Existe una gran cantidad de aplicaciones de motores paso a paso en el campo industrial, como control de automatización, articulaciones de robots, control de impresoras, etc. Los más utilizados son los motores paso a paso híbridos. Uno de los más utilizados es el motor paso a paso híbrido, que también es la forma de la mayoría de los motores paso a paso con los que entramos en contacto a diario. Conceptualmente, los motores paso a paso y los motores de reluctancia variable existen ciertos vínculos y diferencias. Este artículo hablará inicialmente sobre la estructura y el principio de funcionamiento del motor de reluctancia / motor paso a paso y comparará las diferencias entre los diferentes motores.
1. Motor de reluctancia variable
El motor de reluctancia variable (-máquina de reluctancia variable) también se conoce como motor de reluctancia de conmutación, quizás el más simple de todas las estructuras del motor, por el estator equipado con devanados de excitación y un rotor ferromagnético con una estructura de polo convexo. El rotor no tiene devanados ni imanes permanentes, y depende de la variación de la reluctancia del rotor en diferentes posiciones para generar una fuerza electromagnética (dΨ/dθ).
Sabemos que el flujo magnético siempre tiende a cruzar el camino con menor desgana. Como se muestra en la Fig. 1.1, S1 S2 controla el encendido y apagado de la corriente, y VD1 VD2 es el diodo de continuidad de corriente. La posición que se muestra en la posición de AA' y aa' posición de la reluctancia máxima, la reluctancia mínima de CC, si la fase D está energizada en este momento, el rotor girará en sentido antihorario; si la fase B está energizada en este momento, el rotor girará en el sentido de las agujas del reloj; Si la fase A se energiza en este momento, el rotor permanecerá sin cambios. Cabe señalar que los motores de reluctancia conmutada no pueden realizar el cambio de dirección de rotación del motor mediante el cambio de dirección de la corriente, sino mediante el cambio de secuencia de activación para realizar la rotación hacia adelante y hacia atrás del motor.
Secuencia de activación de rotación en el sentido de las agujas del reloj: B-A-D-C
Secuencia de activación de rotación en sentido antihorario: D-A-B-C
Dado que la resistencia magnética del motor cambia drásticamente durante la rotación, la pulsación de par del motor de reluctancia será alta. Para garantizar que el motor pueda funcionar de manera suave y eficiente, controlar el motor de reluctancia requiere conocer la posición del rotor, el estado de la carga y el estado de la velocidad, entre otra información. Y el modelo del motor de reluctancia no tiene la buena linealidad del motor síncrono/asincrónico de imán permanente, por lo que necesita muchos modelos y algoritmos de predicción para mejorar la precisión del control, lo que sin duda aumenta la dificultad del control del motor de reluctancia.
Figura 1.1 Estructura básica del motor de reluctancia variable
2. De motores de reluctancia variable a motores paso a paso
Los motores de reluctancia variable pueden subdividir el ángulo de movimiento aumentando el número de polos del estator y del rotor o el número de fases energizadas del estator debido a su método de control especial (conducción alterna pulsada). Existe una variedad de estructuras subdivididas de este tipo con diferentes características de par angular, por lo que no se analizarán. En este artículo, exploraremos varios mecanismos motores de reluctancia variable comunes, desde diferentes dimensiones para ver cómo los motores paso a paso se destacan entre la multitud de estructuras de motores de reluctancia variable.
2.1 Motor de reluctancia variable tipo castillo
Como se mencionó anteriormente, aumentar el número de polos sobresalientes puede subdividir el ángulo de movimiento, pero cuanto más polos sobresalientes ocuparán mucho espacio de la bobina, la eficiencia del devanado del motor se reduce y los polos sobresalientes no se pueden aumentar indefinidamente. En el mismo número de fases de accionamiento, grabando un pequeño diente en el polo que sobresale, también se puede subdividir por el ángulo de distancia de la máquina. Como se muestra en la Figura 2.1, un motor trifásico de reluctancia variable tipo castillo-- con un estator de 6 polos, 4 dientes por polo y un rotor de 28 polos. Energizar la bobina 1, la bobina 2 y la bobina 3 secuencialmente puede hacer que el rotor gire con una distancia de paso de 2/3 en cada paso. Los valores deben diseñarse de acuerdo con las relaciones de engranaje del diseño del motor y no se analizan aquí.
Este tipo de motor se utiliza generalmente en baja velocidad, alto par y resolución angular de precisión. Esta estructura ya puede denominarse "motor paso a paso", porque el control de este motor, además de poder separarse de la detección de posición, a través del accionamiento de secuencia de impulsos puede realizar un control relativamente suave.
Figura 2.1 Motor trifásico de reluctancia variable tipo castillo--
2.2 Motores de reluctancia variable multietapa
Los motores de reluctancia variable que constan de un solo rotor con un devanado multifásico también se conocen como "motores de reluctancia variable de un solo-segmento". Otro tipo de motor de reluctancia variable es un rotor y un estator divididos en muchos segmentos, que se pueden subdividir sin aumentar el número de fases del estator y son más amigables con la estructura de devanado del estator. Es posible configurar un segmento con una fase, lo que prácticamente elimina el extremo entrelazado del motor multifásico. Para motores de n-segmentos, el rotor o estator de cada segmento está escalonado en 1/n del ángulo de su paso de polo, y el paso de polo se puede subdividir aún más en n veces.
2.3 motores paso a paso híbridos
En un motor de reluctancia variable simple, la dirección de rotación depende de la sincronización de la corriente del pulso y de la estructura de reluctancia del motor, y no se ve afectada por la dirección de la corriente. En ausencia de corriente, el rotor no se puede fijar en una posición específica debido a la falta de par de reluctancia, lo que aumenta aún más la dificultad de control. Agregar imanes permanentes a la estructura original del motor de reluctancia conmutada para formar un imán permanente o un motor híbrido de reluctancia variable puede mejorar significativamente el par y la precisión posicional de los motores paso a paso, que es la estructura de motor paso a paso más común en la actualidad.
Como se muestra en la Figura 2.2, la estructura del motor paso a paso híbrido es muy similar al motor de reluctancia variable de múltiples segmentos, insertado entre los dos segmentos de los imanes permanentes del rotor, se puede ver en el extremo proximal del polo N-extremo distal del polo S-. El estator se puede diseñar como una estructura de motor de un solo-segmento y solo se requiere un accionamiento bifásico-, lo que simplifica enormemente la estructura y el costo del motor. El número de pares de polos del rotor en el motor que se muestra en la figura es 3, por lo que el ángulo mecánico correspondiente a un ciclo eléctrico es 360/(2*3)=60.
Para facilitar la comprensión, θ es el ángulo mecánico y la secuencia de conducción específica:
θ=0~10, las fases 1 y 2 pasan corriente positiva de igual amplitud al mismo tiempo
θ=10~20, la fase 2 pasa corriente positiva sola
θ=20~30, la fase 1 pasa corriente negativa sola
θ=30~40, las fases 1 y 2 pasan corriente negativa de igual amplitud al mismo tiempo
θ=40~50, la fase 2 pasa corriente negativa sola
θ=50~60, la fase 1 pasa corriente positiva sola
Conducción cíclica... ...
Figura 2.2 Estructura del motor paso a paso híbrido
3. control del motor paso a paso
Como se muestra en la Figura 3.1, la estructura del circuito de accionamiento del motor paso a paso generalmente se puede dividir en motores bipolares y motores unipolares: motores unipolares a través de la conducción alterna del devanado para lograr un cambio en la dirección del flujo, motores bipolares a través del control del puente H- para lograr un cambio en la dirección de la corriente para lograr un cambio en la dirección del flujo.
El motor unipolar solo necesita 4 MOS de potencia, control unipolar de la corriente (desde la perspectiva del tubo MOS), pero el devanado del motor necesita un grifo más; El motor bipolar tiene una estructura más simple, se utilizan mucho dos devanados, pero es necesario aumentarlo a 8 MOS de potencia para su accionamiento, y el costo del controlador aumentará.
Figura 3.1 Accionamientos de motores paso a paso unipolares y bipolares
Además de la subdivisión en la estructura del motor, los motores paso a paso también pueden controlar la precisión de la subdivisión del motor paso a paso controlando la forma de onda de la corriente. El principio de subdivisión es insertar la corriente sinusoidal simulada entre los ángulos de paso más pequeños para subdividir los ángulos de paso, lo que también se denomina subdivisión de corriente.
Figura 3.2 Desglose de la corriente de accionamiento del motor paso a paso
3.1 Corriente de circuito cerrado
La configuración actual del motor paso a paso debe determinarse de acuerdo con la demanda de la carga; cuanto mayor sea la carga, mayor debe ser la corriente de accionamiento, pero el control de bucle abierto-del motor paso a paso no puede detectar el tamaño de la carga, lo que a menudo resulta en la ineficiencia del control de bucle abierto-. La subdivisión actual requiere un control preciso de la corriente, la necesidad de formar un circuito cerrado de la corriente controlada, es decir, la salida de corriente para las características de corriente constante; por otro lado, debido al cambio no lineal de la magnetorresistencia en el motor paso a paso, es necesario monitorear siempre el tamaño de la corriente de salida para evitar que el núcleo sature la corriente causada por la pérdida de control. Figura 3.3 a continuación, para el esquema de forma de onda de control de corriente del chip controlador del motor paso a paso TB67S109AFNG. Fchop para el ciclo de conmutación interno, a través de la división de frecuencia del reloj interno (OSC interno).
Los pasos específicos de control de corriente constante son los siguientes:
El puente H-conduce, la corriente aumenta rápidamente a NF y la pendiente del aumento de corriente es VDC/Ls
Alcance el punto de corriente establecido NF, apague el puente H-, la corriente se renueva mediante el diodo de renovación y la pendiente de caída es -VDC/Ls (cambio rápido)
Cuando la corriente alcance el valor de la línea inferior del punto de ajuste, controle el puente H-para cortocircuitar la bobina inductora (generalmente el puente inferior) y mantenga la corriente constante (cambio lento).
Cuando la corriente del punto de ajuste cambia, el H-puente a través de la misma estrategia de control para controlar la corriente en el último punto de ajuste actual para permanecer constante
Como se muestra en la Figura 3.4, la forma de onda medida del motor paso a paso es obvia, si se puede ver la subdivisión de la precisión del paso inferior-como la forma de onda actual. Si el grado de subdivisión es muy alto, entonces la corriente se acerca más a una corriente sinusoidal, como se muestra en la Figura 3.5.
Figura 3.3 Control de corriente TB67S109AFNG
Figura 3.4 Corriente medida del motor paso a paso (no subdividido)
Figura 3.5 Corriente medida del motor paso a paso (subdivisión)3.2 Control de bucle-abierto y de bucle cerrado-
Con el control de bucle abierto-, dado que no hay retroalimentación de la información de la posición del rotor, esencialmente se desconoce si el control sigue el sistema o no. Si hay alguna anomalía en la carga, es fácil hacer que el motor paso a paso pierda pasos. En algunas aplicaciones de alta-precisión y alto-rendimiento, a través del codificador u otros sensores de posición se regresa a la información de posición, de modo que el sistema de accionamiento paso a paso puede saber si se ha producido o no la pérdida de paso, si la pérdida de paso compensará la pérdida de pulso en el control del control también es relativamente fácil de realizar.
Resumen
Este artículo describe brevemente la estructura básica de los motores de reluctancia variable y su evolución a motores paso a paso, y compara la estructura y la lógica de control de varios motores paso a paso comunes. Se presentan el principio de control del motor paso a paso y los detalles de control de la subdivisión actual para proporcionar una comprensión más completa de los motores paso a paso.