebb, viszont a járás egyenletesebb. 4.3. Mikrolépéses vezérlés Ez a vezérlési mód a tekercseken átfolyó áramnak a felügyeletén alapul úgy, hogy felosztják a pólusok közötti pozíciók számát (6 Ábra). Így egy 1,8 -os szöglépéssel rendelkező motor esetén 1/256 elmozdulást lehet elérni egy szöglépésből, tehát 51200 lépést a rotor teljes elfordulásának esetén. 6 Ábra. Mikrolépéses vezérlés. A mikrolépéseket azokban a nagysebességű alkalmazásokban használják ahol nagyfelbontású precíz pozícióbahajtás szükséges. 5. Léptetőmotorvezérlő kapcsolási rajzok Egy léptetőmotor vezérlőjének a kapcsolási rajza általában egy felhasználói interfészből, egy kontrollerből, egy meghajtóból és egy léptetőmotorból áll (7. Ábra). A kontroller egy mikroprocesszor, ami lépésimpulzusokat és irányjeleket generál a meghajtó számára. A meghajtó (erősítő) a kontrollertől érkező jeleket alakítja át, a motor tekercseinek ellátásához szükséges teljesítmennyé. 18
Magasszintű utasítás Léptető impulzusok A motor áramai Felhasználói interfész Kontroller Erősítő Motor 7. Ábra. A léptetőmotor vezérlőjének blokksémája. A léptetőmotor sebességre és nyomatékra vonatkozó teljesítménye az áramnak a meghajtótól a tekercsre való átvitelén alapúl. Az áram értéke és az idő ami alatt az áram a tekercsekre jut, a tekercsek induktivitásának értéke által határolt. Az induktivitás effektus elkerülése végett, a meghajtó áramkörei úgy vannak megtervezve, hogy a táplálásuk magasabb feszültségről történjék mint a normális feszültség. 6. A léptetőmotorok táplálásához használt meghajtók Ipari alkalmazásokban a bipoláris csoppereket használjákleginkább (8 Ábra), amik nagy teljesítményt és hatékonyságot nyújtanak. 8 Ábra. Bipoláris csopper a léptetőmotorok táplálására. A 8-as ábrán szereplő áramkört a motor egy fázisához használják (AA 1 ), egy adott pillanatban T1 és T4 tranzisztorok lévén nyitott állapotban. Az AA 1 tekercsen átfolyó áram irányának megfordításához a T2 és T3 tranzisztorokat kivezérlik. A D1 és D2 diódák a tranzisztorok védelmét szolgálják amikor azok záródnak. Az R ellenállás egy irányellenállás melynek szerepe, a motorárammal arányos reakciófeszültség megtartása. Az ellenállás a motor tekercsén átfolyó áramerősség növekedését figyeli mind addig, amíg az a kívánt értéket el nem éri. Ebben a pillanatban a felső tranzisztor lezár, és az áramkör az alsó tranzisztoron és az ennek megfelelő diódán keresztűl zárúl. 19