Podstawy sterowania silnikami krokowymi, cz. II

2.2.4. STEROWANIE MIKROKROWE

   W sterowaniu mikrokrokowym prądy w uzwojeniach zmieniają się plynnie rozbijając w ten sposób pełen krok na wiele mniejszych kroczków. Praca z mikrokrokiem polega na obracaniu polem magnetycznym stojana w sposób bardziej płynny niż w sterowaniu pełno i półkrokowym powoduje to mniejsze drgania i umożliwia bezszumowe poruszanie silnika do poziomu częstotliwości 0Hz.Dzięki pracy z mikrokrokiem możliwe jest uzyskanie dokładniejszego pozycjonowania. Istniej wiele różnych typów mikrokroku o podziale od 1/3 do 1/32 pełnego kroku lub jeszcze mniejszym. Silnik krokowy jest silnikiem synchronicznym. Oznacza to, że stabilne położenia zatrzymania wirnika jest zsynchronizowane z polem magnetycznym stojana. Obroty wirnika uzyskuje się przez obracanie pola ,wirnik podąża do nowego położenia stabilnego. Moment M wytwarzany przez silnik jest funkcją momentu spoczynkowego M s i odległości pomiędzy polem magnetycznym stojana a pozycją wirnika _p

                                               M = M_s*sin(_s-_r)               ( 1 )

gdzie:

            _s  i _r    są wyrażone w stopniach  elektrycznych.

Zależność między kątami mechanicznymi i elektrycznymi dana jest wzorem:

                                    _el = (n/4) _mech                          ( 2)

gdzie n oznacza ilość kroków na obrót

Kiedy silnik sterowany jest w sposób pełno lub półkrokowy, pole magnetyczne stojana obraca się o odpowiednio 90^o i 45^o stopni elektrycznych na każdy krok silnika. Z powyższego wzoru widać, że w silniku powstaje moment pulsujący. Dzieje się tak dlatego, że _s  i _r 

Nie są stałe w czasie ze względu na nieciągłe zmiany _s  

            Wytwarzanie momentu obrotowego o 45 i 90 jest proste, gdyż potrzebne są tylko dwa poziomy prądu   I _on i 0.

            Aby zapewnić pracę minikrokową silnika trzeba zapewnić taki układ sterowania ,który wytworzy sygnały o poziomach pośrednich pomiędzy maksymalną i minimalną wartością sygnału źródła. Dzięki takiemu wymuszeniu prądy w pasmach silnika wytwarzają wektor strumienia magnetycznego, którego położenie w przestrzeni jest określone przez wartość tych prądów.

            Dla danego kierunku pola magnetycznego stojana, poziomy prądu odpowiadające temu kierunkowi można obliczyć z następujących wzorów:

                                   I_A = I _max * sin _s                        ( 3)

                                   I_A = I _max * cos _s                         ( 4)

   Używając różnych wartości I on oraz 0 w obu uzwojeniach możemy uzyskać 8 różnych kombinacji prądów w uzwojeniach. To daje nam osiem pozycji przy których włączona jest jedna bądź dwie fazy odpowiadających kierunkom indukcji magnetycznej od 0,45 do 315 stopni elektrycznych.

   Jeśli posiadamy sterownik, który może wytworzyć dowolny prąd na poziomie od 0 do 141% prądu nominalnego, możliwe jest wtedy wytworzenie obracającego się pola magnetycznego o dowolnej orientacji. Jest zatem możliwe wybranie dowolnego kąta elektrycznego kroku np. ¼, 1/8, 1/32. Oprócz zmiany pola elektrycznego można zmienić jego natężenie.

2.3. METODY ROZWIĄZANIA WZMACNIACZA MOCY I SPOSBY ZASILANIA SILNIKÓW

   Właściwości napędu z silnikami krokowymi w bardzo dużym stopniu zależą od układowego rozwiązania wzmacniacza mocy i układu zasilania. Uzwojenie silnika charakteryzuje się trzema podstawowymi parametrami: rezystancją, indukcyjnością oraz prądem znamianowym. Uzwojenie silnika można przedstawić jako szeregowe połączenie indukcyjności Ls i rezystancji Rs. Przebieg prądu w obciążeniu ma charakter wykładniczy:

I = (U/R)/1-exp(-t/T) ( 5)

gdzie T = Ls/Rs

   Stała czasowa Ls / Rs wynosi zazwyczaj około 10 ms, a zatem czas 3T po upływie którego wartość prądu osiągnie 95% wartości ustalonej wynosi 30 ms. Jest to bardzo duża wartość. Układy mocy projektuje się tak, aby zwiększyć szybkość narastania prądu umożliwia to uzyskanie większej częstotliwości pracy silnika.

Przepływ prądu przez cewki silnika w funkcji czasu uwidoczniono na rysunku poniżej.

Rysunek 6. Wykres przepływu prądu w uzwojeniach silnika [15]:
a) przy małych prędkościach obrotowych
b) przy dużych prędkościach obrotowych

W zakresie niewielkich prędkości obrotowych wystarczające jest klasyczne sterowanie napięciowe przy którym wartość prądu znamianowego wynika z rezystancji uzwojeń.

Można wyróżnić trzy podstawowe sposoby rozwiązania stopnia mocy.

 sterowanie L/R,

 sterowanie L/ nR,

 sterowanie z kluczowaniem prądu.

Opis każdego z nich zamieszczono poniżej.

2.3.1.STEROWANI L/R
   W zakresie niewielkich prędkości obrotowych wystarczające jest klasyczne sterowanie napięciowe przy którym wartość prądu znamianowego wynika z rezystancji uzwojeń.

Rysunek 7. Zasilanie L/R

Ic = Vs/Rc   (6)

Ten sposób sterowania oznacza się często jako sterowani L/R.Z uwagi na to, że prąd w uzwojeniu silnika narasta w określonym czasie

T = Lc/Rc   (7)

przy wyższych prędkościach obrotowych prąd w uzwojeniach nie zdąży osiągnąć wartości znamianowej w czasie trwania jednego kroku. Skutkiem tego jest zmniejszenie momentu obrotowego.


2.3.2.STEROWANIE L / nR

   Najprostszym rozwiązaniem jest podwyższenie napięcia zasilającego silnik i włączenie w szereg dodatkowego rezystora Rs. Przez co uzyskuje się zmniejszenie stałej czasowej obwodu przez który przepływa prąd gdyż indukcyjność uzwojenia jest dzielona przez sumę rezystancji uzwojenia i rezystancji dodatkowej. Suma rezystancji uzwojenia i Rs jest tak dobrana aby przy podwyższonym napięciu otrzymać prąd znamianowy.

   Czas narastania prądu zwiększa się odwrotnie proporcjonalnie do wartości rezystora Rs. Ten sposób sterowania jest często nazywany jako sterowanie L/nR jednak ze względu na duże start moc w rezystorze Rs może być stosowany wyłącznie w silnikach małej mocy i przy niezbyt dużych częstotliwościach pracy.

Rysunek 8. Zasilanie L/nR

2.3.3. STEROWANIE Z KLUCZOWANIEM PRĄDU

Rysunek 9. Zasilanie z kluczowaniem prądu

Najpowszechniejszym rozwiązaniem układu zasilania silnika pozbawionym wad poprzedniego sposobu a pozwalającym na pracę silnika z dużymi prędkościami jest kluczowane sterowanie prądowe. Układ ten ma dużą sprawność .Prąd może być regulowany niezależnie od napięcia zasilającego. Dodatkową zaletą tego rozwiązania jest możliwość regulacji prądu płynącego przez uzwojenie przy pomocy napięcia stałego doprowadzonego do wejścia komparatora. Im wyższe jest napięcie U ref tym większy prąd będzie płynął przez uzwojenia silnika.

Rysunek 10. Czas narastania prądu w uzwojeniu dla różnych rodzajów sterowania.[15]

   Rysunek powyżej przedstawia przebieg prądu w funkcji czasu dla różnych sposobów sterowania. Jak widać najbardziej korzystnym sposobem zasilania jest zasilanie z kluczowaniem prądu i ten sposób został zastosowany w przedmiotowej pracy.


Autor artykułu:
WObit
www.silniki.pl

---