Osnovne karakteristike koračnih pogona - Telekomunikacije · PDF file• Grejanje,...
-
Upload
nguyenquynh -
Category
Documents
-
view
248 -
download
12
Transcript of 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
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 2
Elektromagnetni koračni pogoni
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, ...)
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 3
Elektromagnetni koračni pogoni
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
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 4
Elektromagnetni koračni pogoni
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
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 5
Elektromagnetni koračni pogoni
Tipovi koračnih motora
• Koračni motori sa permanentnim magnetima (PM-motori)
• Koračni motori sa promenljivom reluktancom (VR-motori)
• Hibridni koračni motori
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 6
Elektromagnetni koračni pogoni
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
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 7
Elektromagnetni koračni pogoni
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
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 8
Elektromagnetni koračni pogoni
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
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 9
Elektromagnetni koračni pogoni
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
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 10
Elektromagnetni koračni pogoni
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
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 11
Elektromagnetni koračni pogoni
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
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 12
Elektromagnetni koračni pogoni
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)
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 13
Elektromagnetni koračni pogoni
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
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 14
Elektromagnetni koračni pogoni
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
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 15
Elektromagnetni koračni pogoni
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)
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 16
Elektromagnetni koračni pogoni
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
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 17
Elektromagnetni koračni pogoni
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
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 18
Elektromagnetni koračni pogoni
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
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 19
Elektromagnetni koračni pogoni
Napajanje faznih namotaja koračnih motora
Bipolarno upravljanje
Unipolarno upravljanje
Rad sa polu-korakomRad sa punim korakom
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 20
Elektromagnetni koračni pogoni
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
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 21
Elektromagnetni koračni pogoni
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
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 22
Elektromagnetni koračni pogoni
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
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 23
Elektromagnetni koračni pogoni
Dijagrami ugao - vreme koračnih pogona za različite koračne frekvence
1o niska frekvenca 2o visoka frekvenca 3o previsoka frekvenca
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 24
Elektromagnetni koračni pogoni
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)
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 25
Elektromagnetni koračni pogoni
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
Univerzitet u Nišu • Mašinski fakultet • Katedra za mehatroniku i upravljanje 26
Elektromagnetni koračni pogoni
Vrste kretanja kod koračnih pogonaKretanje konstantom brzinom
Kretanje promenljivom brzinom
Prekidno kretanje konstantnom brzinom
Reverzibilno kretanje konstantom brzinom
Vremenski optimalno pozicioniranje