Motoarele pas cu pas (stepper motor) sunt un tip popular de actuatoare. Sunt acționate în pași unghiulari ficși (incremente). Fiecare pas de rotație este răspunsul rotorului motorului la un impuls de intrare (sau o comandă digitală). În acest fel, rotația în pași a rotorului poate fi sincronizată cu impulsuri dintr-un tren de impulsuri-comandă, presupunând desigur că nu sunt lipsă pași, făcând astfel motorul să răspundă fidel la semnalul de intrare (secvență de impulsuri) într-o manieră de buclă-deschisă. Ca și un motor convențional acționat continuu, un motor pas cu pas este, de asemenea, un actuator electromagnetic în care convertește energia electromagnetică în energie mecanică pentru a efectua lucrări mecanice. Termenii stepper motor, stepping motor, și step motor sunt sinonimi și sunt adesea folosiți în mod interschimbabil.

O caracteristică obișnuită a oricărui motor pas cu pas este că statorul motorului conține mai multe perechi de înfășurări de câmp (sau înfășurări de fază) care pot fi comutate pentru a produce perechi de poli electromagnetici (N și S). Aceste perechi de poli trag efectiv rotorul motorului în secvență, astfel încât să genereze cuplul pentru rotația motorului. Prin comutarea curenților în faze într-o secvență adecvată, poate fi produsă o rotație în sensul acelor de ceasornic (CW) sau o rotație în sens contrar acelor de ceasornic (CCW). Polaritățile unui pol stator pot fi nevoite să fie inversate în anumite tipuri de motoare pas cu pas pentru a realiza o secvență de pași. Deși comenzile care generează secvența de comutare pentru o înfășurare de fază ar putea fi furnizate de un microprocesor sau de un computer personal (o abordare software), este obișnuit să o genereze prin logica hardware într-un dispozitiv numit translator sau indexor. Această abordare este mai eficientă deoarece logica de comutare pentru un motor pas cu pas este fixă, așa cum s-a menționat în discuția precedentă. Microstepping oferă unghiuri de pas mult mai mici. Acest lucru se realizează prin variația curenților de fază prin incremente mici (mai degrabă decât ON, OFF și inversat), astfel încât poziția de reținere (echilibru) a rotorului să se schimbe în incremente unghiulare corespunzător de mici.

7.2.1 Clasificarea motoarelor pas cu pas

Majoritatea clasificărilor motoarelor pas cu pas sunt bazate pe natura rotorului motorului. O astfel de clasificare consideră caracterul magnetic al rotorului. Mai exact, un motor pas cu pas cu reluctanță variabilă (VR) are un rotor din fier-moale, în timp ce un motor pas cu pas cu magnet-permanent (PM) are un rotor magnetizat. Cele două tipuri de motoare operează într-o manieră asemănătoare oarecum. Mai exact, câmpul magnetic al statorului (polaritatea) este intensificat, astfel încât să se modifice poziția de reluctanță minimă (sau de reținere) a rotorului în incremente. Prin urmare, ambele tipuri de motoare suferă variații similare în reluctanță (rezistență magnetică) în timpul funcționării. Un dezavantaj al motoarelor pas cu pas VR este că, deoarece rotorul nu este magnetizat, cuplul de menținere este zero atunci când înfășurările statorului nu sunt sub tensiune. Prin urmare, nu există nicio capacitate de a menține sarcina într-o anumită poziție în condiții de nealimentare, dacă nu sunt folosite frâne mecanice. Un motor pas cu pas hibrid posedă caracteristici atât pentru motorul pas cu pas VR, cât și pentru motorul PM. Rotorul unui motor pas cu pas hibrid este format din două segmente de rotor conectate de un arbore. Fiecare segment de rotor este o roată dințată și se numește stivă. Cele două stive de rotor formează cei doi poli ai unui magnet permanent amplasat de-a lungul axei rotorului. Prin urmare, o întreagă stivă de dinți de rotor este magnetizată pentru a fi un singur pol (ceea ce este diferit de cazul unui stepper PM în care rotorul are mai mulți poli). Polaritatea rotorului unui stepper hibrid poate fi asigurată fie de un magnet permanent, fie de un electromagnet folosind o bobină activată de o sursă DC unidirecțională și plasată pe stator pentru a genera un câmp magnetic de-a lungul axei rotorului.

O altă clasificare practică folosită în această carte se bazează pe numărul de „stive” de dinți (sau segmente de rotor) prezente pe arborele rotorului. În particular, un motor stepper hibrid are două stive de dinți. Sunt posibile mai multe sub-clasificări, în funcție de pasul (pitch) dintelui (unghiul dintre dinții adiacenți) din stator și pasul dintelui din rotor. Într-un motor stepper cu o singură stivă, pasul dintelui de rotor și pasul dintelui de stator trebuie să fie în general inegale, astfel încât nu toți dinții din stator sunt aliniați cu dinții rotorului în orice moment. Este vorba despre dinții nealiniați care exercită tracțiunea magnetică, generând cuplul de acționare. În fiecare increment de mișcare, rotorul se învârte în poziția de reluctanță minimă (echilibru stabil) corespunzătoare acelei distribuții de polaritate particulare a statorului. În motoarele stepper cu mai multe stive, operarea este posibilă chiar și atunci când pasul dintelui de rotor este egal cu pasul dintelui de stator, cu condiția ca cel puțin o stivă de dinți ai rotorului să fie deplasată (nealiniată) rotativ de la celelalte stive cu o fracțiune din pasul dintelui de rotor. În acest model, această nealiniere inter-stivă este cea care generează cuplul de antrenare pentru fiecare pas de mișcare. Ar trebui să fie evident că, de asemenea, stepper-ele cu multiple stive cu pas inegal sunt o posibilitate practică. În acest model, fiecare stivă de rotor operează ca un motor pas cu pas separat, cu o singură stivă. În figura 7.1 este prezentată o fotografie a componentelor interne ale unui motor pas cu două stive.

FIGURA 7.1 Un motor pas cu pas comercial cu două stive. (de la Danaher Motion,)

7.2.2 Motor pas cu pas hibrid

Motoarele pas cu pas hibride sunt, probabil, cea mai comună varietate de motoare pas cu pas în aplicații inginerești. Un motor stepper hibrid are două stive de dinți de rotor pe arborele său. Cele două stive de rotor sunt magnetizate pentru a avea polarități opuse, așa cum se arată în figura 7.2. Există două segmente de stator care înconjoară cele două stive de rotor. Atât rotorul cât și statorul au dinți, iar unghiurile lor de pas sunt egale. Fiecare segment de stator este înfășurat la o singură fază și, în consecință, numărul de faze este de două. Rezultă că un stepper hibrid este similar în proiectarea mecanică și înfășurarea statorului unui stepper VR multi-stivă, cu pas-egal. Există totuși unele diferențe. În primul rând, stivele rotorului sunt magnetizate. În al doilea rând, nealinierea între stive este ¼ dintr-un pas de dinte (a se vedea figura 7.3).

Un ciclu complet al secvenței de comutare pentru cele două faze este dat de [0, 1], [−1, 0], [0, −1], [1, 0], [0 1] pentru o direcție de rotație. De fapt, această secvență produce o mișcare negativă (rotire CW, privind din capătul stâng) în aranjamentul prezentat în figura 7.3, pornind de la starea [0, 1] prezentată în figură (faza 1 OFF și faza 2 ON cu polaritate N). Pentru direcția opusă, secvența este pur și simplu inversată; astfel, [0, 1], [1, 0], [0, −1], [−1, 0], [0, 1]. În mod clar, unghiul de pas este dat de

unde θ = θr = θs = unghiul de pas al dinților.

FIGURA 7.2 Motor pas cu pas hibrid

La fel ca în cazul unui motor pas cu pas PM, un stepper hibrid are avantajul de a oferi un cuplu de menținere (cuplul de reținere) chiar și în condiții de nealimentare. Mai mult, un stepper hibrid poate oferi unghiuri de pas foarte mici, viteze mari de pas cu pas și, în general, caracteristici cuplu-viteză bune.

FIGURA 7.3 Nealinierea stivelor de rotor (1/4 pas) într-un motor pas cu pas hibrid
(arată schematic starea în care faza 1 este oprită și faza 2 este activată cu polaritate N)

Exemplul 7.1

Secvența de jumătate-pas cu pas pentru motorul reprezentat în figurile 7.2 și 7.3 poate fi determinată destul de convenabil. Pornind de la starea [0, 1], dacă faza 1 este comutată ON pe starea „−1” fără comutarea OFF a fazei 2, atunci faza 1 se va opune tragerii fazei 2, rezultând o poziție de reținere la jumătatea distanței între poziția de reținere pas cu pas completă. Apoi, dacă faza 2 este comutată OFF păstrând faza 1 în „−1”, jumătatea rămasă din pasul inițial complet va fi finalizată. În acest mod, secvența de jumătate-pas cu pas pentru rotirea CW se obține astfel: [0, 1], [-1, 1], [−1, 0], [−1, −1], [0, −1] , [1, −1], [1, 0], [1, 1], [0, 1]. Pentru rotirea CCW, această secvență este inversată pur și simplu. Rețineți că, așa cum era de așteptat, la jumătate de pas, ambele faze rămân ON pe durata fiecărei alte jumătate de pas.

7.2.3 Microstepping

Pas cu pas-completă (full-stepping) sau jumătate-pas cu pas (half stepping) poate fi obținută pur și simplu utilizând o schemă de comutare corespunzătoare a fazelor (polilor statorici) unui motor pas cu pas. De exemplu, jumătate-de pas are loc atunci când comutările de fază alternează între stările o-fază-ON și două-faze-ON. Pas cu pas-completă se produce atunci când se utilizează comutarea o-fază-ON sau comutarea două-faze-ON exclusiv pentru fiecare pas. În ambele cazuri, nivelul (sau starea) de curent a unei faze este fie 0 (OFF), fie 1 (ON). În loc să folosești două nivele de curent (cazul binar), este posibil să se aplice mai multe nivele de curent de fază între aceste două extreme, realizând astfel unghiuri de pas mult mai mici. Acesta este principiul din spatele microstepping-ului.

Microstepping-ul se realizează prin schimbarea corectă a curenților de fază în pași mici, în loc de a-i comuta ON și OFF (ca în cazul full-stepping și half stepping). Principiul din spatele acestui lucru poate fi înțeles, luând în considerare doi poli statorici identici (înfășurați cu înfășurări identice), așa cum se arată în figura 7.4. Când curenții prin înfășurări sunt identici (în mărime și direcție), câmpul magnetic rezultat se va situa simetric între cei doi poli. Dacă curentul dintr-un pol este scăzut în timp ce celălalt curent este păstrat neschimbat, câmpul magnetic rezultat se va apropia mai mult de polul cu ​​cel mai mare curent. Deoarece poziția de reținere (poziția de echilibru) depinde de poziția câmpului magnetic rezultat, rezultă că unghiurile de pas foarte mici pot fi obținute pur și simplu prin controlul (variind mărimile și direcțiile relative ale) curenților de fază.

FIGURA 7.4 Principiul microstepping-ului

Unghiurile de pas de 1/125 dintr-un pas complet sau mai mic pot fi obținute prin microstepping. De exemplu, se pot realiza 10.000 de pași/rotație. Rețineți că dimensiunea pasului într-o secvență de micropași nu este identică. Acest lucru se datorează faptului că pas cu pas se face prin micropașii curentului de fază (și câmpul magnetic generat de acesta), care are o relație neliniară cu unghiul de pas.

Unitățile de acționare a motorului cu capacitate de microstepping sunt mai costisitoare, dar microstepping-ul oferă avantajele capacităților de mișcare exacte, inclusiv rezoluție mai fină, suprimarea depășirii (overshoot) și funcționare mai lină (jitter redus și mai puțin zgomot) chiar și în vecinătatea unei rezonanțe în combinaţia motor-sarcină. Un dezavantaj este că, de obicei, există o reducere a cuplului motor ca urmare a microstepping-ului.

7.2.4 Driver și controller

În principiu, motorul pas cu pas este un actuator cu buclă-deschisă. În modul său normal de operare, rotația în pași a motorului este sincronizată cu trenul de impulsuri de comandă. În condiții puternic tranzitorii aproape de cuplul nominal, „lipsa impuls” poate fi o problemă.

Un stepper are nevoie de un „computer de control” sau cel puțin de un „indexor” hardware pentru a genera comenzile impuls și un „driver” pentru a interpreta comenzile și pentru a genera corespunzător curenții adecvați pentru înfășurările de fază ale motorului. Acest aranjament de bază este prezentat în figura 7.5a. Pentru controlul cu feedback, răspunsul motorului trebuie să fie detectat (de exemplu, folosind un encoder optic) și readus în controller (a se vedea linia punctată din figura 7.5a) pentru a lua măsurile corective necesare la comanda impuls atunci când apare o eroare. Componentele de bază ale driver-ului pentru un motor stepper sunt identificate în figura 7.5b. Este format dintr-un circuit logic numit „translator” pentru a interpreta impulsurile de comandă și a comuta circuitele analogice corespunzătoare pentru a genera curenții de fază. Deoarece sunt necesare nivele de curent suficient de mari pentru înfășurările de fază, depinzând de capacitatea motorului, sistemul de acționare include amplificatoare alimentate de o sursă de putere.

Impulsurile de comandă sunt generate fie de un computer de control (un computer desktop sau un microprocesor), abordare software, fie de un oscilator cu frecvență-variabilă (sau un indexor), abordare hardware de bază. Pentru mișcare bidirecțională, sunt necesare două trenuri de impulsuri: trenul de impulsuri-poziție și trenul de impulsuri-direcție, care sunt determinate de traiectoria de mișcare necesară. Impulsurile de poziție identifică momentele exacte la care trebuie inițiați pașii unghiulari. Impulsurile de direcție identifică momentele la care direcția de rotație trebuie inversată. Pentru operarea unidirecțională este nevoie doar de un tren de impulsuri de poziție. Generarea trenului de impulsuri de poziție pentru operarea în stare staționară la o viteză constantă este o sarcină relativ simplă. În acest caz, ar fi suficientă o singură comandă care identifică rata de pas cu pas (rata impulsului), ce corespunde vitezei specificate. Circuitul logic din translator se va bloca pe un oscilator cu frecvență-constantă cu frecvența determinată de viteza necesară (viteza de pas) și va cicla continuu secvența de comutare la această frecvență. Aceasta este o abordare hardware pentru controlul în buclă-deschisă a unui motor pas cu pas. Pentru operarea în stare staționară, rata de pas poate fi setată prin reglarea manuală a butonului unui potențiometru conectat la translator. Pentru mișcări simple (de exemplu, pornind din repaus și oprit după atingerea unei anumite poziții unghiulare), comenzile care generează trenul de impulsuri (comenzile către oscilator) pot fi setate manual. În condiții de operare mai complexe și tranzitorii care sunt prezente atunci când sunt urmate traiectorii de mișcare complicate, totuși, ar fi necesară o generare de comenzi impuls, bazată pe computer (sau bazată pe microprocesor), folosind logica programată. Aceasta este o abordare software, care este de obicei mai lentă decât abordarea hardware. Scheme sofisticate de control cu feedback pot fi implementate totodată și printr-un astfel de controller bazat pe computer.

FIGURA 7.5 (a) Sistemul de control de bază al unui motor pas cu pas;
(b) Componentele de bază ale unui driver

Modulul translator are circuite logice pentru interpretarea unui tren de impulsuri și „traducerea” acestuia în secvența de comutare corespunzătoare pentru înfășurările de câmp ale statorului (pornire/oprire/inversare pentru fiecare fază a statorului). Translatorul are, de asemenea, circuite de comutare solid-state (folosind porți, zăvoare, declanșatoare etc.) pentru a direcționa curenții de câmp către înfășurările de fază corespunzătoare în funcție de starea de comutare particulară. Un sistem „împachetat” include, de obicei, atât funcții de indexor (sau controller), cât și funcții de driver. Ca minim, are capacitatea de a genera impulsuri de comandă într-un ritm constant, asumându-și astfel rolul generatorului de impulsuri (sau a indexorului), precum și a funcțiilor de translator și amplificator de comutare. Rata de stepping sau direcția pot fi modificate manual folosind butoane sau printr-o interfață de utilizator.

Este posibil ca translatorul să nu poată urmări numărul de pași făcuți de motor (adică un contor de pas). Un dispozitiv încapsulat care are toate aceste capabilități, incluzând generarea impulsurilor, funcții translator standard și amplificatoare de acționare, este denumit indexor presetat. De obicei, este format dintr-un oscilator, microcircuite digitale (cip-uri de circuite integrate IC) pentru numărare și pentru diferite funcții de control, un translator și circuite de acționare într-o singură carcasă. Unghiul necesar de rotație, viteza de pas și direcția sunt setate manual, prin rotirea butoanelor corespunzătoare. Cu un indexor presetat programabil mai sofisticat, aceste setări pot fi programate prin intermediul comenzilor computerului de la o interfață standard. În acest caz nu este necesară o sursă de impuls externă. Un indexor programabil - format dintr-un microprocesor și circuite microelectronice pentru controlul poziției și vitezei și pentru alte funcții programabile, memorie, o sursă de impuls (un oscilator), un translator, amplificatoare de acționare cu circuite de comutare și o sursă de alimentare reprezintă un controller „programabil” pentru un motor pas cu pas. Un indexor programabil poate fi programat folosind un computer personal sau un programator de mână (furnizat cu indexorul) printr-o interfață standard (de exemplu, interfața serială RS232). Semnalele de control din translator sunt de ordinul a 10 mA, în timp ce înfășurările de fază ale unui motor pas cu pas necesită curenți mari de ordinul mai multor amperi. Semnalele de control de la translator trebuie să fie amplificate adecvat și direcționate la înfășurările motorului prin intermediul “amplificatoarelor de comutare” pentru activarea secvenței de fază cerute.

Puterea de a folosi translatorul (pentru circuitele logice, de comutație etc.) și de a folosi amplificatoarele de excitație de fază provine de la o sursă de alimentare DC (de obicei, 24 V DC). Este preferată o alimentare reglată (adică tensiunea este menținută constant, indiferent de sarcină). O unitate încapsulată care constă din translator (sau indexor presetat), amplificatoare de comutare și sursa de alimentare este ceea ce se numește în mod normal un sistem de acționare a motorului. Cablurile amplificatoarelor de ieșire ale sistemului de acționare transportă curenți la înfășurările de fază de pe statorul (și la bobinele de magnetizare ale rotorului situate pe stator în cazul unui rotor electromagnetic) motorului pas cu pas. Sarcina poate fi conectată direct la arborele motorului sau printr-o anumită formă de dispozitiv de cuplare mecanică (de exemplu, acționare armonică, acționare cu curea de sincronizare-dinte, amplificator hidraulic, cremalieră, sau pinion).

7.2.5 Hardware Driver

Hardware-ul driverului este format din următoarele componente de bază:

1. Hardware digital (logic) pentru a interpreta informațiile transmise de semnalul de impuls de pas și de semnalul de impuls de direcție (adică, instantanee de pas și direcția de mișcare) și pentru a furniza semnale adecvate comutatoarelor (tranzistoare de comutare) care acționează înfășurările de fază. Aceasta este componenta „translator” a hardware-ului de acționare.

2. Circuitul de acționare pentru înfășurări de fază cu tranzistoare de comutare pentru a acționa fazele (ON, OFF și invers în cazul unifilar; ON și OFF în cazul bifilar).

3. Sursa de alimentare pentru înfășurările de fază.

Aceste trei componente sunt disponibile comercial ca o singură carcasă pentru a acționa o clasă corespunzătoare de motoare pas cu pas. Deoarece există o generare considerabilă de căldură într-un modul de acționare, este necesar și un radiator de căldură integrat (sau unele mijloace de eliminare a căldurii). Considerați hardware de acționare pentru un motor pas cu pas în două faze. Fazele sunt notate cu A și B. O reprezentare schematică a sistemului de acționare, care este disponibil comercial ca o singură carcasă, este prezentată în figura 7.6. Ceea ce este indicat este o unitate unipolară (fără inversare de curent într-o înfășurare de fază). Drept urmare, trebuie utilizat un motor pas cu pas cu înfășurări bifilare (două segmente de bobină pentru fiecare fază). Motorul are cinci terminale, unul dintre ele fiind „comunul motorului” sau masă (G), iar celelalte patru sunt bornele celor două segmente ale bobinei bifilare (A +, A –, B +, B–).

FIGURA 7.6 Hardware de bază pentru un motor pas cu pas înfășurat bifilar cu două faze

Există mai mulți pini în modulul de acționare, dintre care unii sunt conectați la controller-ul/computerul motorului (intrări de driver), iar alții sunt conectați la cablurile motorului (ieșiri de driver). Există și alți pini, care corespund sursei de alimentare DC, la masa comună, la diverse semnale de control etc. Pinul notat cu STEP (sau PULSE) primește semnalul de impuls de stepping (de la controller-ul motorului). Aceasta corespunde secvenței de pas necesare a motorului. O tranziție de la un nivel low la un nivel high (sau front în creștere) a unui impuls va face ca motorul să se miște cu un pas. Direcția în care se deplasează motorul este determinată de starea pinului notat cu CW/CCW. O stare logică high la acest pin (sau conexiune deschisă) va genera logica de comutare pentru ca motorul să se deplaseze în direcția CW, iar o stare logică low (sau comun logic) va genera logica de comutare pentru ca motorul să se deplaseze în direcția CCW. Pinul notat cu HALF/FULL determină dacă este efectuată o jumătate de pas sau un pas complet. Mai exact, low logic la acest pin va genera logica de comutare pentru pasul complet, iar high logic va genera logica de comutare pentru jumătate de pas. Pinul notat RESET primește semnalul pentru inițializarea unei secvențe de pas. Există alți câțiva pini, care nu sunt necesari pentru discuția prezentă. Translatorul interpretează stările logice la pinii STEP, HALF/FULL și CW/CCW și generează logica adecvată pentru a activa comutatoarele în acțiunea unipolară. Mai exact, patru semnale logice active sunt generate corespunzând cu A (faza A activată), -A (faza A inversată), B (faza B activată) și -B (faza B inversată). Aceste semnale logice activează cele patru comutatoare din acționarea bipolară, transmițând astfel curentul prin segmente/cabluri de înfășurare corespondente (A+, A–, B+, B–) ale motorului.

Hardware-ul logic este de obicei disponibil sub formă de cipuri compacte în formă monolitică.

Dacă motorul este înfășurat unifilar (pentru un stepper cu două faze ar trebui să existe trei conductoare - un fir de masă și două conductoare de alimentare pentru cele două faze), o acționare bipolară va fi necesară pentru a schimba direcția curentului într-o înfășurare de fază. În figura 7.7 este arătată o reprezentare schematică a unei acționări bipolare pentru o singură fază a unui stepper. Rețineți că atunci când cele două tranzistoare marcate A sunt ON, curentul curge într-o direcție prin înfășurarea fazei și când cele două tranzistoare marcate cu Ā sunt ON, curentul curge în direcția opusă prin aceeași înfășurare de fază. Ceea ce este arătat este un circuit în punte-H.

FIGURA 7.7 O acționare bipolară pentru o singură fază a unui motor pas cu pas
(înfășurare unifilară)

7.2.6 Selectarea motorului pas cu pas

Selectarea unui motor pas cu pas pentru o anumită aplicație nu poate fi făcută doar pe baza parametrilor geometrici. Considerațiile de cuplu și de viteză sunt adesea mai cruciale în procesul de selecție. De exemplu, este posibilă o viteză mai rapidă de răspuns dacă se folosește un motor cu un raport cuplu-inerție mai mare.

7.2.6.1 Caracteristicile cuplului și terminologia

Cuplul care poate fi furnizat unei sarcini de către un motor pas cu pas depinde de mai mulți factori. De exemplu, cuplul motor la o viteză constantă nu este același ca atunci când motorul „trece prin” acea viteză (adică în condiții de accelerare, frânare sau tranzitorii generale). În particular, la o viteză constantă, nu există cuplu de inerție. De asemenea, pierderile de cuplu datorate inducției magnetice sunt mai mici la viteze de pas (stepping) constante în comparație cu vitezele de pas variabile. Rezultă că cuplul disponibil este mai mare în condiții staționare (viteză constantă). Un alt factor de influență este mărimea vitezei. La viteze mici (adică, atunci când perioada de pas este considerabil mai mare decât constanta de timp electrică), timpul necesar pentru creșterea sau oprirea curentului de fază este nesemnificativ în comparație cu timpul de pas. Atunci se poate presupune că forma de undă a curentului de fază este dreptunghiulară. La rate mari de pas, efectele de inducție domină și, ca urmare, o fază nu poate atinge curentul nominal pe durata unui pas. Ca urmare, cuplul generat va fi mai mic. În plus, deoarece puterea furnizată de sursa de alimentare este limitată, produsul cuplu × viteza motorului este, de asemenea, limitat. În consecință, pe măsură ce viteza motorului crește, cuplul disponibil trebuie să scadă în general. Aceste două sunt motivele principale ale formei caracteristice a unei curbe cuplu-viteză a unui motor pas cu pas, când cuplul de vârf are loc la o viteză foarte mică (de obicei zero), iar pe măsură ce viteza crește, cuplul disponibil scade.

Forma caracteristică a curbei cuplu-viteză a unui motor pas cu pas este prezentată în figura 7.8. De asemenea, este oferită o anumită terminologie. Ceea ce este dat poate fi interpretat ca date experimentale măsurate în condiții de funcționare constante (și mediate și interpolate). Cuplul dat se numește „cuplu pull-out”, iar viteza corespunzătoare este „viteza pull-out”. În industrie, această curbă este cunoscută drept „curba pull-out”.

Cuplul de menținere este cuplul static maxim și este diferit de cuplul maxim (pull-out) definit în figura 7.8. În particular, cuplul de menținere poate fi cu aproximativ 40% mai mare decât cuplul maxim pull-out, care este de obicei egal cu cuplul de pornire (sau cuplul de repaus). Mai mult, cuplul static devine mai mare dacă motorul are mai mult de un pol de stator pe fază și dacă toți acești poli sunt excitați la un moment dat. Cuplul rezidual este cuplul static maxim care este prezent atunci când fazele motorului nu sunt alimentate. Acest cuplu este practic zero pentru un motor VR, dar nu este neglijabil pentru un motor PM. În unele documentații industriale, cuplul de reținere are același înțeles cu cuplul rezidual. În acest context, cuplul de reținere este definit ca ondularea (ripple) cuplului care este prezentă în condiții de power-off. O definiție mai potrivită pentru cuplul de reținere este cuplul static la poziția de reținere actuală (poziția de echilibru) a motorului, atunci când faza următoare este activată.

FIGURA 7.8 Caracteristicile cuplu-viteză ale unui motor pas cu pas
(curba de extragere) (pull-out curve)

Conform acestei definiții, cuplul de reținere este egal cu Tmax sin 2π/p, unde Tmax este cuplul de menținere și p este numărul de faze.

Alte definiții ale caracteristicilor cuplu-turație ale motorului pas cu pas sunt date în figura 7.9. Curba pull-out sau curba slew are aici același sens ca cea prezentată în figura 7.8. De asemenea, este prezentată o altă curbă cunoscută sub numele de curbă start-stop sau curbă pull-in.

FIGURA 7.9 Caracteristici suplimentare cuplu-viteză și terminologie

Curba pull-out (sau curba slew) dă viteza cu care motorul poate funcționa în condiții staționare (cu viteză constantă), cu curent nominal și folosind circuite de acționare adecvate. Dar, motorul nu este capabil să accelereze în mod constant până la viteza slew, pornind de la repaus și aplicând o secvență de impuls la o viteză constantă corespunzătoare vitezei slew. În schimb, ar trebui să fie accelerat mai întâi până la viteza pull-in prin aplicarea unei secvențe de impuls corespunzătoare acestei viteze. După atingerea regiunii start-stop (regiunea pull-in) în acest mod, motorul poate fi accelerat până la viteza pull-out (sau la o viteză mai mică decât aceasta, în regiunea slew). Similar, când opriți motorul de la o viteză slew, ar trebui să fie mai întâi frânat (cu rampă în jos) până la o viteză în regiunea start-stop (regiune pull-in) și numai când această regiune este atinsă satisfăcător ar trebui ca secvența de pas (stepping) să fie comutată OFF.

Întrucât sistemul de acționare determină curentul și secvența de comutare a fazelor motorului și viteza cu care sunt aplicate impulsurile de comutare, el afectează direct curba de cuplu-viteză a unui motor. În consecință, ceea ce este prezentat într-o fișă tehnică a produsului trebuie interpretat ca curba de cuplu-viteză a motorului particular atunci când este utilizat cu un sistem de acționare specificat și o sursă de alimentare potrivită și când funcționează la valori nominale.

7.2.6.2 Procesul de selectare a motorului pas cu pas

Efortul necesar în selectarea unui motor pas cu pas pentru o anumită aplicație poate fi redus dacă selecția se face în mod sistematic. Următorii pași oferă câteva linii-ghid pentru procesul de selecție:

Pasul 1: Enumerați principalele cerințe pentru o anumită aplicație, în conformitate cu condițiile și specificațiile pentru aplicația particulară. Acestea includ cerințe operaționale, cum ar fi viteze, accelerații, acuratețe și rezoluție necesare și caracteristici de sarcină, cum ar fi dimensiunea, inerția, frecvențele naturale fundamentale și cuplurile de rezistență.

Pasul 2: Calculați cuplul de operare și cerințele de viteză de pas pentru aplicația particulară.

A doua lege a lui Newton este ecuația de bază utilizată în acest pas. Mai exact, cuplul necesar nominal este dat de

unde
TR = cuplul de rezistență net
Jeq = momentul echivalent de inerție (inclusiv rotor, sarcină, angrenare, amortizoare etc.)
ωmax = viteza maximă de funcționare
Δt = timpul necesar pentru accelerarea sarcinii până la viteza maximă, pornind din repaus

Pasul 3: Folosind curbele cuplu-viteză de pas (curbele pull-out) pentru un grup de motoare pas cu pas disponibile în comerț, selectați un motor pas cu pas potrivit.

Cerințele de cuplu și de viteză determinate la Pasul 2 și cerințele de acuratețe și rezoluție specificate în Pasul 1 trebuie utilizate în acest pas.

Pasul 4: Dacă un motor pas cu pas care îndeplinește cerințele nu este disponibil, modificați proiectul de bază.

Acest lucru se poate realiza prin modificarea cerințelor de viteză și cuplu, prin adăugarea de dispozitive precum sisteme de angrenare (de exemplu, acționare armonică) și amplificatoare (de exemplu, amplificatoare hidraulice).

Pasul 5: Selectați un sistem de acționare care este compatibil cu motorul și care îndeplinește cerințele operaționale din Pasul 1.

Motoarele și sistemele de acționare adecvate sunt prescrise în manuale și cataloage de produse disponibile de la furnizori. Pentru aplicații relativ simple, un indexor presetat controlat manual sau un sistem în buclă-deschisă constând dintr-o sursă de impuls (oscilator) și un translator ar putea fi utilizat pentru a genera semnalul impuls către translatorul din unitatea de acționare. Pentru sarcini tranzitorii mai complexe, un controller software (un microprocesor sau un computer personal) sau un controller hardware personalizat poate fi utilizat pentru a genera comanda de impuls dorită în operarea cu buclă-deschisă. Mai multă sofisticare poate fi încorporată prin utilizarea controlului digital în buclă-închisă bazată pe procesor, cu feedback de encoder, pentru sarcini care necesită o acuratețe foarte ridicată în condiții tranzitorii și pentru funcționarea aproape de capacitatea nominală a motorului.

Cea mai utilă informație pentru selectarea unui motor pas cu pas este curba de cuplu-viteză de pas (curba pull-out). Alți parametri valoroși în procesul de selecție includ următorii:

1. Unghiul de pas sau numărul de pași pe rotație
2. Momentul de menținere static (cuplul static maxim al motorului atunci când este alimentat la tensiune nominală)
3. Viteza de creștere (slew rate) maximă (viteza de stepping maximă la starea de echilibru posibilă la sarcina nominală)
4. Cuplul motorului la viteza de creștere necesară (cuplul pull-out, disponibil din curba pull-out)
5. Panta maximă a rampei (accelerație și frânare maxime posibile la sarcina nominală)
6. Constantele de timp ale motorului (constante de timp electrice și constante de timp mecanice fără sarcină)
7. Frecvența naturală a motorului (fără sarcină externă și aproape de poziție de reținere)
8. Mărimea motorului (dimensiunile polilor, dinții statorului și rotorului, interstițiul și carcasa, greutatea, momentul de inerție al rotorului)
9. Valori nominale ale sursei de alimentare (tensiune, curent și putere)

Există mulți parametri care determină calificările unui motor pas cu pas. De exemplu, cuplul static de menținere crește cu numărul de poli pe fază care sunt alimentați, scade odată cu lățimea golului de aer și lățimea dintelui și crește cu diametrul rotorului și lungimea stivei. Mai mult decât atât, lățimea minimă admisă a spațiului de aer trebuie să depășească deflecția laterală maximă combinată a arborelui rotorului cauzată de deformații termice și încărcare a de încovoiere, cum ar fi tragere magnetică, sarcini mecanice statice și dinamice. În acest sens, rigiditatea la încovoiere a arborelui, caracteristicile lagărului și caracteristicile de dilatarea termică ale întregului ansamblu devin importante. Parametrii bobinajului de câmp (diametrul, lungimea, rezistivitatea, etc.) sunt aleși luând în considerare cuplul necesar, puterea, constanta de timp electrică, rata de generare a căldurii și dimensiunile motorului. Rețineți că majoritatea dintre aceștia sunt parametri de proiectare care nu pot fi modificați într-o manieră rentabilă în faza de selecție a motorului.

7.2.6.3 Mese de poziționare (x–y)

O aplicație obișnuită a motoarelor pas cu pas este în mesele de poziționare (a se vedea figura 7.10a). Rețineți că o masă cu două axe (x–y) necesită două motoare pas cu pas cu capacitate aproape egală. Se presupune că valorile următorilor parametri sunt cunoscute:

• Rezoluție maximă de poziționare (deplasare/pas)
• Viteza maximă de funcționare, care trebuie atinsă în mai puțin de un timp specificat
• Greutatea mesei x–y
• Forța de rezistență maximă (în primul rând frecarea) împotriva mișcării mesei

În figura 7.10b este prezentată o diagramă schematică a aranjamentului mecanic pentru unul dintre cele două axe ale mesei. Un șurub conducător este utilizat pentru a converti mișcarea rotativă a motorului în mișcare rectilinie. Diagrame de corp liber pentru rotorul motorului și masă sunt prezentate în figura 7.11.

Acum vom deduce o relație oarecum generalizată pentru acest tip de aplicație. Ecuațiile mișcării (din a doua lege a lui Newton) sunt

Pentru rotor: T - TR = Jα (7.3)

Pentru masă: F - FR = ma (7.4)

unde

T = cuplul motor
TR = cuplul de rezistență al șurubului conducător
J = momentul echivalent de inerție al rotorului
α = accelerația unghiulară a rotorului
F = forța motrice de la șurubului conducător
FR = forța de rezistență externă pe masă
M = masa echivalentă a mesei
a = accelerația mesei

Presupunând un șurub conducător rigid fără recul, condiția de compatibilitate este scrisă ca:

a = rα (7.5)

unde r este raportul de transmisie (mișcare rectilinie/mișcare unghiulară) a șurubului conducător.

Ecuația de transmisie a sarcinii pentru șurubul conducător este

unde e indică eficiența fracțională a șurubului conducător. În final, ecuațiile 7.3 până la 7.6 pot fi combinate pentru a da

Exemplul 7.2

În figura 7.12 este prezentată o diagramă schematică a unei unități transportoare (conveyor) industriale. În această aplicație, conveyorul se mișcă intermitent la o viteză fixă, indexând astfel obiectele de pe conveyor printr-o distanță fixă ​​d în fiecare perioadă de timp T. Se folosește un profil triunghiular de viteză pentru fiecare interval de mișcare, având o accelerație și o frânare care sunt egale ca mărime (vezi figura 7.13). Conveyorul este acționat de un motor pas cu pas. Dacă este necesar, se poate folosi un angrenaj cu raport de viteză step-down p: 1, unde p > 1, așa cum se arată în figura 7.12.

FIGURA 7.13 Profil de viteză pentru o perioadă de mișcare a conveyorului

în care Jm, Jg1, Jg2, Jd și Js sunt momentele de inerție ale rotorului motor, ale angrenajului de antrenare, ale angrenajului condus, ale cilindrului de antrenare al conveyorului și al cilindrului condus al conveyorului, respectiv; mc și mL sunt masele totale ale benzii transportoare și respectiv obiectele (sarcina) mișcate; iar r este raza fiecăruia dintre cei doi cilindri transportori.

(b) Patru modele de motor stepping sunt disponibile pentru aplicație. Specificațiile lor sunt date în tabelul 7.1 și curbele de performanță corespunzătoare sunt arătate în figura 7.14. Următoarele valori sunt cunoscute pentru sistem:

d = 10 cm, T = 0,2 s, r = 10 cm, mc = 5 kg, mL = 5 kg, Jd = Js = 2,0 × 10^-3 kg-m².

De asemenea, sunt disponibile două angrenaje cu p = 2 și 3, iar pentru fiecare unitate Jg1 = 50×10^-6 kg-m² și Jg2 = 200×10^-6 kg-m².

Indicând toate calculele și procedurile, selectați o unitate de motor adecvată pentru această aplicație. Nu trebuie să folosiți un reductor decât dacă este necesar să aveți unul cu motoarele disponibile.

Care este rezoluția de poziționare a transportorului (rectiliniu) pentru sistemul final?

Notă: Presupuneți o eficiență a sistemului general de 80%, indiferent dacă este utilizată o unitate de transmisie.

Soluţie

(a) Viteza unghiulară a motorului și a angrenajului de antrenare = ωm.

Viteza unghiulară a angrenajului de antrenate și a cilindrilor transportori = ωm/p.

Viteza rectilinie a transportorului și obiectelor v = rωm/p.

Determinarea inerției echivalente

Determinarea momentului echivalent de inerție al sistemului, denumit rotorul motorului, este un pas important în selectarea motorului. Acest lucru se realizează prin determinarea energiei cinetice a sistemului global și egalarea acesteia cu energia cinetică a sistemului echivalent, după cum urmează:

TABEL 7.1 Datele motorului pas cu pas

FIGURA 7.14 Curbe de performanță a motorului pas cu pas. (de la Aerotech, Inc.)

Prin urmare, momentul echivalent de inerție așa cum se simte la rotorul motorului este

(a) Aria profilului de viteză este egală cu distanța parcursă. Prin urmare,

Înlocuiți valorile numerice 0,1 = ½ vmax 0,2 → vmax = 1,0 m/s.

Accelerația/frânarea sistemului

Accelerația/frânarea unghiulară corespunzătoare a motorului este

Cu o eficiență a sistemului general η, cuplul motor Tm necesar pentru a accelera/frâna sistemul este dat de

Notă: O modalitate alternativă de a include disiparea energiei în această ecuație este folosirea a doi termeni separați: cuplul de fricțiune menționat ca rotorul motorului și eficiența angrenajului. În problema prezentă, pentru simplitate, folosim un singur termen de eficiență, indiferent dacă este prezent un angrenaj sau nu. În practică, totuși, ar trebui să fie clar că eficiența generală scade atunci când se adaugă o transmisie cu angrenare.

Viteza maximă a motorului este

Fără angrenaje (p = 1), avem din (iv)

Înlocuiți valorile numerice.

Cazul 1: Fără angrenaje

Pentru o valoare a eficienței η = 0,8 (adică, 80% eficiență), avem de la (vi)

Din (vii): ωmax = 1,0/0,1 rad/s = 10 × 60/2π rpm = 95,5 rpm

Intervalul de viteză de operare este de la 0 la 95,5 rpm.

Notă: Cuplul la 95,5 rpm este mai mic decât cuplul de pornire pentru primele două modele de motor și nu este așa pentru celelalte două modele (a se vedea curbele de cuplu-viteză în figura 7.14). Trebuie să folosim cel mai slab punct (adică cuplul cel mai mic) din intervalul de viteză de funcționare în procesul de selecție a motorului. Pentru această cerință, Tabelul 7.2 este format pentru cele patru modele de motoare.

Se vede că fără o unitate de angrenare, motoarele disponibile nu pot îndeplini cerințele sistemului.

TABELUL 7.2 Date pentru selectarea unui motor fără reductor

TABEL 7.3 Date pentru selectarea unui motor cu reductor

Cazul 2: Cu angrenaje

Notă: De obicei, eficiența sistemului scade la introducerea unor angrenaje. În acest exercițiu, folosim aceeași eficiență din motive de simplitate.

Cu o eficiență de 80%, avem η = 0,8. Atunci, din (iv)

În primul rând, încercați cazul p = 2; avem ωmax = 191,0 rpm. Tabelul 7.3 este format pentru cazul de față.

Se vede că, cu un angrenaj cu raport de viteză p = 2, modelul de motor 1010SM satisface cerințele.

Cu full stepping, unghiul de pas al rotorului = 1,8°. Pasul corespunzător în mișcarea conveyorului este rezoluția de poziționare.

Cu p = 2 și r = 0,1 m, rezoluția de poziționare este .

7.2.7 Aplicații cu motor pas cu pas

Mai multe tipuri de actuatoare pot fi potrivite pentru o anumită aplicație. În această discuție, indicăm situațiile în care un motor pas cu pas este o alegere potrivită ca actuator. Nu se exclude, totuși, utilizarea altor tipuri de actuatoare pentru aceeași aplicație.

Motoarele pas cu pas sunt adecvate în special pentru aplicații de poziționare, pentru rampe (accelerare și decelerare constantă) și slewing=rotația unui corp în jurul unei axe (viteză constantă) la viteze relativ mici. De obicei, sunt potrivite pentru mișcări scurte și repetitive la viteze mai mici de 2000 rpm. Acestea nu sunt cea mai bună alegere pentru servo sau traiectorie în aplicațiile de urmărire, din cauza problemelor de jitter și lipsei de pas (puls) (servo-motoarele DC și AC sunt mai bune pentru astfel de aplicații). Feedbackul cu encoder va îmbunătăți situația, dar la un cost mai ridicat și o complexitate a controller-ului. În general, însă, motorul pas cu pas oferă o opțiune cu costuri reduse într-o varietate de aplicații.

Motorul pas cu pas este un actuator cu viteză mică, care poate fi utilizat în aplicații care necesită cupluri de până la 15 Nm. În cazul aplicațiilor de mare putere, poate fi necesară amplificarea cuplului. O modalitate de a realiza acest lucru este folosirea unui actuator hidraulic în cascadă cu motorul. Supapa hidraulică (de obicei o supapă spool rectilinie), care controlează actuatorul hidraulic (de regulă un dispozitiv cilindru-piston), este antrenată de un motor pas cu pas, prin angrenare adecvată pentru reducerea vitezei, precum și pentru conversia mișcării rotative-rectilinie.

Cu un astfel de aranjament este posibilă amplificarea cuplului cu un ordin de mărime. Desigur, constanta de timp va crește, iar lățimea de bandă de operare va scădea din cauza încetinirii componentelor hidraulice. De asemenea, o anumită cantitate de recul va fi introdusă de sistemul de angrenaje. Controlul cu feedback va fi necesar pentru a reduce eroarea de poziție, care este de obicei prezentă în actuatoarele hidraulice cu buclă-deschisă.

Motoarele pas cu pas sunt actuatoare incrementale. Ca atare, ele sunt potrivite ideal pentru aplicații de control digital. De asemenea, este posibilă operarea cu buclă-deschisă de înaltă-precizie, cu condiția ca condițiile de operare să fie în conformitate cu capacitatea motorului. Aplicațiile timpurii ale motorului pas cu pas au fost limitate la acționări de cuplu-redus, de mică-viteză. Cu evoluția rapidă a acționărilor solid-state și a generatoarelor de impulsuri bazate pe microprocesor, însă, operarea rezonabilă la viteze mari în condiții tranzitorii de cupluri mari și control în buclă-închisă a devenit posibilă. Deoarece periile nu sunt utilizate în motoarele pas cu pas, nu există pericol de generare de scântei. Prin urmare, sunt potrivite în medii periculoase. Dar, generarea de căldură și probleme termice asociate pot fi semnificative la viteze mari.

Există numeroase aplicații ale motoarelor cu pas. De exemplu, un motor pas cu pas este adecvat în special în aplicațiile de imprimare (inclusiv imprimante grafice, plotere și mașini de scris electronice), deoarece caracterele de imprimare sunt schimbate în pași, iar liniile tipărite (sau alimentarea cu hârtie) sunt de asemenea avansate în pași. Motoarele pas cu pas sunt utilizate, uzual, în mese x–y. În aplicațiile automate de fabricație, motoarele pas cu pas se regăsesc sub formă de actuatoare de articulație, de acționare efectoare (de prindere) ale manipulatoarelor robotice și ca unități de antrenare în matrițe programabile, mese de poziționare a pieselor și suporturi de scule ale mașinilor-unelte (mașini de frezat, strunguri etc.) ). În aplicațiile auto, ștergătoarele de parbriz cu impulsuri, acționările de putere a geamurilor, mecanismele de putere ale scaunului, controlul automat al carburatorului, aplicațiile de control al procesului, actuatoarele de supapă și sistemele de manevrare a pieselor folosesc motoare pas cu pas. Alte aplicații ale motoarelor pas cu pas includ poziționarea sursei și obiectului în radiografia medicală și metalurgică, acționări de obiectiv în camerele autofocalizate, mișcarea camerei în sistemele de vedere artificială, mecanismul de avans al hârtiei în mașinile de fotocopiere.

Avantajele motoarelor pas cu pas sunt următoarele:

1. Eroarea de poziție nu este acumulativă. Este posibilă o acuratețe ridicată a mișcării, chiar și în control cu ​​buclă-deschisă.

2. Costul este relativ mic. Mai mult, sunt posibile economii considerabile în costurile senzorului (sistemul de măsurare) și ale controller-ului atunci când este utilizat modul cu buclă-deschisă.

3. Datorită naturii incrementale a comenzii și mișcării, motoarele pas cu pas sunt ușor de adoptat pentru aplicații de control digital.

4. Nu există probleme serioase de stabilitate, chiar și sub control cu ​​buclă-deschisă.

5. Capacitatea cuplului și cerințele de putere pot fi optimizate, iar răspunsul poate fi controlat prin comutare electronică.

6. Construcția fără perii are avantaje evidente.

Dezavantajele motoarelor pas cu pas sunt următoarele:

1. Sunt actuatoare cu viteză mică. Capacitatea de cuplu este de obicei mai mică de 15 Nm, ceea ce poate fi mică în comparație cu motoarele de cuplu.

2. Au o viteză limitată (limitată de capacitatea de cuplu și de probleme ca lipsă-impuls din cauza sistemelor de comutare defecte și a circuitelor de acționare).

3. Au nivele ridicate de vibrații datorate mișcării în pași.

4. Erorile și oscilațiile mari pot avea ca rezultat pierderea unui impuls în controlul cu buclă-deschisă.

5. Problemele termice pot fi semnificative atunci când se operează la viteze mari. În majoritatea aplicațiilor, meritele motoarelor pas cu pas sunt mai mari decât dezavantajele.

7.3 Motoare DC