Pramonėje yra daug žingsninių variklių, tokių kaip automatikos valdymas, robotų jungtys, spausdintuvo valdymas ir kt. Plačiausiai naudojami hibridiniai žingsniniai varikliai. Vienas iš plačiausiai naudojamų yra hibridinis žingsninis variklis, kuris taip pat yra daugumos žingsninių variklių, su kuriais susiduriame kasdien, forma. Konceptualiai, žingsniniai varikliai ir kintamo pasipriešinimo varikliai turi tam tikrų sąsajų ir skirtumų, šiame darbe iš pradžių bus kalbama apie pasipriešinimo variklio / žingsninio variklio struktūrą ir veikimo principą bei palyginami skirtumai tarp skirtingų variklių.
1. Kintamo pasipriešinimo variklis
Kintamo pasipriešinimo variklis (Variable-Reluktance Machine) taip pat žinomas kaip perjungimo pasipriešinimo variklis, bene paprasčiausias iš visų variklio konstrukcijų, naudojant statorių su sužadinimo apvijomis ir feromagnetiniu rotoriumi su išgaubta poliaus struktūra. Rotorius neturi ritės apvijų ir nuolatinių magnetų, jis priklauso nuo rotoriaus nenoro skirtingose padėtyse generuoti elektromagnetinę jėgą (dΨ/dθ).
Žinome, kad magnetinis srautas visada linkęs kirsti kelią su mažiausiu nenoru. Kaip parodyta . 1.1 pav., S1 S2 valdo srovės įjungimą ir išjungimą, o VD1 VD2 yra srovės tęstinumo diodas. Padėtis, parodyta AA' ir aa' padėtyje didžiausio pasipriešinimo, CC ' minimalaus pasipriešinimo, jei D fazė šiuo metu įjungta, rotorius suksis prieš laikrodžio rodyklę; jei B fazė šiuo metu įjungta, rotorius suksis pagal laikrodžio rodyklę; jei A fazė šiuo metu įjungta, rotorius išliks nepakitęs. Pažymėtina, kad įjungiami varžos varikliai negali suvokti variklio sukimosi krypties pasikeitimo keičiant srovės kryptį, o keičiant energijos tiekimo seką, kad būtų įgyvendintas variklio sukimasis pirmyn ir atgal.
Sukimo pagal laikrodžio rodyklę seka: B-A-D-C
Sukimosi prieš laikrodžio rodyklę energijos tiekimo seka: D-A-B-C
Kadangi sukimosi metu variklio magnetinė varža drastiškai keičiasi, pasipriešinimo variklio sukimo momento pulsacija taps didelė. Siekiant užtikrinti, kad variklis veiktų sklandžiai ir efektyviai, norint valdyti pasipriešinimo variklį, be kitos informacijos reikia žinoti rotoriaus padėtį, apkrovos būseną ir greičio būseną. Ir pasipriešinimo variklio modelis neturi gero nuolatinio magneto sinchroninio variklio / asinchroninio variklio tiesiškumo, todėl norint pagerinti valdymo tikslumą, reikia daug numatymo modelių ir algoritmų, o tai neabejotinai padidina pasipriešinimo variklio valdymo sunkumus.
1.1 pav. Kintamo pasipriešinimo variklio pagrindinė struktūra
2. Nuo kintamo pasipriešinimo variklių iki žingsninių variklių
Kintamo pasipriešinimo varikliai gali padalyti judėjimo kampą padidindami statoriaus ir rotoriaus polių skaičių arba statoriaus įjungiamų fazių skaičių dėl specialaus valdymo būdo (impulsinio kintamo laidumo). Tokių suskirstytų konstrukcijų su skirtingomis kampinio sukimo momento charakteristikomis yra įvairių, todėl jos nebus aptariamos. Šiame straipsnyje mes ištirsime kelis įprastus kintamo pasipriešinimo variklių mechanizmus iš skirtingų matmenų, kad pamatytume, kaip žingsniniai varikliai išsiskiria iš daugybės kintamo pasipriešinimo variklių konstrukcijų.
2.1 Pilies tipo kintamo pasipriešinimo variklis
Kaip minėta anksčiau, padidinus išsikišusių polių skaičių, galima padalyti judėjimo kampą, tačiau labiau išsikišę poliai užims daug vietos ritėje, sumažėja variklio apvijos efektyvumas, o išsikišusių polių negalima be galo padidinti. Esant tokiam pačiam pavaros fazių skaičiui, išgraviravus mažą dantuką ant išsikišusio stulpo, taip pat galima suskirstyti pagal mašinos atstumo kampą. Kaip parodyta 2.1 paveiksle, trijų-fazių pilies-tipo kintamo pasipriešinimo variklis su 6 polių statoriumi, 4 dantimis poliui ir 28 polių rotoriumi. Energijos tiekimo ritė 1, ritė 2 ir ritė 3 nuosekliai gali priversti rotorių suktis 2/3 žingsnio atstumu kiekviename žingsnyje. vertės turi būti suprojektuotos atsižvelgiant į variklio konstrukcijos santykį ir čia nėra aptariamos.
Šio tipo varikliai paprastai naudojami mažo greičio, didelio sukimo momento ir tikslios kampinės skiriamosios gebos atveju, ši struktūra jau gali būti vadinama "žingsniu varikliu", nes šio variklio valdymas taip pat gali būti atskirtas nuo padėties nustatymo, per impulsų sekos pavarą galima realizuoti gana sklandų valdymą.
2.1 pav. Trijų-fazių pilies-tipo kintamo pasipriešinimo variklis
2.2 Kelių{1}}pakopų kintamo pasipriešinimo varikliai
Kintamos varžos varikliai, sudaryti iš vieno rotoriaus su daugiafaze{0}}apvija, taip pat žinomi kaip „vieno-segmento kintamos varžos varikliai“. Kitas kintamo pasipriešinimo variklių tipas yra į daugybę segmentų suskirstytas rotorius ir statorius, kuriuos galima suskirstyti nedidinant statoriaus fazių skaičiaus ir yra draugiškesnis statoriaus apvijų struktūrai. Galima nustatyti vienos fazės segmentą, kuris praktiškai pašalina daugiafazio variklio apvijos galą. N -segmento varikliams kiekvieno segmento rotorius arba statorius yra paskirstytas 1/n jo poliaus žingsnio kampu, o polių žingsnį galima dar padalyti iš n kartų.
2.3 Hibridiniai žingsniniai varikliai
Paprastame kintamo pasipriešinimo variklyje sukimosi kryptis priklauso nuo impulsinės srovės laiko ir variklio pasipriešinimo struktūros, o srovės kryptis jai įtakos neturi. Trūkstant srovės, rotorius negali būti pritvirtintas konkrečioje padėtyje, nes trūksta pasipriešinimo sukimo momento, o tai dar labiau apsunkina valdymą. Pridėjus nuolatinius magnetus prie originalios perjungiamo pasipriešinimo variklio struktūros, kad būtų suformuotas nuolatinis magnetas arba hibridinis kintamo pasipriešinimo variklis, galima žymiai pagerinti žingsninių variklių sukimo momentą ir padėties tikslumą, o tai šiandien yra labiausiai paplitusi žingsninių variklių konstrukcija.
Kaip parodyta 2.2 paveiksle, hibridinio žingsninio variklio struktūra yra labai panaši į kelių -segmentų kintamo pasipriešinimo variklį, įdėtą tarp dviejų rotoriaus nuolatinių magnetų segmentų, galima pamatyti proksimaliniame S-polio N-poliaus distaliniame gale. Statorius gali būti suprojektuotas kaip vieno-segmento variklio struktūra ir reikalinga tik dviejų-fazių pavara, todėl variklio struktūra ir kaina labai supaprastėja. Paveikslėlyje parodytas variklio rotoriaus polių porų skaičius yra 3, taigi mechaninis kampas, atitinkantis vieną elektros ciklą, yra 360/(2*3)=60.
Kad būtų lengviau suprasti, θ yra mechaninis kampas ir specifinė važiavimo seka:
θ=0~10, 1 fazė ir 2 fazė vienu metu praeina vienodos amplitudės teigiamą srovę
θ=10~20, 2 fazė praleidžia tik teigiamą srovę
θ=20~30, 1 fazė praleidžia tik neigiamą srovę
θ=30~40, 1 fazė ir 2 fazė vienu metu praeina vienodos amplitudės neigiamą srovę
θ=40~50, 2 fazė praleidžia tik neigiamą srovę
θ=50~60, 1 fazė praleidžia tik teigiamą srovę
Ciklinis laidumas... ...
2.2 pav. Hibridinio žingsninio variklio struktūra
3. žingsninio variklio valdymas
Kaip parodyta 3.1 paveiksle, žingsninio variklio pavaros grandinės struktūrą paprastai galima suskirstyti į dvipolius variklius ir vienpolius variklius: vienpolius variklius per kintamą apvijos laidumą, kad būtų pakeista srauto kryptis, dvipolius variklius valdant H{1}}tiltą, kad būtų pakeista srovės kryptis, kad būtų pakeista srauto kryptis.
Vienpoliam varikliui reikia tik 4 galių MOS, vienpolio srovės valdymo (iš MOS vamzdžio perspektyvos), tačiau variklio apvijai reikia dar vieno čiaupo; bipolinis variklis paprastesnės konstrukcijos, labai išnaudotos dvi apvijos, bet važiavimui jį reikia padidinti iki 8 galių MOS, o valdiklio kaina išaugs.
3.1 pav. Vienpolių ir dvipolių žingsninių variklių pavaros
Be variklio struktūros padalijimo, žingsniniai varikliai taip pat gali valdyti žingsninio variklio padalijimo tikslumą, valdydami srovės bangos formą. Padalijimo principas yra įterpti imituojamą sinusoidinę srovę tarp mažiausių žingsnių kampų, kad būtų padalinti žingsnio kampai, o tai dar vadinama srovės padalijimu.
3.2 pav. Žingsninio variklio pavaros srovės gedimas
3.1 Uždarojo ciklo srovė
Dabartinis žingsninio variklio nustatymas turi būti nustatytas atsižvelgiant į apkrovos poreikį, kuo didesnė apkrova, tuo didesnė turi būti važiavimo srovė, tačiau atviros{0}}žingsninio variklio valdymas negali pajusti apkrovos dydžio, o tai dažnai lemia atvirosios{1}}kilpos pavaros neefektyvumą. Srovės padalijimas reikalauja tikslaus srovės valdymo, poreikio suformuoti uždarą valdomos srovės kilpą, tai yra srovės išėjimą, skirtą pastovios srovės charakteristikoms; kita vertus, dėl netiesinio žingsninio variklio magnetinės varžos pokyčio, reikia visada stebėti išėjimo srovės dydį, kad šerdis neprisotintų srovės, kurią sukelia valdymo praradimas. Toliau pateiktame 3.3 paveiksle pateikta žingsninio variklio tvarkyklės lusto TB67S109AFNG srovės valdymo bangos formos schema. Fchop vidiniam perjungimo ciklui per vidinio laikrodžio (vidinio OSC) dažnio padalijimą.
Konkretūs nuolatinės srovės valdymo žingsniai yra tokie:
H-tiltas laidus, srovė greitai kyla iki NF, o srovės kilimo nuolydis yra VDC/Ls
Pasiekite nustatytą srovės tašką NF, išjunkite H-tiltą, srovė atnaujinama atnaujinimo diodu, o kritimo nuolydis yra -VDC/Ls (greitas pokytis)
Kai srovė pasiekia nustatyto taško apatinę linijos vertę, valdykite H-tiltą, kad trumpai sujungtumėte induktoriaus ritę (dažniausiai apatinį tiltelį) ir išlaikytumėte pastovią srovę (lėtas pokytis)
Kai keičiasi nustatytojo taško srovė, H-tiltas per tą pačią valdymo strategiją, kad valdytų srovę paskutiniame nustatytame taške, kad jis liktų pastovus
Kaip parodyta 3.4 pav., yra išmatuota žingsninio variklio bangos forma, jei apatinio tikslumo padalijimas gali būti matomas akivaizdus žingsnis-kaip dabartinė bangos forma ,. Jei padalijimo laipsnis yra labai didelis, tada srovė yra arčiau sinusinės srovės, kaip parodyta 3.5 pav.
3.3 pav. TB67S109AFNG srovės valdymas
3.4 pav. Išmatuota žingsninio variklio srovė (neskirstyta)
3.5 pav. Žingsninio variklio išmatuota srovė (padalijimas)3.2 Atvirosios-kilpos ir uždarojo-ciklo valdymas
Naudojant atviros-kilpos valdymą, kadangi nėra rotoriaus padėties informacijos grįžtamojo ryšio, iš esmės nežinoma, ar valdiklis seka sistemą, ar ne. Jei apkrova yra nenormali, žingsninis variklis gali lengvai prarasti žingsnius. Kai kuriose didelio-tikslumo, didelio našumo{4}}programose per kodavimo įrenginį ar kitus padėties jutiklius grįžtama prie padėties informacijos, kad žingsnių pavaros sistema galėtų nustatyti, ar žingsnis buvo prarastas, jei žingsnio praradimas kompensuos pulso praradimą valdant valdiklį, taip pat gana lengva realizuoti.
Santrauka
Šiame darbe trumpai aprašoma pagrindinė kintamo pasipriešinimo variklių struktūra ir jų raida į žingsninius variklius, palyginama kelių įprastų žingsninių variklių struktūra ir valdymo logika. Žingsninio variklio valdymo principas ir srovės padalijimo valdymo detalės pristatomos siekiant visapusiškesnio supratimo apie žingsninius variklius.