seminarski rad step motori

UNIVERZITET U BIHACUTEHNICKI FAKULTET

ODSJEK: ELEKTROTEHNICKISmjer: Informatika

Step motori i upravljanje stepmotorima

Automatsko upravaljanje II

Ibrahim Cehic

Profesor: Doc.dr. Edin Mujcic

Bihac, 28.05.2015. god.

Sadrzaj

1. Uvod ii

2. Step (koracni motor) 12.1. Prednosti i nedostatci step motora . . . . . . . . . . . . . . . 12.2. Princip rada step motora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.3. Podjela step motora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.4. Step motori sa permanentnim magnetom . . . . . . . . . . . . 62.5. Step motori sa promjenjivom reluktansom . . . . . . . . . . . 72.6. Tipovi step motora po izvedbi statorskih namotaja . . . . . . 9

3. Upravljanje step motorima 123.1. Nacini upravljanja step motora . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.2. Jednostavni sklop za pokretanje step motora . . . . . . . . . . 13

4. Zakljucak 15

5. Literatura 16

1. Uvod

Elektromotori su uredaji koji pretvaraju elektricnu energiju u mehanicku.Elektromotori uglavnom rade na principu elektromagnetne indukcije, madapostoje i elektromotori koji koriste druge elektromehanicke fenomene, kaosto su elektrostaticka sila i piezoelektricni efekat. Kada se kaze elektromo-tor, uglavnom se misli na rotacioni elektromotor tj. motor koji stvara obrtnokretanje. Takode postoje i linearni motori, ali o njima u ovom tekstu necebiti reci. Ovde cemo se baviti elektromotorima koji se pobuduju jednosmer-nim naponom/strujom, odnosno koracnim (step ) motorima. Glavna pred-nost jednosmjernih motora u odnosu na one koji se napajaju naizmjenicnimvelicinama je lakse upravljanje brzinom, momentom i smjerom obrtanja. DCmotori se uglavnom prave za manje snage, jer bi za vece snage oni morali daimaju vece i jace izvore jednosmjerne struje.

Koracni motori su elektromehanicki pretvornici energije, koji pulsnu elek-tricnu pobudu pretvaraju u koracni mehanicki pomak (rotacijski ili transla-cijski). Razvoj digitalnih racunara dao je poticaj gradnje motora kojim bise moglo neposredno digitalno upravljati, iz kojih bi se izlazni signal stoneposrednije privodio racunaru bez slozenih digitalno-analognih i analogno-digitalnih konvertera. Buduci da se od takvih motora zahtjevaju diskretnipomaci, odnosno koracni mehanicki pomaci, dobili su naziv koracni motori(eng. Step motors).

Komercijalna eksploatacija ovih motora je pocela 60-ih godina kada jeunaprijedena tehnologija proizvodnje prekidackih tranzistora, sposobnih daprekidaju jednosmjerne struje u namotajima motora. Brz razvoj digitalneelektronike omogucio je kvalitetnije upravljanje koracnim motorima, kao iveliku zainteresovanost inzenjera za njihov dalji razvoj.

2. Step (koracni motor)

Koracni motori elektromehanicki pretvornici energije, koji pulsnu, odnosnokoracno-elektricnu pobudu pretvaraju u koracni mehanicki pomak. Izradujuse u rotacijskoj i translacijskoj izvedbi, premda je rotacijska izvedba, baremza danas, znatno brojnija. Koracni (”step”) motori su od posebnog inte-resa u robotici, procesnom upravljanju i instrumentaciji. Oni omogucavajuprecizno upravljanje rotacijom, ugaonim polozajem, brzinom i smjerom obr-tanja. Na malim koracnim brzinama rotor se zaustavlja na svakom koracnompolozaju. Na srednjim brzinama nema zaustavljanja rotora na svakomkoracnom polozaju, ali kutna brzina oscilira ovisno o polozaju. Sto se koracnabrzina vise povecava, oscilacije ugaone brzine postaju sve manje, tako da navelikim koracnim brzinama ugaona brzina tezi konstantnoj vrijednosti. Ov-dje je vrijedno naglasiti da je velika koracna brzina relativan pojam, a ovisnoo konstrukciji, kod komercijalnih motora se krece od 100 do preko 10.000koraka u sekundi.

[1]

Premda su ovi motori vec od davno poznati, znatnije su se poceli afir-mirati tek prije nesto vise od 20 godina, kada se pojavila poluvodicka elek-tronika, koja je omogucila gradnju pouzdanih i relativno jeftinih pobudnihkrugova. Od brojnih okusanih tipova temeljenih na raznim principima rada,pokazalo se da ih samo nekoliko udovoljava kombiniranim zahtjevima mo-menta, brzine i pomaka sto se pred njih postavljaju.

2.1. Prednosti i nedostatci step motora

Prednosti koracnih motora su:

• Niska cijena.• Male dimenzije i masa.• Velike funkcijske mogucnosti.• Cesto se isporucuju integrirano s radnim mehanizmom• Pretvara digitalne ulazne impulse u analogno kretanje:• ukljucenje napona naredne faze - pomak za 1 korak,• broj koraka = broj upravljackih impulsa (jedan korak odgovara odredenom

2.1. Prednosti i nedostatci step motora 2

Slika 1: Step motor iz printera

fiksnom uglu pomjeraja).• Ugao rotacije motora je proporcionalan ulaznom impulsu.• Odziv rotora na digitalne impulse omogucuje upravljanje u otvorenoj petlji(upravljanje polozajem radne osovine bez povratne veze jednostavno je re-alizirati sistem upravljanja vecim brojem motora (roboti, pisaci)).• Ne akumulira pogresku polotaja.• Jednostavne su konstrukcije i ne zahtijevaju odrtavanje.• Motor ima puni moment u zastoju (ako su namoti napajani).• Precizno pozicioniranje i ponovljivost pokreta, buduci da dobri koracni mo-tori imaju pogresku od 3-5% posto od ukupnog koraka.• Odlican odziv na zalet, zaustavljanje i promjenu smjera.• Veoma pouzdani jer nemaju kontaktnih cetkica u motoru. Osim toga,zivotni vijek motora jednostavno ovisi o zivotnom vijeku lezajeva.• Moguce je postici veoma sporu sinhronu brzinu rotacije kada je osovinadirektno opterecena (teret na osovini).• Moze se realizirati siroko podrucje raspolozivih brzina jer je brzina propor-cionalna frekvenciji ulaznih impulsa

2.2. Princip rada step motora 3

Nedostatci koracnih motora:

• Fiksan korak.• Razmjerno mala efikasnost, veliko nadvisenje i oscilatornost u odzivu odjednog koraka.• Ogranicene mogucnosti pokretanja tereta s velikim momentom inercije.• Moment trenja i aktivni teret mogu povecati pogresku polozaja (moguc jegubitak koraka – posljedica je akumulirana pogreska polozaja).• Mogucnost pojave rezonancije ako nije adekvatno upravljanje.• Rad neprikladan i tesko ih je upravljati na velikim brzinama.

Slika 2: Rotor i stator step motora.

2.2. Princip rada step motora

Statori i rotori koracnih motora uglavnom su izradeni sa istaknutim polo-vima (izuzetak je motor s permanentnim magnetima), dok polni nastavcistatora/rotora mogu biti kompaktni ili sadrzavati vise tzv. “zuba”, jer vecibroj zuba podrazumijeva bolju rezoluciju pozicioniranja rotora. Osnovnosvojstvo svih koracnih motora jest da je broj polnih nastavaka omogucujepomicanje rotora za tocno odredeni broj jedinicnih pomaka. Jeste li ikada


pokusali precizno pozicionirati neki predmet? To zaista moze biti slozeno.Cak i ako imate tajmer za precizno paljenje i gasenje motora reakcija motoranije mome-ntalna. DC motori imaju postepeno ubrzavanje i usporavanje,stabilizacija motora je spora. Dodavanje mehanizama motoru moze pomociu rjesavanju ovog problema ali ga ne moze u potpunosti neutralisati. Ipakkoracni motori bitno se razlikuju od DC motora. Kao prvo oni se ne mogukretati slobodno. Takoder razlika izmedu pomenutih i koracnih motora jesteu odnosu obrtnog momenta i njihove brzine.

Slika 3: Step motor sa 4 faze.

DC motori generalno gledano i nisu sasvim dobri za upotrebu gdje seiziskuje visok obrtni moment, a mala brzina, sto ne mogu ostvariti bezpomocnih mehanizama. Za razliku od njih koracni motori proizvode ve-


liki obrtni moment i male brzine. Pored toga koracni motori posjeduju idruge karakteristike kao sto je kocioni moment koga kod DC motora nema.Kocioni moment omogucava koracnom motoru da zadrzi svoju poziciju i kadanije upaljen sto moze biti od koristi u aplikacijama gdje se motor stavlja ufunkciju dok na njega djeluje sila suprotna njegovom obrtanju, ili gdje je po-trebno zadrzati poziciju nekog komada dok se ne zavrsi njegova obrada, stoopet smanjuje troskove oko postavljanja mehanickih blokada. Kako u sebiimaju nekoliko namotaja za pravilan rad motora potrebno je u te namotajedovesti signal po tacno odredenom redu, u protivnom motor nece raditi.

Vecina upravljackih sistema za koracne motore ukljucuju A/D konver-tore koji ce signale usmjeriti u namotaje po predvidenom redu. Koracnimotori su gradeni visefazno: uvijek kada strujni impulsi dodu na zavojnicemotora u sasvim odredenom redoslijedu, zaokrenut ce se osovina motora zaodredeni ugao, obicno su to koraci po 1,8◦ i 7,5◦,15◦. Osovina motora sepomocu odredenog broja upravljackih impulsa, vrti za odredeni ugao, alisamo pomocu odgovarajuceg niza impulse, u bilo kom smjeru vrtnje, uz po-desivu brzinu i na tzv. kvazikontinuirani nacin.

Slika 4: Step motor i upravljacki uredaj.

2.3. Podjela step motora 6

2.3. Podjela step motora

Podjela koracnih motora moze biti izvrsena sa vise aspekata i to:

a) Prema izvedbi rotora:1. Rotor s varijabilnom reluktancijom-nazubljen celicni rotor2. Rotor sa stalnim magnetima- stalno namagnetisani rotor3. Hibridni motori- kombinacija prethodna dva4. Motori sa visestrukim rotorima5. Linearni motori

[2]

b) Prema nacinu napajanja statorskih namotaja:1. Motori s unipolarnim napajanjem2. Motori sa bipolarnim napajanjem

c) Prema broju faza statorskih namotaja:1. Dvofazni2. Trofazni3. Cetverofazni4. Petofazni

2.4. Step motori sa permanentnim magnetom

Rotor ovakvog step motora je najcesce radijalni (u obliku prstena) sa stalnimmagnetom formiran tako da se magnetni polovi naizmjenicno mjenjaju (Slika3). Uvjek se na dijametralno suprotnim stranama nalaze razliciti polovi, tjako je sa jedne strane sjeverni (N), sa druge strane, centralno simetricno, senalazi juzni (S) magnentni pol.

Visefazno izvedeni elektromagnetni stator se sastoji od vise namotajarasporedenih uniformno po unutrasnjoj strani statora.Uzastopnim ukljucivanjem ili okretanjem smjera struja pojedinih statorskihfaza ili njihovih kombinacija po odredenom redosljedu, rezultantno magnetnopolje statora skokovito se krece u jednom ili drugom smjeru.

2.5. Step motori sa promjenjivom reluktansom 7

Slika 5: Izgled rotora i statora step motora sa permanentnim magnetima

Rotor sa permanentnim magnetom se postavlja u smjeru rezultantnog stator-skog polja i na taj nacin se obavlja koracna rotacija. Ova vrsta step motoraima malu rezoluciju zbog nemogucnosti formiranja gusto rasporedenih mag-netnih polova na statoru. Tipicni koracni uglovi su izmedu 7.5o i 15o.Veoma su laki za konstrukciju i odlikuje ih visok moment drzanja. Kod ovak-vih motora, cak i kada se prekine napajanje, postoji neki moment drzanjakoji je posljedica rotora izgradenog od stalnog magneta.

2.5. Step motori sa promjenjivom reluktansom

Za razliku od motora sa permanentnim magnetom, step motori sa promjen-ljivom reluktansom nemaju rezidualni moment drzanja koji drzi osovinu ujednom polozaju nakon prekida napajanja. Uzrok nepostojanju zaostalogmomenta je taj sto rotor nije napravljen od stalnih magneta vec od na-zubljenog feromagnetskog materijala. Motor radi na principu minimizacijereluktanse na putanji elektromagnetnog polja.

Rotor ovakvog step motora je napravljen od nazubljenog cilindricnog fe-

2.5. Step motori sa promjenjivom reluktansom 8

Slika 6: Izgled rotora i statora step motora sapromjenjivom reluktansom

romagnetskog materijala, dok je stator takodjer nazubljen visefazno namotan(Slika 6), kao sto je slucaj i kod motora sa permanentnim magnetom.Uzastopnim ukljucivanjem ili okretanjem smjera struja pojedinih statorskihfaza ili njihovih kombinacija po odredenom redosljedu, rezultantno magnetnopolje statora skokovito se krece u jednom ili drugom smeru. Kako se mag-netno polje statora mijenja tako se i polozaj rotora mijenja posto nazubljenidijelovi rotora teze da budu sto blize aktivnim namotajima statora i na tajnacin minimizuju reluktansu.

Ako pogledamo primjer na slici (Slika 6, lijevo), mozemo zakljuciti daje trenutno pobudjen namotaj B. Ako se sada iskljuci namotaj B, a ukljucinamotaj C, nazubljeni delovi rotora najblizi namotaju C (2 i 5) ce teziti damu se sto vise priblize da bu minimizovali reluktansu i na taj nacin ce serotor pomjeriti za jedan korak udesno.Pitanje: Sta ce se desiti ako se nakon pocetnog polozaja pobudi namotajA? Ovakvi step motori su vec dugo na trzistu, a odlikuje ih veoma laka ijeftina gradnja. Takodje, imaju dosta bolju rezoluciju nego step motori sapermanentnim magnetom, ali i manji moment.

[3]

2.6. Tipovi step motora po izvedbi statorskih namotaja 9

2.6. Tipovi step motora po izvedbi statorskih namo-taja

Prema izvedbi statorskog namotaja razlikujemo dvije vrste:- unipolarni step motori (struja u faznom namotaju moze teci samo u jednomsmjeru)- bipolarni step motori (struja u faznom namotaju moze teci u oba smjera)

Unipolarni step motori obicno imaju 5 ili 6 izlaznih zica kao sto je to pri-kazano na slici (Slika 7). U slucaju da ima 5 zica, izvodi 1 i 2 su kratkospojeni. Obicno se ovi izvodi vode na zajednicko napajanje dok se krajevi a ib naizmjenicno uzemljuju. Na ovaj nacin se magnetno polje skokovito rotira,pa rotor prati njegove rotacije.

Slika 7: Shema statorskih namotaja i poprecni presjek unipolarnog step mo-tora

U primjeru sa slike (Slika 7), namotaj 1 je ravnomjerno rasporeden izmedugornjeg i donjeg dijela statora dok je namotaj 2 ravnomerno rasporedenizmedu lijevog i desnog dijela statora i izvuceni su njihovi srednji izvodi.Akosada te izvode povezemo na zajednicko napajanje i krenemo redom naiz-mjenicno da spajamo krajeve 1a – 2a – 1b – 2b, dobicemo kretanje rotora u


desno.Upravljanje na ovaj naci je veoma jednostavno posto se sve svodi naukljucivanje i iskljicivanje namotaja bez bilo kakve promjene smjera ili inten-ziteta struje. Mane ovakvog nacina upravljanja su sto je moment dosta maliposto u jednom trenutku je aktivan samo jedan namotaj. Ovaj moment semoze povecati ako se u isto vreme aktiviraju dva susjedna namotaja. Tadase pol statora pozicionira na sredinu izmedu ovih namotaja. Ipak iako ovajnacin pojacava moment (oko 70%), utrosak energije je duplo veci.

Kod bipolarnih step motora obicno imamo 4 izlazne zice i nemamo srednjiizvod. U tom slucaju, da bi promjenili smjer elektromagnetnog polja, strujamora naizmjenicno proticati u oba smjera kroz namotaje statora.

Slika 8: Shema statorskih namotaja i poprecni presjek bipolarnog step mo-tora

U primjeru sa slike (Slika 8), vidimo stator sa cetiri namotaja koji suspojeni u parove (gornji i donji, i lijevi i desni). U pocetnom trenutku kraj1a je povezan na uzemljenje a kraj 1b na napajanje i u tom slucaju strujatece od kraja 1b ka kraju 1a i na gornjem namotaju formira sjeverni a nadonje juzni magnetni pol. U sljedecem trenutku se ovi krajevi odvajaju odnapajanja i mase, a krajevi 2b i 2a se vezuju, respektivno. Na ovaj nacin se


na desnom namotaju statora stvara juzni a na lijevom sjeverni magnetni poli rotor se zaokrece za jedan korak u desno. Dalje, ovi kontakti se odvajajupa se kontakti 1a i 1b ponovo ukljucuju ali sada 1a ide na napajanje a 1bna uzemljenje, da bi na gorenjm namotaju dobili juzni a na donjem sjevernimagnetni pol, i da bi rotor nastavio dalje okretanje u desno.

Sama gradnja ovakvih statora je ista kao i kod unipolarnih motora, samosto sada nema srednjeg izvoda i samim tim znatno je laksi za formiranje na-motaja. Takode velika prednost ovakvog motora je ta sto u jednom trenutkusu aktivna 2 namotaja, pa je samim ti i moment veci. Medutim elektronikapotreba za upravljanje ovakvim motorom je znatno kompleksnija nekog kodunipolarnih posto nam je za svaki namotaj potreban po jedan H most kojinam dozvoljva da struju kroz njih ukljucujemo u oba smjera.

[4]

3. Upravljanje step motorima 12

3. Upravljanje step motorima

Koracni motor je elektromehanicki pretvarac ciji je ulaz binarno kodovannaponski signal, a izlaz kvantovan ugaoni pomjeraj odreden ulaznim signa-lom. On je jedinstven element u klasi servo komponenti u kojima su ulazipromenljivi digitalni naponi, a izlazi kontinualni ugaoni pomjeraji.

3.1. Nacini upravljanja step motora

Postoje tri nacina upravljanja step motora, a oni se odnose na namotaje sta-tora i nacin pustanja struje kroz namotaje da se stvori magnetno polje.1. Signalna pobuda (kroz jedan statorski namotaj je pustena struja)2. Potpuna pobuda (dvije faze pobudene u isto vrijeme)3. Polu pobuda (jedna i dvije faze se pobuduju)

1. Signalna pobudaKod ovakve vrste pobude jedna faza ukljucena.

Slika 9: Pobuda samo jedne faze kod step motora

2. Potpuna pobudaKod ovakve vrste pobude dvije faze su ukljucene.

3. Polu pobudaKod ovakve vrste pobude dvije faze se ukljucuju, prvo jedna pa druga, ova-kav nacin poboljsava rezoluciju step motora.

3.2. Jednostavni sklop za pokretanje step motora 13

Slika 10: Pobuda dvije faze kod step motora

Slika 11: Polu pobuda dvije faze kod step motora

3.2. Jednostavni sklop za pokretanje step motora

U ovom poglavlju prikazana je jedna od jednostavnijih shema upravljanjastep motorm. Shema se sastoji od dva integrisana kola, jedno kolo je NE555koje sluzi za generisanje pravouglog signala. Ustvari predstavlja oscilatorpravouglog impulsa cija se frekvencija mijenja sa potenciometrom, a samimtim i brzina vrtnje step motora. Drugo koristeno integrisano kolo je dekadnibrojac 4017, koji impulse proizvedene oscilatorom pretvara u dekadne bro-jeve, kolo ima 10 izlaza.

Na izlaze iz 4017 dekadnog brojaca su prikljucene tranzistorske sklopke,preko kojih se vezuje step motor. Paralelno tranzistoru dodana je i dioda usvrhu naponske zastite.

3.2. Jednostavni sklop za pokretanje step motora 14

Slika 12: Shema sklopa za pokretanje step motora

Slika 13: Izlazni signali .

4. Zakljucak 15

4. Zakljucak

U seminarskom radu opisan je step motor, kao i jedan od nacina njegovogupravljanja. Koracni motori pulsnu elektricnu pobudu pretvaraju u korak,te omogucavaju potreban diskretni pomak, sto je nuzno u sklopovima i sis-temima gdje se zahtjeva kontrolirano upravljanje preciznim pomacima me-hanickih dijelova.Veliki dio tehnologija koja se susrece i koristi u svakodnevnom zivotu sadrzipokretne dijelove cijim je pomacima potrebno precizno upravljati kako bisistem zadovoljio zeljenu funkcionalnost i automatizam. Suvremena elek-tronicka rjesenja omogucavaju pretvorbu analognih velicina u digitalne po-datke, a koracni motori te iste podatke pretvaraju u proporcionalni mehanickipomak.Zbog svojih karakteristika step motori su uveliko koristeni u tehnologiji, kakostvari stoje koristiti ce se jos dugo, mada postoje jos i servo motori sa slicnimkarakteristikama.

5. Literatura 16

5. Literatura

Literatura

[1] Semir Hodzic, Muhamed Heric, Servomehanizmi II J.U. Univerzitet uTuzli, Masinski fakultet, Mehatronika, 2009.

[2] Koracni motori,URL: http://www.fer.unizg.hr/download/repository/EAPV IIIdioKM23.05.2015.

[3] Koracni motori,URL: http://people.etf.unsa.ba/ jvela-gic/laras/dok/Lekcija6.pdf, 23.05.2015.

[4] Stepper Motors,URL: http://www.allaboutcircuits.com/vol2/chpt13/5.html, 23.05.2015.

seminarski rad step motori

Documents