1

Senzori i Senzori i aktuatoriaktuatori

Senzori i aktuatori

Koračni motoriKoračni motori

2

1) Osnove koračnih motora2) Prednosti koračnih motora3) Nedostaci koračnih motora4) Osobine koračnih motora5) Podela koračnih motora6) Permanentnomagnetski koračni motori7) Dvofazni permanentnomagnetski koračni motori8) Trofazni permanentnomagnetski koračni motori9) Prednosti PM koračnih motora10)Nedostaci PM koračnih motora11)Hibridni koračni motori12)Matematički model hibridnog koračnog motora

Sadržaj predavanja

3

Osnove koračnih motora

Motivacija: proizvesti motor koji bi se mogao neposredno upravljati pomoću digitalnog računara i čiji bi se izlazni signal neposredno dovodio računaru bez složenih A/D i D/A konvertora.

Od takvih motora se zahtevaju diskretni, odnosno koračni mehanički pomaci, odakle i potiče naziv koračni motori (eng. stepper motors).

Koračni motori su elektromehanički konvertori energije, koji impulsnu, odnosno koračnu električku pobudu pretvaraju u koračni mehanički pomerak.

Izrađuju se u rotacionoj i translacionoj realizaciji (preovladava rotacionoj).

Na malim koračnim brzinama rotor se zaustavlja na svakom koračnom položaju.

4

Osnove koračnih motora

Na srednjim brzinama nema zaustavljanja rotora na svakom koračnom položaju, ali ugaona brzina osciluje zavisno od položaja.

Što se koračna brzina više povećava, oscilacije ugaone brzine postaju sve manje, tako da na velikim koračnim brzinama ugaona brzina teži konstantnoj brzini.

Pojam “velika koračna brzina” je relativan, a zavisno od konstrukcije, kod komercijalnih motora se kreće od 102 do 104 koraka u sekundi [k/s].

Koračni motor je električki motor bez komutatora. Svi namotaji su smešteni na statoru, a rotor je permanentni

magnet

5

Osnove koračnih motora

Komunikacijom se upravlja od spolja kontrolerom, pri čemu su motori i kontroleri dizajnirani na način da motor može doći u bilo koju fiksnu poziciju.

Većina koračnih motora može koračati na audio frekvencijama, i primenom odgovarajućeg kontrolera mogu se startovati i zaustavljati “on a dime” na upravljanim orijentacijama.

6

Prednosti koračnih motora

Niska cenaNiska cena Male dimenzije i masaMale dimenzije i masa Velike funkcijske mogućnostiVelike funkcijske mogućnosti Često se isporučuju integriČesto se isporučuju integrissano sano saa radnim radnim

mehanizmommehanizmom Pretvara digitalne ulazne impulse u analogno Pretvara digitalne ulazne impulse u analogno

kretanje:kretanje: uključenje napona naredne faze - pomak za 1 korak,uključenje napona naredne faze - pomak za 1 korak, broj koraka = broj upravljačkih impulsa (jedan korak broj koraka = broj upravljačkih impulsa (jedan korak

odgovara određenom fiksnom uglu zakretodgovara određenom fiksnom uglu zakretaa).). Ugao rotacije motora je proporcionalan ulaznom Ugao rotacije motora je proporcionalan ulaznom

impulsuimpulsu

7

Prednosti koračnih motora

Odziv rotora na digitalne impulse omogućOdziv rotora na digitalne impulse omogućavaava upravljanje u otvorenoj petlji (upravljanje položajem upravljanje u otvorenoj petlji (upravljanje položajem radne osovine bez povratne veze → jednostavno je radne osovine bez povratne veze → jednostavno je realizrealizovovati sistem upravljanja većim brojem motora ati sistem upravljanja većim brojem motora (roboti, pisači)).(roboti, pisači)).

Ne akumulira grešku položajaNe akumulira grešku položaja Jednostavne su konstrukcije i ne zahtevaju Jednostavne su konstrukcije i ne zahtevaju

održavanjeodržavanje Motor ima puni moment u zastoju (ako su namotMotor ima puni moment u zastoju (ako su namotajaji i

napajani).napajani).

8

Prednosti koračnih motora Precizno pozicioniranje i ponovljivost pokreta, budući Precizno pozicioniranje i ponovljivost pokreta, budući

da dobri koračni motori imaju grešku od 3-5% od da dobri koračni motori imaju grešku od 3-5% od ukupnog ukupnog broja broja korakakoraka

Odličan odziv na zalet, zaustavljanje i promenu Odličan odziv na zalet, zaustavljanje i promenu smerasmera

Veoma pouzdani jer nemaju kontaktnVeoma pouzdani jer nemaju kontaktnee četkic četkicee u u motoru. Osim toga, životni vek motora jednostavno motoru. Osim toga, životni vek motora jednostavno zavzavisi oisi odd životnom veku ležajeva. životnom veku ležajeva.

Moguće je postići veoma sporu sinhronu brzinu Moguće je postići veoma sporu sinhronu brzinu rotacije kada je osovina direktno opterećena (teret na rotacije kada je osovina direktno opterećena (teret na osovini).osovini).

Može realizovati široko područje raspoloživih brzina Može realizovati široko područje raspoloživih brzina jer je brzina proporcionalna frekvenciji ulaznih jer je brzina proporcionalna frekvenciji ulaznih impulsa.impulsa.

9

Prednosti koračnih motora

RezolucijaRezolucija Odziv jednog korakaOdziv jednog koraka TačnostTačnost Statički momentStatički moment Dinamički momentDinamički moment Start stopni moment.Start stopni moment. RotaciRotacioni oni koračni motorkoračni motor

NNkk [kor/okr] - broj koraka po okretaju, [kor/okr] - broj koraka po okretaju,

k=360°/Nk=360°/Nkk [ ° ] - iznos koraka u stepenima [ ° ] - iznos koraka u stepenima

Linearni koračni motorLinearni koračni motor xxkk [mm] - iznos koraka [mm] - iznos koraka

10

Nedostaci koračnih motora

Fiksan korakFiksan korak Razmerno mala efikasnostRazmerno mala efikasnost Ograničene mogućnosti pokretanja tereta sOgraničene mogućnosti pokretanja tereta saa

velikim momentom inercije.velikim momentom inercije. Moment trenja i aktivni teret mogu povećati grešku Moment trenja i aktivni teret mogu povećati grešku

položaja (moguć je gubitak koraka - posledica je položaja (moguć je gubitak koraka - posledica je akumulirana greška položaja).akumulirana greška položaja).

Mogućnost pojave rezonance ako nije adekvatno Mogućnost pojave rezonance ako nije adekvatno upravljanjeupravljanje

TTeško ih je upravljati na velikim brzinama.eško ih je upravljati na velikim brzinama.

11

Osobine koračnih motora Mogućnost mikrokoračanjaMogućnost mikrokoračanja

upravljanje iznosom struja fazaupravljanje iznosom struja faza različiti položaji vektora poljarazličiti položaji vektora polja deljenje korakadeljenje koraka

Odziv jednog korakaOdziv jednog koraka 1. faza uključena (ostale faze isključene)1. faza uključena (ostale faze isključene) 1. faza se isključi i 2. faza se uključi1. faza se isključi i 2. faza se uključi

pomak rotora za 1 korakpomak rotora za 1 korak Iz odziva jednog koraka vidljive su sledeće Iz odziva jednog koraka vidljive su sledeće

karakteristike motora:karakteristike motora: brzina odziva,brzina odziva, oscilatornost,oscilatornost, tačnosttačnost

12

Podela koračnih motora Podela koračnih motora se vrši prema:Podela koračnih motora se vrši prema:

vrsti vrsti popobude;bude; broju faza;broju faza; broju polova;broju polova; načinu kretanja.načinu kretanja.

Što se tiče vrste Što se tiče vrste popobude koračnbude koračnii motor motori se i se razlikujrazlikuju u prema:prema:

Načinu stvaranja magnetNačinu stvaranja magnetnnog polja:og polja: elektromagnetelektromagnetnna a popobudabuda popobuda permanentnim magnetima.buda permanentnim magnetima.

NačinuNačinu popobude:bude: popobuda na rotoru (aktivni koračni motori)buda na rotoru (aktivni koračni motori),, popobuda na statoru.buda na statoru.

13

Permanentnomagnetski koračni motori

PermanentnoPermanentno--magnetmagnetnini koračni motori imaju radijalni koračni motori imaju radijalni permanentnopermanentno--magnetmagnetnni rotor i višefazno izvedeni i rotor i višefazno izvedeni elektromagnetelektromagnetnni stator.i stator.

PPermanentni magneti su na rotoru. ermanentni magneti su na rotoru. JJednostavniednostavni s suu za za realizacijurealizaciju i i imaju imaju nižu cenu.nižu cenu.

PPermanentnomagnetski rotor ermanentnomagnetski rotor se se postavlja u smeru postavlja u smeru rezultantnog statorskog polja i na taj način se obavlja rezultantnog statorskog polja i na taj način se obavlja koračna rotacija.koračna rotacija.

Broj faza: od 8-12, broj pari polova: 1-12, broj paketa Broj faza: od 8-12, broj pari polova: 1-12, broj paketa statora 2-4.statora 2-4.

14

Permanentnomagnetski koračni motori

Ova vrsta koračnih motora ima malu rezoluciju - tipični koračni Ova vrsta koračnih motora ima malu rezoluciju - tipični koračni uglovi između 7.5º i 15º.uglovi između 7.5º i 15º.

Rotor je magnetiziran sRotor je magnetiziran saa alternativnim S i N polovima. alternativnim S i N polovima. Povećana gustPovećana gustina ina magnetmagnetnog fliksanog fliksa omogućuje poboljšanje omogućuje poboljšanje

momentnih karakteristika.momentnih karakteristika.

15

Princip rada Zatvaranjem Zatvaranjem prekidača prekidača u navedenom redosledu:u navedenom redosledu:

rotacija rezultantnog vektora magnetskog polja,rotacija rezultantnog vektora magnetskog polja, zakretanje rotora prema vektoru magnetskog polja.zakretanje rotora prema vektoru magnetskog polja.

Kretanje smerom obrnutim od kazaljke na satu.Kretanje smerom obrnutim od kazaljke na satu.

Rezolucija:Rezolucija:

gde su:gde su:

NNsusu – ukupan broj zubi svih – ukupan broj zubi svih

statorskih paketa,statorskih paketa,

pprr – broj pari polova rotora, – broj pari polova rotora,

qqss – broj statorskih paketa. – broj statorskih paketa.

16

Dvofazni permanentnomagnetski koračni motori

Najjednostavniji primer ove vrste motora je dvofazni Najjednostavniji primer ove vrste motora je dvofazni četvčetvooropolni motor.ropolni motor.

Dvofazni permanentnomagnetski Dvofazni permanentnomagnetski koračni motor - koračni hod. koračni motor - koračni hod. (oznake u zagradama(oznake u zagradama→→drugi drugi smer brzine smer brzine okretanjaokretanja))

17

Trofazni permanentnomagnetski koračni motori

Složenija konstrukcija trofaznog motora sa Složenija konstrukcija trofaznog motora sa permanentnomagnetpermanentnomagnetnnim rotorom.im rotorom.

Stator nema izraženStator nema izraženee polov polovee NamotNamotajaj je u osnovi kao trofazni indukcijski motor. je u osnovi kao trofazni indukcijski motor. Pobuđivanjem svake faze pojedinačno, nastaje rotacija od 2Pobuđivanjem svake faze pojedinačno, nastaje rotacija od 2ππ/3 /3

(koračni hod od 2(koračni hod od 2ππ/3)./3).

18

Prednosti PM koračnih motora

Postoji statički moment i kad nije priključeno napajanje (u Postoji statički moment i kad nije priključeno napajanje (u nepobuđenom stanju imaju nepobuđenom stanju imaju otporniotporni moment, tj. mogu se moment, tj. mogu se opteretiti momentom po vrednosti opteretiti momentom po vrednosti otpprotnog otpprotnog momentmomentaa, a da se , a da se ne izazove kontinuirani pomak).ne izazove kontinuirani pomak).

Veliki Veliki odnosodnos statičkog momenta i dimenzija. statičkog momenta i dimenzija. Potrebna manja snaga za rad.Potrebna manja snaga za rad. Veće prigušenje odzivaVeće prigušenje odziva Mehanička jednostavnost.Mehanička jednostavnost. Niska cenaNiska cena

19

Nedostaci PM koračnih motora

Mali oMali odnosdnos obrtnogobrtnog momenta motora i momenta inercije. momenta motora i momenta inercije. Prevelika pobuda može izazvati demagnetizaciju rotora, kojiPrevelika pobuda može izazvati demagnetizaciju rotora, koji u u

poređenju sapoređenju sa rotorima ostalih koračnih motora, ima rotorima ostalih koračnih motora, imajuju veliku veliku inerciju.inerciju.

Snaga Snaga permanentnog magneta se menja.permanentnog magneta se menja. Mala maksimalna brzina Mala maksimalna brzina okretanjaokretanja.. Velika Velika kontra kontra elektromotorna sila.elektromotorna sila. Nisu pogodni za male korakeNisu pogodni za male korake

20

Aplikacije PM koračnih motora

Film DriveFilm Drive Optički skenerOptički skener PrinteriPrinteri ATM strojeviATM strojevi

I. V. pumpaI. V. pumpa Analizator krviAnalizator krvi FAX strojeviFAX strojevi TermostatTermostat

21

Hibridni koračni motori

Kombinacija načela na kojima se zasniva rad permanentnomagnetKombinacija načela na kojima se zasniva rad permanentnomagnetnnih ih i motora si motora saa promjenljivom promjenljivom reluktanreluktanssomom (me (mera otpora materijala ra otpora materijala pri pri uspostavljanju magnetskog poljauspostavljanju magnetskog polja))

SSaa nazubljenim statorom na kojem se nalaze elektromagnet nazubljenim statorom na kojem se nalaze elektromagnetnni i polovipolovi i i nazubljenim rotorom postižu se dobra svojstva promenljive nazubljenim rotorom postižu se dobra svojstva promenljive reluktanreluktansese i permanentnog magnetskog polja. i permanentnog magnetskog polja.

Zubi su najčešće istoimeni permanentni magneti ali ponekad mogu Zubi su najčešće istoimeni permanentni magneti ali ponekad mogu biti i bez biti i bez popozbudezbude

Poprečni presek osmPoprečni presek osmoopolnoga hibridnog motora, dva susedna položajapolnoga hibridnog motora, dva susedna položaja

22

Hibridni koračni motori

Prikaz hibridnog motora i njegov presekPrikaz hibridnog motora i njegov presek

23

Matematički model hibridnog koračnog motora

Koračni motor - nelinearni diskretni elementKoračni motor - nelinearni diskretni element Matematički modelMatematički model

opis opis rotacije rotacije samo bitnih pojava koje utsamo bitnih pojava koje utiiču na ponašanje,ču na ponašanje, opis dvofaznih koračnih motora,opis dvofaznih koračnih motora, višefazni koračni motori svode se kod modeliranja na višefazni koračni motori svode se kod modeliranja na

dvofazne.dvofazne. Pojednostavljeni matematički opis uz pretpostavke:Pojednostavljeni matematički opis uz pretpostavke:

magnetski materijal nije u zasićenju,magnetski materijal nije u zasićenju, međuinduktivmeđuinduktivnostinosti faza jednak faza jednakee su nuli, su nuli, radni otpori i induktivradni otpori i induktivnosti nosti faza su jednaki,faza su jednaki, raspodela magnetraspodela magnetnnog og fliksafliksa u u vazdušnom prostoruvazdušnom prostoru i i

talasnitalasni oblik momenta motora su sinusoidalni. oblik momenta motora su sinusoidalni.

24

Matematički model hibridnog koračnog motora

JednaJednačine počine pobudnih namotabudnih namotajaja faza: faza:

gde sugde su uuaa, u, ubb - naponi faza A i B, [V], - naponi faza A i B, [V],

iiaa, i, ibb - struje faza A i B, [A], - struje faza A i B, [A],

RRff - otpor namota - otpor namotajaja faze, [Ω], faze, [Ω],

LLff - induktiv - induktivnostnost namota namotajaja faze, [H], faze, [H],

ψψaa, ψ, ψbb - ukupni B - ukupni B ψa, magnetψa, magnetnni i fluksfluks faze A i B, [Wb], faze A i B, [Wb], ψψafaf, ψ, ψbfbf- magnet- magnetnni i fluks fluks faze A i B izazvan faze A i B izazvan

permanentnim magnetima na rotoru, [Wb],permanentnim magnetima na rotoru, [Wb], KKee - konstanta motora, [Wb], - konstanta motora, [Wb],

NNrr - broj zub - broj zubaa rotora, rotora, θ - mehanički ugao zaθ - mehanički ugao zaookreta rotora, [rad],kreta rotora, [rad], θθee - električni ugao za - električni ugao zaookreta rotora, [rad].kreta rotora, [rad].

25

Matematički model hibridnog koračnog motora

Nelinearna blokNelinearna blok š šemaema

26

Koračni motori

Spoljna kSpoljna karakteristika koračnog motoraarakteristika koračnog motora