After studying this chapter, you sh

After studying this chapter, you should be able to: • Explain what a stepper motor is, how it is different from a “regular” motor, and the applications it is used in. • Understand the basic parts and operation of the three kinds of stepper motors: permanent magnet, variable reluctance, and hybrid. • Differentiate between two-phase,three-phase,and four-phase stepper motors. • Understand the different operational modes—single-step versus slew, single- and dual-phase excitation, half-step, and microstepping. • Calculate the final position of a stepper motor, given the sequence of drive pulses. • Explain the operation of stepper motor driver circuits.
INTRODUCTION
A stepper motor is a unique type of DC motor that rotates in fixed steps of a certain number of degrees. Step size can range from 0.9 to 90°. Figure 8.1 illustrates a basic stepper motor, which consists of a rotor and stator. In this case, the rotor is a permanent magnet, and the stator is made up of electromagnets (field poles). The rotor will move (or step) to align itself with an energized field magnet. If the field magnets are energized one after the other around the circle, the rotor can be made to move in a complete circle. Stepper motors are particularly useful in control applications because the controller can know the exact position of the motor shaft without the need of position sensors. This is done by simply counting the number of steps taken from a known reference position. Step size is determined by the number of rotor and stator poles, and there is no cumulative error (the angle error does not increase, regardless of the number of steps taken). In fact, most stepper motor systems operate open-loop—that is, the controller sends the motor a determined number of step commands and assumes the motor
343
CHAPTER 8 Stepper Motors
goes to the right place. A common example is the positioning of the read/write head in a floppy disk drive. Steppers have inherently low velocity and therefore are frequently used without gear reductions. A typical unit driven at 500 pulses/second rotates at only 150 rpm. Stepper motors can easily be controlled to turn at 1 rpm or less with complete accuracy. There are three types of stepper motors: permanent magnet, variable reluctance, and hybrid. All types perform the same basic function, but some differences among them may be important in some applications.
8.1 PERMANENT-MAGNET STEPPER MOTORS
The permanent-magnet (PM) stepper motor uses a permanent magnet for the rotor. Figure 8.1 shows a simple PM stepper motor. The field consists of four poles (electromagnets). The motor works in the following manner:Assume the rotor is in the position shown with the south end up. When field coil 1 is energized, the south end of the rotor is attracted to coil 1 and moves toward it. Then field coil 1 is deenergized, and coil 2 is energized. The rotor pulls itself into alignment with coil 2. Thus, the rotor turns in 90° steps for each successive excitation of the field coils. The motor can be made to reverse by inverting the sequence. One desirable property of the PM stepper motor is that the rotor will tend to align up with a field pole even when no power is applied because the PM rotor will be attracted to the closest iron pole. You can feel this “magnetic tug” if you rotate the motor
344 CHAPTER 8
Figure 8.1 A PM 90 stepper motor.
S
N
N
S
N
S
2
Rotor
13
4
Stator consists of field poles (electromagnets)
by hand; it is called the detent torque, or residual torque. The detent torque is a desirable property in many applications because it tends to hold the motor in the last position it was stepped to, even when all power is removed. As mentioned earlier, one big advantage of the stepper motor is that it can be used open-loop—that is, by keeping track of the number of steps taken from a known point, the exact shaft position is always known. Example 8.1 demonstrates this.
Effect of Load on Stepper Motors For the open-loop concept to work, the motor must actually step once each time it’s commanded to. If the load is too great, the motor may not have enough torque to make the step. In such a case, the rotor would probably rotate a little when the step pulse was applied but then fall back to its original position. This is called stalling. If feedback is not used, the controller has no way of knowing a step was missed. Within each step, the torque developed by the stepper motor is dependent on the shaft angle. In fact, the torque on the rotor is actually zero when it is exactly aligned with an energized field coil. Figure 8.2 illustrates how the motor can only provide torque when the rotor is not aligned. The first frame of Figure 8.2 shows a rotor pole approaching an energized field pole. The actual force of attraction is between the south (S) end of the rotor and the north (N) end of the field pole. As the rotor pole approaches the field pole, the attraction force (F) gets stronger but the torque component (T) gets weaker. When the rotor is pointing directly at the field pole (last frame in Figure 8.2),
STEPPER MOTORS 345
EXAMPLE 8.1 A 15°/step stepper motor is given 64 steps CW (clockwise) and 12 steps CCW (counterclockwise). Assuming it started at 0°, find the final position.
SOLUTION After completing 64 steps CW and 12 steps CCW, the motor has ended up 52 steps CW (64 – 12 = 52). Because there are 24 15°-steps per revolution (360°/15° = 24),

24 5 s 2 te s p te s p /r s ev
= 2
1 6
= 2 rev +
1 6
rev
= 2 rev +
36 6 0°
= 2 rev + 60°
Therefore, the motor has made two complete revolutions and is now sitting at 60° CW from where it started.
the torque component is zero. In practice, this means that the rotor may come to a stop before it is completely aligned with the energized field pole, at the point where the diminishing step torque just equals the load torque. For the simple motor under discussion (Figure 8.1), the maximum torque occurs when the rotor is somewhere around 45° away from the field pole (second frame of Figure 8.2.) If the load exceeds this maximum motor torque, the rotor will quickly slip to 90° behind, and this might cause the motor to take a step backward instead of forward. Consider the situation in Figure 8.3(a) where the rotor has been stepping CCW and we have allowed it to lag a full step behind the energized pole (currently, pole 1).
346 CHAPTER 8
Figure 8.2 Torque goes to zero as the rotor aligns with the field pole.
S
N
N
S
N
N
S
N
N
S
N
N
FT
F T
F
( T = 0)
T
F
Figure 8.3 Illustrating what would happen if the rotor were allowed to lag a full step behind the field poles.
SN
SN SN S N
F
2
(a)
90°
1
2
(b)
?
1
The next pole to be energized in the CCW sequence is pole 2 [Figure 8.3(b)]. The first problem here is that the rotor is pointing directly away from pole 2, so there will be little or no torque exerted. The second problem is that, in this balanced condition, the rotor will be equally attracted in either direction and we cannot reliably predict if it will turn CW or CCW. For proper operation, the rotor lag must not be to allowed exceed one-half the step size, which would be 45° for the motor illustrated in Figure 8.3. This solves the preceding problems—namely, the motor will always turn in the direction it’s supposed to, and it will not stall. (Recall that stalling occurs when the motor is too weak to take a step.) In practical terms, the dynamic torque, which is the torque available when the motor is running, may only be about half of the maximum holding torque (the torque required to displace the rotor when stopped). There is an exception to this rule: When the rotor is stepping rapidly (called slewing), the inertia can be counted on to keep the rotor going in the right direction. Slewing is discussed in the next section.
Modes of Operation The stepper motor has two modes of operation: single step and slew. In the single-step mode or bidirectional mode, the frequency of the steps is slow enough to allow the rotor to (almost) come to a stop between steps. Figure 8.4 shows a graph of position versus time for single-step operation. For each step, the motor advances a certain angle and then stops. If the motor is only lightly loaded, overshoot and oscillations may occur at the end of each step as shown in the figure. The big advantage of single-step operation is that each step is completely independent from every other step—that is, the motor can come to a dead stop or even reverse direction at any time. Therefore, the controller has complete and instantaneous control of the motor’s operation. Also, there is a high certainty that the controller will not lose count (and hence motor position) because each step is so well defined. The disadvantage
STEPPER MOTORS 347
Figure 8.4 Position versus time for the single-step mode.
Time
Position(degrees)
1 step
of single-step mode is that the motion is slow and “choppy.”A typical single-step rate is 5 steps/second which translates to 12.5 rpm for a 15°/step motor. In the slew mode, or unidirectional mode, the frequency of the steps is high enough that the rotor does not have time to come to a stop. This mode approximates the operation of a regular electric motor—that is, the rotor is always experiencing a torque and rotates in a smoother, continuous fashion. Figure 8.5 shows a graph of position versus time for the slew mode. Although the individual steps can still be discerned, the motion is much less choppy than in single-step mode. A stepper motor in the slew mode cannot stop or reverse direction instantaneously. If attempted, the rotational inertia of the motor would most likely carry the rotor ahead a few steps before it came to rest. The step-count integrity would be lost. It is possible to maintain the step count in the slew mode by slowly ramping up the velocity from the single-step mode and then ramping down at the end of the slew. This means the controller must know ahead of time how far the motor must go. Typically, the s

Kết quả (Việt) 1:

Sau khi nghiên cứu chương này, bạn sẽ có thể: • giải thích những gì một động cơ stepper là, làm thế nào nó là khác nhau từ một động cơ "thường xuyên", và các ứng dụng đó là được sử dụng in • hiểu các bộ phận cơ bản và hoạt động của ba loại cơ stepper: Nam châm vĩnh cửu, biến miễn cưỡng, và hybrid. • Phân biệt giữa cơ stepper hai giai đoạn, giai đoạn ba, và bốn giai đoạn. • Hiểu các chế độ hoạt động khác nhau — bước duy nhất so với quay, kích thích duy nhất và hai giai đoạn, một nửa-bước, và microstepping. • Tính toán vị trí cuối cùng của một động cơ stepper, đưa ra trình tự lái xe xung. • Giải thích hoạt động của trình điều khiển động cơ stepper mạch. GIỚI THIỆUMột động cơ stepper là một loại độc đáo của động cơ quay trong bước cố định một số lượng nhất định của độ. Bước kích thước có thể dao động từ 0.9 đến 90°. Con số 8.1 minh hoạ một động cơ bước cơ bản, trong đó bao gồm một cánh quạt và stator. Trong trường hợp này, các cánh quạt là một nam châm vĩnh cửu, và stator được tạo thành của nam châm điện (trường cực). Các cánh quạt sẽ di chuyển (hoặc bước) để align chính nó với một nam châm trường tràn đầy sinh lực. Nếu các nam châm trường tràn đầy sinh lực một sau khi khác xung quanh vòng tròn, các cánh quạt có thể được thực hiện để di chuyển trong một vòng tròn hoàn chỉnh. Cơ stepper là đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng điều khiển bởi vì bộ điều khiển có thể biết vị trí chính xác của trục động cơ mà không cần thiết bị cảm ứng vị trí. Điều này được thực hiện bằng cách đơn giản chỉ cần đếm số lượng các bước thực hiện từ một vị trí nổi tiếng tham khảo. Bước kích thước được xác định bởi số lượng các cánh quạt và stator cực, và đó là không có lỗi tích lũy (lỗi góc không tăng, bất kể số lượng các bước thực hiện). Trong thực tế, hầu hết các hệ thống động cơ stepper hoạt động hở — có nghĩa là, bộ điều khiển sẽ gửi động cơ một số được xác định trong bước lệnh và giả định động cơ343Chương 8 cơ Stepperđi đúng nơi. Một ví dụ phổ biến là vị trí của người đứng đầu đọc/ghi vào một ổ đĩa mềm. Steppers có tốc độ hơi thấp và do đó thường được sử dụng mà không có bánh cắt giảm. Một đơn vị đặc trưng hướng 500 xung/thứ hai quay chỉ 150 rpm. Cơ stepper có thể dễ dàng được kiểm soát để biến tại 1 vòng/phút hoặc ít hơn với độ chính xác hoàn toàn. Có ba loại cơ stepper: Nam châm vĩnh cửu, biến miễn cưỡng, và hybrid. Tất cả các loại thực hiện chức năng cơ bản giống nhau, nhưng một số khác biệt trong số đó có thể là quan trọng trong một số ứng dụng. 8.1 CƠ STEPPER NAM CHÂM VĨNH CỬU Nam châm vĩnh cửu (PM) stepper motor sử dụng một nam châm vĩnh cửu cho các cánh quạt. Con số 8.1 cho thấy một PM đơn giản stepper motor. Lĩnh vực bao gồm bốn người Ba Lan (Nam châm điện). Động cơ hoạt động theo cách sau: giả sử các cánh quạt là ở vị trí Hiển thị với cuối phía Nam. Khi lĩnh vực coil 1 tràn đầy sinh lực, cuối phía nam của các cánh quạt bị thu hút bởi coil 1 và di chuyển về hướng đó. Sau đó trường cuộn 1 deenergized, và cuộn dây 2 tràn đầy sinh lực. Các cánh quạt kéo chính nó vào sự liên kết với coil 2. Vì vậy, các cánh quạt quay ở 90° bước cho mỗi kích thích liên tiếp của cuộn dây lĩnh vực. Động cơ có thể được thực hiện để đảo ngược bởi đảo ngược trình tự. Một mong muốn tài sản của động cơ stepper PM là các cánh quạt sẽ có xu hướng để sắp xếp với một cực trường ngay cả khi không có quyền lực được áp dụng bởi vì các cánh quạt PM sẽ được thu hút vào cực sắt gần nhất. Bạn có thể cảm thấy này "từ kéo" nếu bạn xoay xe máy344 CHƯƠNG 8Con số 8.1 một động cơ 90 stepper PM.SNNSNS2Cánh quạt134Stator bao gồm lĩnh vực cực (Nam châm điện)bằng tay; nó được gọi là mô-men xoắn detent, hoặc mô-men xoắn dư. Mô-men xoắn detent là một tài sản mong muốn trong nhiều ứng dụng vì nó có xu hướng giữ xe máy ở vị trí cuối cùng nó bước, ngay cả khi tất cả quyền lực được lấy ra. Như đã đề cập trước đó, một lớn ưu điểm của động cơ stepper là rằng nó có thể là sử dụng hở — có nghĩa là, theo dõi của số lượng các bước thực hiện từ một điểm nổi tiếng, vị trí chính xác trục luôn luôn được biết đến. Ví dụ 8.1 chứng tỏ điều này. Tác dụng của tải về bước động cơ cho các khái niệm hở để làm việc, động cơ phải thực sự bước một khi mỗi khi nó được chỉ huy để. Nếu tải là quá lớn, động cơ có thể không có mô-men xoắn đủ để làm cho bước đầu. Trong trường hợp này, các cánh quạt sẽ có thể xoay một chút khi bước xung được áp dụng, nhưng sau đó quay lại vị trí ban đầu. Điều này được gọi là trì hoãn. Nếu thông tin phản hồi không được sử dụng, bộ điều khiển có không có cách nào của biết một bước bị mất. Trong mỗi bước, mô-men xoắn phát triển bởi động cơ stepper là phụ thuộc vào góc trục. Trong thực tế, mô-men xoắn trên các cánh quạt là thực sự zero khi nó chính xác liên kết với một cuộn dây trường tràn đầy sinh lực. Con số 8.2 minh hoạ cách động cơ có thể chỉ cung cấp mô-men xoắn khi các cánh quạt không liên kết. Khung hình 8.2, đầu tiên cho thấy một cực cánh quạt tiếp cận một cực tràn đầy sinh lực lĩnh vực. Lực hấp dẫn, thực tế là giữa phía nam (S) cuối của các cánh quạt và phía Bắc (N) kết thúc cực lĩnh vực. Như cánh quạt cực phương pháp tiếp cận cực lĩnh vực, thu hút lực (F) được mạnh mẽ hơn nhưng thành phần mô-men xoắn (T) được yếu hơn. Khi các cánh quạt trỏ trực tiếp vào trường cực (cuối khung trong hình 8.2),CƠ STEPPER 345Ví dụ 8.1 một động cơ stepper 15°/bước được 64 bước CW (chiều kim đồng hồ) và 12 bước bên trái (ngược). Giả sử nó bắt đầu lúc 0°, tìm vị trí cuối cùng. Giải pháp sau khi hoàn thành 64 bước CW và 12 bước bên trái, động cơ đã kết thúc lên 52 bước CW (64-12 = 52). Bởi vì có 24 15°-bước một cách mạng (360° / 15° = 24),24 5 s 2 te s p te s p /r s ev = 2 1 6 = 2 rev + 1 6 rev = 2 rev + 36 6 0 ° = 2 rev + 60°Do đó, động cơ đã có hai cuộc cách mạng hoàn thành và bây giờ ngồi ở 60° CW từ khi nó bắt đầu. Các thành phần mô-men xoắn là zero. Trong thực tế, điều này có nghĩa rằng các cánh quạt có thể đến để ngăn chặn một trước khi nó hoàn toàn liên kết với cực tràn đầy sinh lực lĩnh vực, tại thời điểm nơi mô-men xoắn bước giảm dần chỉ bằng tải mô-men xoắn. Cho xe máy đơn giản theo cuộc thảo luận (hình 8.1), mô-men xoắn tối đa xảy ra khi các cánh quạt là một nơi nào đó khoảng 45° từ trường cực (thứ hai khung hình 8.2.) Nếu tải trọng vượt quá này mô-men xoắn tối đa của động cơ, cánh quạt sẽ nhanh chóng trượt đến 90° phía sau, và điều này có thể gây ra động cơ để mất một bước lùi thay vì chuyển tiếp. Xem xét tình hình ở con số 8.3(a) nơi mà các cánh quạt đã đẩy bên trái và chúng tôi cho phép nó tụt hậu một bước đầy đủ sau tràn đầy sinh lực cực (hiện nay, cực 1).346 CHƯƠNG 8Mô-men xoắn hình 8.2 đi về không như các cánh quạt gắn với lĩnh vực cực.SNNSNNSNNSNNFTF TF(T = 0)TF8.3 con số minh họa những gì sẽ xảy ra nếu các cánh quạt được phép tụt hậu một bước đầy đủ đằng sau các cực lĩnh vực.SNSN SN S NF2(a)90°12(b)?1Cực tiếp theo để được tràn đầy sinh lực theo thứ tự bên trái là cực 2 [con số 8.3(b)]. Vấn đề đầu tiên ở đây là các cánh quạt là chỉ trực tiếp từ cực 2, do đó, sẽ có ít hoặc không có mô-men xoắn exerted. Vấn đề thứ hai là rằng, trong điều kiện cân bằng, các cánh quạt sẽ được thu hút không kém trong hai hướng và chúng tôi không thể đáng tin cậy có thể dự đoán nếu nó sẽ xoay CW hoặc CCW. Đối với hoạt động thích hợp, sự tụt hậu cánh quạt không là phép vượt quá một nửa bước kích thước, mà sẽ là 45° cho động cơ minh họa trong hình 8.3. Điều này giải quyết các vấn đề trước-cụ thể là, động cơ sẽ luôn luôn bật theo hướng đó là nghĩa vụ phải, và nó sẽ không chòng chành. (Nhớ lại rằng trì hoãn xảy ra khi động cơ là quá yếu để có một bước.) Trong điều kiện thực tế, mô-men xoắn năng động, đó là mô-men xoắn có sẵn khi xe đang chạy, chỉ có thể khoảng một nửa tối đa giữ mô-men xoắn (mô-men xoắn yêu cầu thuyên cánh quạt khi dừng lại). Có là một ngoại lệ cho quy tắc này: khi các cánh quạt bước nhanh chóng (gọi là slewing), quán tính có thể được tính để giữ các cánh quạt đi đúng hướng. Slewing được thảo luận trong phần tiếp theo. Chế độ hoạt động động cơ stepper có hai chế độ hoạt động: đơn bước và quay. Trong chế độ đơn-bước hoặc chế độ hai chiều, tần số của các bước là chậm, đủ để cho phép các cánh quạt (hầu như) đến dừng lại giữa các bước. Con số 8.4 cho thấy một đồ thị của vị trí so với thời gian cho thao tác bước đơn. Đối với mỗi bước, động cơ tiến bộ một góc độ nhất định và sau đó dừng lại. Nếu động cơ chỉ nhẹ nạp, vượt qua và dao động có thể xảy ra ở phần cuối của mỗi bước như thể hiện trong hình. Lợi thế lớn của hoạt động đơn-bước là mỗi bước độc lập hoàn toàn từ tất cả các bước khác — có nghĩa là, động cơ có thể đến với một dừng chết hoặc thậm chí đảo ngược hướng bất kỳ lúc nào. Do đó, bộ điều khiển có đầy đủ và ngay lập tức kiểm soát hoạt động của động cơ. Ngoài ra, có là một điều chắc chắn cao rằng bộ điều khiển sẽ không mất tính (và do đó động cơ vị trí) bởi vì mỗi bước là như vậy cũng được định nghĩa. Những bất lợiCƠ STEPPER 347Con số 8.4 các vị trí so với thời gian cho chế độ single-bước.Thời gianPosition(Degrees)1 bướctrong chế độ đơn-bước là chuyển động là chậm và "hay thay đổi." Một tỷ lệ bước đơn điển hình là 5 bước/thứ hai này sẽ chuyển đến 12,5 vòng/phút cho một động cơ 15°/bước. Trong chế độ hàng loạt, hoặc unidirectional chế độ, tần số của các bước là đủ cao các cánh quạt không có thời gian để đi đến một điểm dừng. Chế độ này xấp xỉ hoạt động của một động cơ điện thường xuyên — có nghĩa là, các cánh quạt luôn luôn gặp phải một mô-men xoắn và quay trong một thời trang mượt mà, liên tục. Con số 8.5 cho thấy một đồ thị của vị trí so với thời gian cho các chế độ hàng loạt. Mặc dù các bước cá nhân vẫn còn có thể được discerned, chuyển động là hay thay đổi ít hơn nhiều hơn trong chế độ đơn-bước. Một động cơ stepper ở chế độ quay không thể ngăn chặn hoặc đảo ngược hướng ngay lập tức. Nếu cố gắng, quán tính quay của động cơ sẽ rất có thể mang theo các cánh quạt phía trước một vài bước trước khi nó đến để nghỉ ngơi. Sự toàn vẹn bước-đếm nào bị mất. Nó có thể duy trì tính bước trong chế độ hàng loạt bằng cách từ từ ramping lên tốc độ từ chế độ đơn-bước và sau đó ramping xuống ở phần cuối của quay. Điều này có nghĩa là bộ điều khiển phải biết trước thời hạn động cơ phải đi bao xa. Thông thường, s

Kết quả (Việt) 2:

Sau khi nghiên cứu chương này, bạn sẽ có thể: • Giải thích những gì một động cơ bước là, làm thế nào nó là khác nhau từ một động cơ "thường xuyên", và các ứng dụng được sử dụng trong • Hiểu các thành phần cơ bản và hoạt động của ba loại. động cơ bước: nam châm vĩnh cửu, trở biến thiên, và hybrid. • Phân biệt giữa hai giai đoạn, ba giai đoạn, và động cơ stepper bốn giai đoạn. • Hiểu biết về các hoạt động chế độ-single-bước khác nhau so với quay, kích thích đơn và kép-pha, nửa bước, và vi bước. • Tính toán vị trí cuối cùng của một động cơ bước, với chuỗi xung ổ đĩa. • Giải thích hoạt động của mạch điều khiển động cơ bước.
GIỚI THIỆU
Một động cơ bước là một loại độc đáo của động cơ DC mà quay trong bước cố định của một số lượng nhất định của độ. Bước kích thước có thể nằm trong khoảng 0,9-90 °. Hình 8.1 minh họa một động cơ bước cơ bản, trong đó bao gồm một rotor và stator. Trong trường hợp này, các cánh quạt là một nam châm vĩnh cửu, và stator được tạo thành nam châm điện (cực lĩnh vực). Rotor sẽ di chuyển (hoặc bước) kết chính nó với một nam châm lĩnh vực năng lượng. Nếu các nam châm trường phải được cấp điện sau khi một khác xung quanh vòng tròn, các cánh quạt có thể được thực hiện để di chuyển trong một vòng tròn hoàn chỉnh. Động cơ bước là đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng điều khiển bởi vì bộ điều khiển có thể biết được vị trí chính xác của trục động cơ mà không cần cảm biến vị trí. Điều này được thực hiện bằng cách đếm số lượng các bước thực hiện từ một vị trí tham chiếu được biết đến. Bước kích thước được xác định bởi số lượng của rotor và stator cực, và không có lỗi tích lũy (sai số góc không tăng, bất kể số lượng các bước thực hiện). Trong thực tế, hầu hết các hệ thống động cơ bước hoạt động mở loop-đó là, bộ điều khiển sẽ gửi các động cơ một số quyết các lệnh bước và giả định các động cơ
343
CHƯƠNG 8 Stepper Motors
đi đến đúng nơi. Một ví dụ phổ biến là các vị trí của các đầu đọc / ghi trong một ổ đĩa mềm. Cơ bước có vận tốc vốn thấp và do đó thường được sử dụng mà không cần giảm gear. Một đơn vị điển hình điều khiển ở 500 xung / giây quay ở chỉ 150 rpm. Động cơ bước có thể dễ dàng được kiểm soát để biến tại 1 rpm hoặc ít hơn với độ chính xác hoàn toàn. Có ba loại động cơ bước: nam châm vĩnh cửu, trở biến thiên, và hybrid. Tất cả các loại thực hiện các chức năng cơ bản giống nhau, nhưng một số khác biệt trong số đó có thể là quan trọng trong một số ứng dụng.
8.1 THƯỜNG-MAGNET MOTORS STEPPER
Các nam châm vĩnh cửu (PM) sử dụng động cơ bước nam châm vĩnh cửu của rotor. Hình 8.1 cho thấy một động cơ PM bước đơn giản. Lĩnh vực bao gồm bốn cột (nam châm điện). Các động cơ làm việc trong các cách sau đây: Giả sử các rotor là ở vị trí hiển thị với cuối phía nam lên. Khi cuộn dây trường 1 được tràn đầy sinh lực, cuối phía nam của rotor được thu hút để cuộn 1 và di chuyển về phía đó. Sau đó cuộn trường 1 được deenergized, và cuộn dây 2 là năng lượng. Các cánh quạt kéo bản thân vào sự liên kết với cuộn dây 2. Như vậy, quay cánh quạt ở 90 ° bước này cho mỗi kích thích liên tiếp của các cuộn dây lĩnh vực. Các động cơ có thể được thực hiện để đảo ngược bằng cách đảo ngược trình tự. Một tài sản mong muốn của các PM stepper motor là rotor sẽ có xu hướng gắn kết với một lĩnh vực cực ngay cả khi không có điện được áp dụng bởi vì các rotor PM sẽ bị hút vào cực sắt gần nhất. Bạn có thể cảm thấy điều này "kéo từ" nếu bạn xoay động cơ
344 CHƯƠNG
8. Hình 8.1 Một PM 90 stepper motor
S
N
N
S
N
S
2
Rotor
13
4
Stator gồm cực trường (nam châm điện)
bằng tay; nó được gọi là mô-men xoắn chốt để chận, hoặc mô-men xoắn dư. Các mô-men xoắn chốt để chận là địa điểm hấp dẫn trong nhiều ứng dụng vì nó có xu hướng giữ động cơ ở vị trí cuối cùng nó đã bước đến, ngay cả khi tất cả các điện bị ngắt. Như đã đề cập trước đó, một trong những lợi thế lớn của động cơ bước là nó có thể được sử dụng vòng lặp mở, nghĩa là, bằng cách theo dõi số lượng các bước lấy từ một điểm được biết đến, các vị trí trục chính xác luôn được biết đến. Ví dụ 8.1 chứng tỏ điều này.
Ảnh hưởng của tải trên Stepper Motors Đối với các khái niệm mở vòng lặp để làm việc, động cơ thực sự phải bước một lần mỗi khi truyền cho. Nếu tải là quá lớn, động cơ có thể không có đủ mô-men xoắn để thực hiện các bước. Trong một trường hợp như vậy, các cánh quạt có lẽ sẽ xoay một chút khi xung bước được áp dụng nhưng sau đó rơi trở lại vị trí ban đầu của nó. Điều này được gọi là trì hoãn. Nếu thông tin phản hồi không được sử dụng, các bộ điều khiển không có cách nào biết được một bước đã bị bỏ qua. Trong mỗi bước, mô-men xoắn được phát triển bởi các động cơ bước phụ thuộc vào góc trục. Trong thực tế, mô-men xoắn trên rotor thực sự là không chính xác khi nó được liên kết với một cuộn dây lĩnh vực năng lượng. Hình 8.2 minh họa cách các động cơ chỉ có thể cung cấp mô-men xoắn khi rotor được không phù hợp. Những hình ảnh đầu tiên của Hình 8.2 cho thấy một cực rotor tiếp cận một lĩnh vực cực tràn đầy sinh lực. Các lực lượng thực tế thu hút là giữa nam (S) kết thúc của rotor và phía Bắc (N) cuối sân cực. Như cực rotor tiếp cận lĩnh vực cực, lực hấp dẫn (F) được mạnh mẽ hơn nhưng các thành phần mô-men xoắn (T) yếu dần. Khi rotor được trỏ trực tiếp vào lĩnh vực cực (frame cuối cùng trong hình 8.2),
STEPPER MOTORS 345
VÍ DỤ 8.1 Một 15 ° / bước động cơ bước được đưa ra 64 bước CW (chiều kim đồng hồ) và 12 bước bên trái (ngược chiều kim đồng). . Giả sử nó bắt đầu lúc 0 °, tìm vị trí cuối cùng
SOLUTION Sau khi hoàn thành 64 bước CW và CCW 12 bước, động cơ đã kết thúc 52 bước CW (64-12 = 52). Bởi vì có 24 15 ° -steps mỗi cuộc cách mạng (360 ° / 15 ° =
24),? 24 5 s 2 te te sp sp / rs ev? = 2? 1 6? = 2 rev +? 1 6? rev
= 2 rev +? 36 6 0 °? = 2 rev + 60 °
Vì vậy, động cơ đã thực hiện hai cuộc cách mạng hoàn chỉnh và hiện đang ngồi ở 60 ° CW từ nơi nó bắt đầu.
Các thành phần mô-men xoắn là số không. Trong thực tế, điều này có nghĩa rằng các rotor có thể đến một điểm dừng trước khi nó được hoàn toàn phù hợp với các lĩnh vực cực tràn đầy sinh lực, tại điểm mà các bước mô-men xoắn giảm dần chỉ bằng mômen tải. Đối với động cơ đơn giản được thảo luận (Hình 8.1), mô-men xoắn tối đa xảy ra khi các rotor là nơi nào đó khoảng 45 ° đi từ cực trường (frame thứ hai của hình 8.2.) Nếu tải vượt quá mô-men xoắn động cơ tối đa này, các cánh quạt sẽ trôi tuột đến 90 ° phía sau, và điều này có thể gây ra động cơ để có một bước lùi thay vì phía trước. Hãy xem xét tình hình trong hình 8.3 (a), nơi các rotor đã được bước CCW và chúng tôi đã cho phép nó để tụt hậu một bước đầy đủ phía sau cực tràn đầy sinh lực (hiện nay, cực 1).
346 Chương 8
Hình 8.2 Mô-men xoắn bằng không như Canh lề rotor với lĩnh vực cực.
S
N
N
S
N
N
S
N
N
S
N
N
FT
FT
F
(T = 0)
T
F
Hình 8.3 Minh họa cho những gì sẽ xảy ra nếu các rotor được phép tụt hậu một bước đầy đủ đằng sau các cực địa.
SN
SN SN SN
F
2
(a)
90 °
1
2 (b)? 1 Các cực tiếp theo sẽ được nạp năng lượng trong chuỗi CCW là cực 2 [Hình 8.3 (b)]. Vấn đề đầu tiên ở đây là các rotor được hướng trực tiếp ra từ cực 2, do đó sẽ có rất ít hoặc không có moment xoắn. Vấn đề thứ hai là, trong điều kiện cân bằng này, các cánh quạt sẽ bị thu hút không kém trong hai hướng và chúng ta có thể không đáng tin cậy nếu dự đoán nó sẽ biến CW hoặc CCW. Cho hoạt động tốt, độ trễ rotor không phải là để cho phép vượt quá một nửa kích cỡ bước, đó sẽ là 45 ° cho các động cơ được minh họa trong hình 8.3. Điều này giải quyết trước vấn đề, ​​cụ thể là, động cơ sẽ luôn quay theo hướng đó là nghĩa vụ, và nó sẽ không trì hoãn. (Nhớ lại trì hoãn xảy ra khi động cơ là quá yếu để có một bước.) Trên thực tế, mô-men xoắn động, đó là mô-men xoắn có sẵn khi động cơ đang chạy, chỉ có thể được khoảng một nửa của mô-men xoắn tối đa giữ (cần mô-men xoắn để dịch chuyển các rotor khi ngừng). Có một ngoại lệ cho quy tắc này: Khi rotor được đẩy nhanh (gọi là xoay), quán tính có thể được đếm trên để giữ cho rotor đi đúng hướng. Slewing được thảo luận trong phần tiếp theo. Phương thức hoạt động Các động cơ bước có hai chế độ hoạt động: bước và quay. Trong chế độ single-bước hoặc chế độ hai chiều, tần số của bước này là chậm, đủ để cho phép các rotor (gần như) đến một điểm dừng giữa các bước. Hình 8.4 cho thấy một đồ thị của vị trí so với thời gian cho hoạt động đơn lẻ bước. Đối với mỗi bước, động cơ tiến một góc độ nhất định và sau đó dừng lại. Nếu động cơ được nạp chỉ nhẹ nhàng, vượt qua và dao động có thể xảy ra vào cuối mỗi bước như thể hiện trong hình. Lợi thế lớn của hoạt động đơn lẻ bước là mỗi bước là hoàn toàn độc lập với mỗi bước khác-đó là, động cơ có thể đến một điểm dừng chết hoặc thậm chí hướng ngược lại bất cứ lúc nào. Do đó, bộ điều khiển hoàn toàn kiểm soát và tức thời của hoạt động của động cơ. Ngoài ra, có một điều chắc chắn cao rằng bộ điều khiển sẽ không bị mất tính (và do đó vị trí động cơ) bởi vì mỗi bước là như vậy cũng được xác định. Những bất lợi STEPPER MOTORS 347 Hình 8.4 Vị trí so với thời gian cho chế độ đơn bước. Thời gian Chức vụ (độ) 1 bước của chế độ single-bước là chuyển động chậm và "choppy." Một tỷ lệ duy nhất bước điển hình là 5 bước / thứ hai, có thể dịch là 12.5 rpm cho 15 ° / động cơ bước. Trong chế độ quay, hoặc chế độ một chiều, tần số của các bước là đủ cao mà các rotor không có thời gian để đến một điểm dừng. Chế độ này xấp xỉ với hoạt động của một động cơ điện thông thường, có nghĩa là, các rotor luôn luôn trải qua một mô-men xoắn và quay trong một, thời trang liên tục mượt mà hơn. Hình 8.5 thể hiện một đồ thị của vị trí so với thời gian cho chế độ quay. Mặc dù các bước cá nhân vẫn có thể phân biệt, chuyển động ít hơn nhiều choppy hơn trong chế độ single-bước. Một động cơ bước trong chế độ hàng loạt không thể ngăn chặn hoặc đảo ngược hướng ngay lập tức. Nếu cố gắng, quán tính quay của động cơ sẽ có nhiều khả năng mang theo các cánh quạt phía trước một vài bước trước khi nó đến phần còn lại. Sự toàn vẹn bước đếm sẽ bị mất. Có thể duy trì số bước trong chế độ hàng loạt bằng cách từ từ cả đều nằm trong vận tốc từ chế độ single-bước và sau đó cả đều nằm xuống ở cuối của loạt. Điều này có nghĩa là bộ điều khiển phải biết trước thời gian như thế nào đến nay các động cơ phải đi. Thông thường, các s