انتخاب موتورهای پله‌ای در تجهیزات اتوماسیون

موتورهای پله‌ایمی‌توان از آن برای کنترل سرعت و کنترل موقعیت بدون استفاده از دستگاه‌های بازخورد (یعنی کنترل حلقه باز) استفاده کرد، بنابراین این راهکار درایو هم اقتصادی و هم قابل اعتماد است. در تجهیزات اتوماسیون و ابزار دقیق، درایو پله‌ای به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. اما بسیاری از کاربران و پرسنل فنی در مورد نحوه انتخاب موتور پله‌ای مناسب، چگونگی دستیابی به بهترین عملکرد درایو پله‌ای یا سوالات بیشتری دارند. این مقاله به انتخاب موتورهای پله‌ای می‌پردازد و بر کاربرد برخی از تجربیات مهندسی موتور پله‌ای تمرکز دارد. امیدوارم که محبوبیت موتورهای پله‌ای در تجهیزات اتوماسیون نقشی در مرجع ایفا کند.

 

۱. مقدمهموتور پله‌ای

موتور پله‌ای همچنین به عنوان موتور پالس یا موتور پله‌ای شناخته می‌شود. هر بار که حالت تحریک مطابق با سیگنال پالس ورودی تغییر می‌کند، با زاویه خاصی پیش می‌رود و وقتی حالت تحریک بدون تغییر باقی می‌ماند، در موقعیت خاصی ثابت می‌ماند. این امر به موتور پله‌ای اجازه می‌دهد تا سیگنال پالس ورودی را به یک جابجایی زاویه‌ای مربوطه برای خروجی تبدیل کند. با کنترل تعداد پالس‌های ورودی می‌توانید جابجایی زاویه‌ای خروجی را به طور دقیق تعیین کنید تا به بهترین موقعیت‌یابی برسید. و با کنترل فرکانس پالس‌های ورودی می‌توانید سرعت زاویه‌ای خروجی را به طور دقیق کنترل کنید و به هدف تنظیم سرعت برسید. در اواخر دهه 1960، انواع موتورهای پله‌ای کاربردی به وجود آمدند و 40 سال گذشته شاهد توسعه سریع بوده است. موتورهای پله‌ای توانسته‌اند به موتورهای DC، موتورهای آسنکرون و همچنین موتورهای سنکرون تبدیل شوند و به یک نوع اساسی موتور تبدیل شوند. سه نوع موتور پله‌ای وجود دارد: واکنشی (نوع VR)، آهنربای دائمی (نوع PM) و هیبریدی (نوع HB). موتور پله‌ای هیبریدی مزایای دو شکل اول موتور پله‌ای را ترکیب می‌کند. موتور پله‌ای از یک روتور (هسته روتور، آهنرباهای دائمی، شفت، بلبرینگ)، یک استاتور (سیم‌پیچ، هسته استاتور)، کلاهک‌های جلویی و پشتی و غیره تشکیل شده است. معمولی‌ترین موتور پله‌ای هیبریدی دو فاز دارای استاتوری با ۸ دندانه بزرگ، ۴۰ دندانه کوچک و یک روتور با ۵۰ دندانه کوچک است؛ یک موتور سه فاز دارای استاتوری با ۹ دندانه بزرگ، ۴۵ دندانه کوچک و یک روتور با ۵۰ دندانه کوچک است.

 

۲، اصل کنترل

موتور پله‌اینمی‌تواند مستقیماً به منبع تغذیه متصل شود و همچنین نمی‌تواند مستقیماً سیگنال‌های پالس الکتریکی را دریافت کند، بنابراین باید از طریق یک رابط ویژه - درایور موتور پله‌ای - برای تعامل با منبع تغذیه و کنترل‌کننده، تحقق یابد. درایور موتور پله‌ای عموماً از یک توزیع‌کننده حلقه‌ای و یک مدار تقویت‌کننده توان تشکیل شده است. تقسیم‌کننده حلقه‌ای سیگنال‌های کنترلی را از کنترل‌کننده دریافت می‌کند. هر بار که یک سیگنال پالس دریافت می‌شود، خروجی تقسیم‌کننده حلقه‌ای یک بار تبدیل می‌شود، بنابراین وجود یا عدم وجود و فرکانس سیگنال پالس می‌تواند تعیین کند که آیا سرعت موتور پله‌ای زیاد یا کم است، برای شروع یا توقف شتاب می‌گیرد یا کاهش می‌یابد. توزیع‌کننده حلقه‌ای همچنین باید سیگنال جهت را از کنترل‌کننده نظارت کند تا مشخص کند که آیا انتقال حالت خروجی آن به ترتیب مثبت یا منفی است و بنابراین فرمان موتور پله‌ای را تعیین می‌کند.

 

۳، پارامترهای اصلی

① شماره بلوک: عمدتاً 20، 28، 35، 42، 57، 60، 86 و غیره

② تعداد فاز: تعداد سیم‌پیچ‌های داخل موتور پله‌ای، تعداد فاز موتور پله‌ای عموماً دو فاز، سه فاز و پنج فاز است. چین عمدتاً از موتورهای پله‌ای دو فاز استفاده می‌کند، سه فاز نیز در برخی کاربردها کاربرد دارد. ژاپن بیشتر از موتورهای پله‌ای پنج فاز استفاده می‌کند.

③زاویه پله: مربوط به یک سیگنال پالس، جابجایی زاویه‌ای چرخش روتور موتور است. فرمول محاسبه زاویه پله موتور پله‌ای به شرح زیر است.

زاویه گام = ۳۶۰ درجه ÷ (۲mz)

m تعداد فازهای یک موتور پله‌ای

Z تعداد دندانه‌های روتور یک موتور پله‌ای است.

طبق فرمول بالا، زاویه پله موتورهای پله‌ای دو فاز، سه فاز و پنج فاز به ترتیب ۱.۸ درجه، ۱.۲ درجه و ۰.۷۲ درجه است.

④ گشتاور نگهدارنده: گشتاور سیم‌پیچ استاتور موتور از طریق جریان نامی است، اما روتور نمی‌چرخد، استاتور روتور را قفل می‌کند. گشتاور نگهدارنده مهمترین پارامتر موتورهای پله‌ای است و مبنای اصلی انتخاب موتور است.

⑤ گشتاور موقعیت‌یابی: گشتاوری است که برای چرخاندن روتور با نیروی خارجی در زمانی که موتور جریانی را عبور نمی‌دهد، مورد نیاز است. گشتاور یکی از شاخص‌های عملکرد برای ارزیابی موتور است، در صورتی که سایر پارامترها یکسان باشند، هرچه گشتاور موقعیت‌یابی کوچکتر باشد، به این معنی است که "اثر شیار" کوچکتر است و برای نرمی عملکرد موتور در سرعت پایین مفیدتر است. ویژگی‌های فرکانس گشتاور: عمدتاً به ویژگی‌های فرکانس گشتاور کشیده شده اشاره دارد، عملکرد پایدار موتور در سرعت مشخصی می‌تواند حداکثر گشتاور را بدون از دست دادن گام تحمل کند. منحنی گشتاور-فرکانس برای توصیف رابطه بین حداکثر گشتاور و سرعت (فرکانس) بدون از دست دادن گام استفاده می‌شود. منحنی فرکانس گشتاور یک پارامتر مهم موتور پله‌ای است و مبنای اصلی انتخاب موتور است.

⑥ جریان نامی: جریان سیم‌پیچ موتور مورد نیاز برای حفظ گشتاور نامی، مقدار مؤثر

 

۴. انتخاب نقاط

در کاربردهای صنعتی، برای سرعت‌های تا ۶۰۰ تا ۱۵۰۰ دور در دقیقه از استپر موتور استفاده می‌شود. در سرعت‌های بالاتر، می‌توانید درایو استپر موتور حلقه بسته را در نظر بگیرید یا یک برنامه درایو سروو موتور مناسب‌تر را برای انتخاب مراحل انتخاب استپر موتور انتخاب کنید (شکل زیر را ببینید).

 

(1) انتخاب زاویه گام

با توجه به تعداد فازهای موتور، سه نوع زاویه پله وجود دارد: ۱.۸ درجه (دو فاز)، ۱.۲ درجه (سه فاز)، ۰.۷۲ درجه (پنج فاز). البته زاویه پله پنج فاز بالاترین دقت را دارد اما موتور و درایور آن گران‌تر هستند، بنابراین به ندرت در چین استفاده می‌شود. علاوه بر این، درایورهای پله‌ای رایج اکنون از فناوری درایو زیربخشی استفاده می‌کنند، در ۴ زیربخش زیر، دقت زاویه پله زیربخشی هنوز هم می‌تواند تضمین شود، بنابراین اگر تنها شاخص‌های دقت زاویه پله از نظر ما باشند، موتور پله‌ای پنج فاز را می‌توان با موتور پله‌ای دو فاز یا سه فاز جایگزین کرد. برای مثال، در کاربرد نوعی سیم‌پیچ برای بار پیچ ۵ میلی‌متری، اگر از یک موتور پله‌ای دو فاز استفاده شود و درایور روی ۴ زیربخش تنظیم شود، تعداد پالس‌ها در هر دور موتور ۲۰۰ × ۴ = ۸۰۰ است و معادل پالس ۵ ÷ ۸۰۰ = ۰.۰۰۶۲۵ میلی‌متر = ۶.۲۵ میکرومتر است، این دقت می‌تواند اکثر الزامات کاربرد را برآورده کند.

(2) انتخاب گشتاور استاتیک (گشتاور نگهدارنده)

مکانیسم‌های انتقال بار رایج شامل تسمه‌های سنکرون، میله‌های فیلامنتی، چرخ‌دنده و غیره هستند. مشتریان ابتدا بار دستگاه خود (عمدتاً گشتاور شتاب به علاوه گشتاور اصطکاک) را محاسبه می‌کنند که به گشتاور بار مورد نیاز روی شفت موتور تبدیل می‌شود. سپس، با توجه به حداکثر سرعت چرخش مورد نیاز توسط گل‌های الکتریکی، دو مورد استفاده مختلف زیر برای انتخاب گشتاور نگهدارنده مناسب موتور پله‌ای ① برای کاربرد سرعت موتور مورد نیاز 300pm یا کمتر وجود دارد: اگر بار دستگاه به گشتاور بار مورد نیاز T1 شفت موتور تبدیل شود، این گشتاور بار در ضریب ایمنی SF (که معمولاً 1.5-2.0 در نظر گرفته می‌شود) ضرب می‌شود، یعنی گشتاور نگهدارنده موتور پله‌ای مورد نیاز Tn ②2 برای کاربردهایی که به سرعت موتور 300pm یا بیشتر نیاز دارند: حداکثر سرعت Nmax را تنظیم کنید، اگر بار دستگاه به شفت موتور تبدیل شود، گشتاور بار مورد نیاز T1 است، سپس این گشتاور بار در ضریب ایمنی SF (معمولاً 2.5-3.5) ضرب می‌شود که گشتاور نگهدارنده Tn را می‌دهد. به شکل ۴ مراجعه کنید و یک مدل مناسب را انتخاب کنید. سپس از منحنی گشتاور-فرکانس برای بررسی و مقایسه استفاده کنید: در منحنی گشتاور-فرکانس، حداکثر سرعت Nmax مورد نیاز کاربر مطابق با حداکثر گشتاور پله از دست رفته T2 است، بنابراین حداکثر گشتاور پله از دست رفته T2 باید بیش از ۲۰٪ بزرگتر از T1 باشد. در غیر این صورت، لازم است یک موتور جدید با گشتاور بزرگتر انتخاب شود و دوباره مطابق با منحنی گشتاور-فرکانس موتور تازه انتخاب شده بررسی و مقایسه شود.

(3) هرچه عدد پایه موتور بزرگتر باشد، گشتاور نگهدارنده بزرگتر است.

(4) با توجه به جریان نامی، درایور استپر متناسب را انتخاب کنید.

برای مثال، جریان نامی موتور ۵۷CM۲۳ برابر با ۵ آمپر است، پس شما حداکثر جریان مجاز درایو را بیشتر از ۵ آمپر در نظر می‌گیرید (لطفاً توجه داشته باشید که این مقدار مؤثر است نه پیک)، در غیر این صورت اگر حداکثر جریان درایو را فقط ۳ آمپر انتخاب کنید، حداکثر گشتاور خروجی موتور فقط می‌تواند حدود ۶۰٪ باشد!

5، تجربه برنامه

(1) مشکل رزونانس فرکانس پایین موتور پله‌ای

درایو استپر با تقسیم‌بندی فرعی روشی مؤثر برای کاهش رزونانس فرکانس پایین موتورهای استپر است. درایو زیربخش در کاهش لرزش موتور در سرعت‌های زیر 150 دور در دقیقه بسیار مؤثر است. از لحاظ تئوری، هرچه تقسیم‌بندی بزرگتر باشد، تأثیر بهتری در کاهش لرزش موتور استپر دارد، اما در واقعیت، تقسیم‌بندی فرعی پس از رسیدن به حداکثر تأثیر در کاهش لرزش موتور استپر، به 8 یا 16 افزایش می‌یابد.

در سال‌های اخیر، درایورهای استپر ضد رزونانس فرکانس پایین در داخل و خارج از کشور، مانند سری DM و DM-S شرکت Leisai، با فناوری ضد رزونانس فرکانس پایین، عرضه شده‌اند. این سری از درایورها از جبران هارمونیک استفاده می‌کنند و از طریق جبران تطبیق دامنه و فاز، می‌توانند ارتعاش فرکانس پایین موتور پله‌ای را تا حد زیادی کاهش دهند و به عملکرد کم لرزش و کم سر و صدای موتور دست یابند.

(2) تأثیر تقسیم‌بندی موتور پله‌ای بر دقت موقعیت‌یابی

مدار درایو زیربخش موتور پله‌ای نه تنها می‌تواند نرمی حرکت دستگاه را بهبود بخشد، بلکه می‌تواند به طور موثری دقت موقعیت‌یابی تجهیزات را نیز بهبود بخشد. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که: در پلتفرم حرکت درایو تسمه‌ای سنکرون، موتور پله‌ای با زیربخش ۴، موتور را می‌توان در هر مرحله به طور دقیق قرار داد.