Come attuatore,motore passo-passoÈ uno dei prodotti chiave della meccatronica, ampiamente utilizzato in vari sistemi di controllo dell'automazione. Con lo sviluppo della microelettronica e dell'informatica, la domanda di motori passo-passo è in continua crescita e il loro utilizzo è in diversi settori economici nazionali.
01 Che cosa è unmotore passo-passo
Il motore passo-passo è un dispositivo elettromeccanico che converte direttamente gli impulsi elettrici in movimento meccanico. Controllando la sequenza, la frequenza e il numero di impulsi elettrici applicati alla bobina del motore, è possibile controllare lo sterzo, la velocità e l'angolo di rotazione del motore passo-passo. Senza l'utilizzo di un sistema di controllo a retroazione a circuito chiuso con rilevamento della posizione, è possibile ottenere un controllo preciso di posizione e velocità utilizzando un sistema di controllo a circuito aperto semplice ed economico, composto da un motore passo-passo e dal relativo driver.
02 motore passo-passostruttura di base e principio di funzionamento
Struttura di base:
Principio di funzionamento: il driver del motore passo-passo, in base all'impulso di controllo esterno e al segnale di direzione, attraverso il suo circuito logico interno, controlla gli avvolgimenti del motore passo-passo in una determinata sequenza temporale, in avanti o indietro, in modo che il motore ruoti avanti/indietro o si blocchi.
Prendiamo come esempio un motore passo-passo bifase da 1,8 gradi: quando entrambi gli avvolgimenti sono alimentati ed eccitati, l'albero di uscita del motore sarà fermo e bloccato in posizione. La coppia massima che manterrà il motore bloccato alla corrente nominale è la coppia di mantenimento. Se la corrente in uno degli avvolgimenti viene deviata, il motore ruoterà di un passo (1,8 gradi) in una determinata direzione.
Analogamente, se la corrente nell'altro avvolgimento cambia direzione, il motore ruoterà di un passo (1,8 gradi) nella direzione opposta al primo. Quando le correnti attraverso gli avvolgimenti della bobina vengono reindirizzate sequenzialmente all'eccitazione, il motore ruoterà a passi continui nella direzione indicata con altissima precisione. Per 1,8 gradi di rotazione di un motore passo-passo bifase, una settimana richiede 200 passi.
I motori passo-passo bifase presentano due tipi di avvolgimenti: bipolari e unipolari. I motori bipolari hanno una sola bobina per fase, e la rotazione continua della corrente nella stessa bobina genera un'eccitazione sequenziale. Il circuito di azionamento richiede otto interruttori elettronici per la commutazione sequenziale.
I motori unipolari hanno due bobine di avvolgimento di polarità opposta su ciascuna fase e il motore
ruota ininterrottamente alimentando alternativamente le due bobine di avvolgimento sulla stessa fase.
Il circuito di azionamento è progettato per richiedere solo quattro interruttori elettronici. Nel bipolare
modalità di guida, la coppia di uscita del motore viene aumentata di circa il 40% rispetto alla
modalità di azionamento unipolare poiché le bobine di avvolgimento di ciascuna fase sono eccitate al 100%.
03, Carico del motore passo-passo
A. Carico di momento (Tf)
Tf = G * r
G: Peso del carico
r: raggio
B. Carico di inerzia (TJ)
TJ = J * dw/dt
J = M * (R12+R22) / 2 (Kg * cm)
M: Massa del carico
R1: Raggio dell'anello esterno
R2: Raggio dell'anello interno
dω/dt: Accelerazione angolare
04, curva velocità-coppia del motore passo-passo
La curva velocità-coppia è un'espressione importante delle caratteristiche di uscita del motore passo-passo
motori.
A. Punto di frequenza operativa del motore passo-passo
Valore della velocità del motore passo-passo in un certo punto.
n = q * Hz / (360 * D)
n: giri/sec
Hz: Valore della frequenza
D: Valore di interpolazione del circuito di azionamento
q: angolo di passo del motore passo-passo
Ad esempio, un motore passo-passo con un angolo di passo di 1,8°, con un azionamento a interpolazione 1/2(ovvero 0,9° per passo), ha una velocità di 1,25 giri/s a una frequenza operativa di 500 Hz.
B. Area di autoavviamento del motore passo-passo
Area in cui è possibile avviare e arrestare direttamente il motore passo-passo.
C. Area di funzionamento continuo
In quest'area, il motore passo-passo non può essere avviato o arrestato direttamente. I motori passo-passo inquesta zona deve prima passare attraverso la zona di autoavviamento e poi essere accelerata per raggiungere laarea operativa. Allo stesso modo, il motore passo-passo in quest'area non può essere frenato direttamente,altrimenti è facile che il motore passo-passo vada fuori passo, deve prima essere decelerato perla zona di avviamento automatico e poi frenata.
D. Frequenza massima di avviamento del motore passo-passo
Stato senza carico del motore, per garantire che il motore passo-passo non perda il funzionamento del passo delfrequenza massima degli impulsi.
E. Frequenza massima di funzionamento del motore passo-passo
La frequenza massima degli impulsi alla quale il motore viene eccitato per funzionare senza perdere un passosenza carico.
F. Coppia di avviamento/coppia di trazione del motore passo-passo
Per soddisfare il motore passo-passo in una certa frequenza di impulsi per avviare e iniziare a funzionare, senzaperdita di gradini della coppia di carico massima.
G. Coppia di funzionamento/coppia di trazione del motore passo-passo
La coppia di carico massima che soddisfa il funzionamento stabile del motore passo-passo auna certa frequenza di impulsi senza perdita di passo.
05 Controllo del movimento di accelerazione/decelerazione del motore passo-passo
Quando la frequenza operativa del motore passo-passo si trova nella curva velocità-coppia continuaregione operativa, come accorciare l'avvio o l'arresto del motore, accelerazione o decelerazionetempo, in modo che il motore funzioni più a lungo nello stato di velocità migliore, aumentando così lail tempo di funzionamento effettivo del motore è molto critico.
Come mostrato nella figura sottostante, la curva caratteristica della coppia dinamica del motore passo-passo èuna linea retta orizzontale a bassa velocità; ad alta velocità, la curva diminuisce esponenzialmentea causa dell'influenza dell'induttanza.
Sappiamo che il carico del motore passo-passo è TL, supponiamo di voler accelerare da F0 a F1 inil tempo più breve (tr), come calcolare il tempo più breve tr?
(1) Normalmente, TJ = 70% Tm
(2) tr = 1,8 * 10 -5 * J * q * (F1-F0)/(TJ -TL)
(3) F(t) = (F1-F0) * t/tr + F0, 0
B. Accelerazione esponenziale in condizioni di alta velocità
(1) Normalmente
TJ0 = 70%Tm0
TJ1 = 70%Tm1
TL = 60%Tm1
(2)
tr = F4 * In [(TJ 0-TL)/(TJ 1-TL)]
(3)
F(t) = F2 * [1 - e^(-t/F4)] + F0, 0
F2 = (TL-TJ 0) * (F1-F0)/TJ 1-TJ 0)
F4 = 1,8 * 10-5 * J * q * F2/(TJ 0-TL)
Note.
J indica l'inerzia rotazionale del rotore del motore sotto carico.
q è l'angolo di rotazione di ogni passo, che è l'angolo di passo del motore passo-passo nel
caso dell'intera unità.
Nell'operazione di decelerazione, è sufficiente invertire la frequenza degli impulsi di accelerazione sopra indicata
calcolato.
06 vibrazioni e rumore del motore passo-passo
In generale, il motore passo-passo funziona a vuoto, quando la frequenza di funzionamento del motoreè vicino o uguale alla frequenza intrinseca del rotore del motore risuonerà, grave saràsi verifica il fenomeno del fuori passo.
Diverse soluzioni per la risonanza:
A. Evitare la zona di vibrazione: in modo che la frequenza di funzionamento del motore non rientrila gamma di vibrazione
B. Adottare la modalità di azionamento a suddivisione: utilizzare la modalità di azionamento micro-step per ridurre le vibrazioni
suddividendo il passaggio originale in più passaggi per aumentare la risoluzione di ciascuno
passo del motore. Ciò può essere ottenuto regolando il rapporto fase/corrente del motore.
Il microstepping non aumenta la precisione dell'angolo di passo, ma fa funzionare il motore più
in modo fluido e con meno rumore. La coppia è generalmente inferiore del 15% per il funzionamento a mezzo passo.
rispetto al funzionamento a passo intero e inferiore del 30% per il controllo della corrente sinusoidale.
Data di pubblicazione: 09-11-2022