Lekcija07 - Upravljanje koračnim motorima

Lekcija 7jUpravljanje koranim motorima

Prof.dr.sc. Jasmin VelagiElektrotehniki fakultet SarajevoElektrotehniki fakultet SarajevoKolegij: Aktuatori

7 1 Upravljanje koranim motorima2/37

7.1. Upravljanje koranim motorima

KontrolerKontroler

Namoti na statoru

Popreni presjek koranog motora.Namoti na statorskim polovima nisu Elektriki krug koranog motora.Namoti na statorskim polovima nisu prikazani.

g g

Otvoreni sistem upravljanja koranim motorom3/37

Osnovni elementi otvorenog sistema upravljanja su:lj ki j i di l it lj j

Otvoreni sistem upravljanja koranim motorom

upravljaki ureaj izvodi algoritam upravljanja (reim rada motora),

kontroler stanja faza odreuje redoslijed ukljuenja faza i smjer kretanja,

pojaalo snage osigurava nominalan napon i struju svake faze.

Tanost pozicioniranja je odreena iznosom koraka i momentom tereta.

Brzina vrtnje jednaka je frekvenciji upravljakih impulsa.p

Pomak proporcionalan broju upravljakih impulsa.

Otvoreni sistem upravljanja koranim motorom4/37

Osnovni nedostaci:Otvoreni sistem upravljanja koranim motorom

maksimalna brzina nije velika (velika zaliha momenta zbog pouzdanosti rada),ij lj ti il ij b i t j i nije mogue upravljati oscilacijama brzine vrtnje i

pozicijom pri zaletu i zaustavljanju.P j b i t j j Poveanje brzine vrtnje mogue uvoenjem povratne veze s davaa impulsa direktno na k t l t j f lj ki j j ikontroler stanja faza upravljaki ureaj je izvan zatvorene petlje.

Kontroler stanja faza daje nalog za sljedei korak im se izvri prethodni korak.

Mogue je smanjiti potrebnu zalihu momenta.

Zatvoreni sistem upravljanja koranim motorom5/37

Povratna veza s davaa impulsa na upravljaki j

Zatvoreni sistem upravljanja koranim motorom

ureaj. Poboljava se momentna karakteristika (optimalno

upravljanje). Poveana je brzina vrtnje.j j Smanjena je zaliha momenta. Nedostatak zbog koritenja davaa impulsa Nedostatak zbog koritenja davaa impulsa

znaajno vea cijena sistema.Rj j j t d i l k i titi Rjeenje: umjesto davaa impulsa mogu se koristiti elektriki signali (napon i struja faze) za

d i j l j i b i t jodreivanje poloaja i brzine vrtnje.

7 2 Pojaala snage (pobudni (uzbudni) krugovi)6/37

Za napajanje svake faze koristi se zasebno pojaalo snage

7.2. Pojaala snage (pobudni (uzbudni) krugovi)

snage. Unipolarna pojaala - protjecanje struje u jednom smjeru

i njezino iskljuenje (jednosmjerna uzbuda)i njezino iskljuenje (jednosmjerna uzbuda). Primjer: faza motora u kolektorskom krugu tranzistora

koji radi kao sklopkakoji radi kao sklopka. Bipolarna pojaala (dvosmjerna uzbuda)- protjecanje

struje u oba smjera (mogu biti s bipolarnim i unipolarnimstruje u oba smjera (mogu biti s bipolarnim i unipolarnim izvorom napajanja).

Za pouzdan rad treba onemoguiti kratki spoj a pou da ad t eba o e ogu t at spojtranzistora (prvo sigurno gaenje prvog tranzistora, a tek onda ukljuenje drugog) vidi sliku.

Bipolarno pojaalo s jednostrukim izvorom napajanja -mosni (H) spoj tranzistora.

Unipolarno i bipolarno pojaalo snage7/37

Unipolarno i bipolarno pojaalo snage

+ULf, Rf

uu1 uu2Bipolarno pojaalo

TuuT1 T2

-Ui1 i2 +U

Unipolarno pojaalo

Lf, Rf

N i kl juu1

Nain uklapanja napona

u ttkuu2 t

ttk 2tk 3tk 4tk

7 2 1 Mosni (H) spoj pojaala 1 faze motora8/37

7.2.1. Mosni (H) spoj pojaala 1 faze motora+U

D1T1 T2D2

i2

uu1 uu2

RsLf, RfA B

i2

i1

D3T3 T4D4 uu1uu2

Princip rada mosnog spoja9/37

Radi se o krugu za dvosmjernu pobudu svake pojedine faze motora

Princip rada mosnog spoja

faze motora. Dvosmjerna pobuda se koristi kod koranih motora s

permanentnim magnetima (permanentnomagnetskipermanentnim magnetima (permanentnomagnetski korani motori).

Ovisno o zahtijevanom polaritetu ukljuuje se jedan ili Ovisno o zahtijevanom polaritetu ukljuuje se jedan ili drugi par tranzistora.

Za pozitivnu pobudu faze otvaraju se tranzistori T i T Za pozitivnu pobudu faze otvaraju se tranzistori T1 i T4. U tom sluaju struja tee od pozitivnog pola napona

napajanja preko tranzistora T faznog svitkanapajanja preko tranzistora T1, faznog svitka, korekcijskog otpora i tranzistora T4 na negativni pol.

Za negativnu pobudu otvaraju se tranzistori T2 i T3 takoZa negativnu pobudu otvaraju se tranzistori T2 i T3, tako da struja kroz fazni svitak tee u suprotnom smjeru.


Svaki pojedini od etiri tranzistora u mosnom spoju ima svoj zasebni pogon baze koji pojaava upravljaki signal


svoj zasebni pogon baze koji pojaava upravljaki signal. etiri diode spojene reverzno paralelno tranzistorima

omoguuju razgradnju magnetskog polja faznog svitkaomoguuju razgradnju magnetskog polja faznog svitka izvan tranzistorske petlje (sljedea slika).

Na slici je prikazana struja razgradnje poslije iskapanja Na slici je prikazana struja razgradnje poslije iskapanja tranzistora T2 i T3, koja prolazi kroz energijski izvor.

Tako se jedan dio energije vraa natrag u izvor za razliku Tako se jedan dio energije vraa natrag u izvor, za razliku od kruga za jednosmjernu uzbudu (unipolarno pojaalo), u kome se ta energija troi na dodanom otporu (u seriji s g j p ( jdiodom).

Zbog ove utede energije ovi krugovi se mogu koristiti i g g j g gkod reluktantnih motora s vie od 1 kW snage.

Struja razgradnje mosnog spoja11/37

Struja razgradnje mosnog spoja

D1T1 T2D2uu1 uu2

RsLf, RfA BU

D3T3 T4D4 uu1uu2


Druga prednost ovih pojaala u odnosu na unipolarne je manja vremenska konstanta iskapanja


manja vremenska konstanta iskapanja. Zbog svoje energijske efikasnosti ova pojaala su

ekonomina za uzbudu motora veih snaga, ali su s g ,druge strane, zbog sloenosti elektrikog kruga, neekonomini za uzbudu motora manjih snaga.N k j d j b d i f i j d Npr. krug za jednosmjernu pobudu ima po fazi jedan tranzistor i jednu diodu, a krug za dvosmjernu pobudu etiri tranzistora i etiri diodeetiri tranzistora i etiri diode.

Uzbudni krug trofaznog reluktantnog motora ima ukupno tri tranzistora i tri diode, a pobudni krug dvofaznog , p g ghibridnog motora osam tranzistora i osam dioda.

Ekonominija dvosmjerna uzbuda se moe rijeiti bifil i t j l ih it k k ji t dbifilarnim namatanjem polnih svitaka, koji se tada mogu pobuivati krugovima za jednosmjernu uzbudu.

Unipolarno upravljanje koranim motor13/37

Unipolarno upravljanje koranim motor Primjer: Unipolarni 2-fazni korani motor s jednim parom

polova po fazi i jednim parom polova rotorapolova po fazi i jednim parom polova rotora. Tok struje se moe promijeniti prekapanjem napajanja sa

faze A/B u fazu A/Bfaze A/B u fazu A/B.

Bipolarni korani motor14/37

Bipolarni korani motor Primjer: Bipolarni 2-fazni korani motor s jednim parom polova po

fazi i jednim parom polova rotora.j p p Tok struje se moe promijeniti zamjenom + i polova napajanja. 8 punih koranih pozicija je mogue (osnovni korani ugao: 45).

Bipolarno upravljanje koranim motorom15/37

Bipolarno upravljanje koranim motorom Koristi logiku ukljuivanja/iskljuivanja signala na mjestima 2, 7, 10

i 15.

7 2 2 Naini ubrzanja smanjenja struje16/37

Za vrijeme iskljuenja se na tranzistoru pojavljuje napon u proporcionalan Lf dif /dt

7.2.2. Naini ubrzanja smanjenja struje

napon uCE proporcionalan Lf dif /dt. To je zbog toga to akumulirana energija u

magnetskom polju ne dozvoljava trenutni prekid faznemagnetskom polju ne dozvoljava trenutni prekid fazne struje (lo utjecaj induktiviteta faznog svitka).

Ako se naglo ukloni upravljaki signal s baze Ako se naglo ukloni upravljaki signal s baze tranzistora, veliki se inducirani napon pojavljuje izmeu kolektora i emitera, koji moe otetiti upravljaki krug.o e o a e e a, oj o e o e up a ja ug

Ovaj napon je 10-100 puta vei od napona faze U. Za zatitu tranzistora i ubrzanje smanjenja strujeZa zatitu tranzistora i ubrzanje smanjenja struje,

paralelno namotu faze spaja se: dioda i otpornik dioda i otpornik, zener dioda i dioda.

Naini ubrzanja smanjenja struje17/37

Kada se paralelno faznom namotu spoji serijski spoj diode i otpornika tada se kroz njih zatvara struja

Naini ubrzanja smanjenja struje

diode i otpornika tada se kroz njih zatvara struja razgradnje magnetskog polja faznog svitka.

Ako je samo dioda spojena paralelno namotu tada: Ako je samo dioda spojena paralelno namotu, tada: tranzistor vodi dioda nepropusno polarizirana tranzistor prestaje voditi dioda vodi tranzistor prestaje voditi dioda vodi

Maksimalni napon na tranzistoru UCEm je priblino jednak Ujednak U.

Vremenska konstanta smanjenja struje T = Tf = Lf /Rf.Disipacija energije na R Disipacija energije na Rf.

Primjenjuje se kod manjih brzina vrtnje sporije j j t j i j d i k ksmanjenje struje priguuje odziv koraka.

Naini ubrzanja smanjenja struje18/37

Dioda i otpornik UCEm > U, T = Lf /(Rf + Rr), disipacija na Rfi R primjenjuje se kad se ele postii vee brzine vrtnje

Naini ubrzanja smanjenja struje

i Rr, primjenjuje se kad se ele postii vee brzine vrtnje. Zener dioda i dioda (vidi sliku) UCEm=U + UD + Uz, brzina

smanjenja struje vea nego kod diode i otpornika (naponsmanjenja struje vea nego kod diode i otpornika (napon zener diode kao aktivni napon), disipacija energije na zener diodi i namotu faze.

D ZD Rr

+U

Lf Rf

+U

Lf Rf

uCEuu

UuCEuu

7 2 3 Metode poveanja brzine porasta struje19/37

Poveanjem brzine vrtnje, zbog djelovanja Lf i e, t j i t t j j ( I M

7.2.3. Metode poveanja brzine porasta struje

struja i moment motora se smanjuju (if < In, M < M0).

Poveanjem brzine porasta struje poveava se iznos struje i momenta motora na veim brzinama vrtnje.

Metode poveanja brzine porasta strujep j p j dodatni serijski otpor Rs, dvostruki napon napajanja (impulsno forsiranje dvostruki napon napajanja (impulsno forsiranje

struje),l ij t j f regulacija struje faze.

Dodatni serijski otpor20/37

Koeficijent forsiranja kF=(Rf + Rs)/Rf . Napon napajanja U= k U

Dodatni serijski otpor

Napon napajanja U= kFUn. Vremenska konstanta Lf /(Rf + Rs) = Tf /kF. Prijelazna pojava struje k puta bra Prijelazna pojava struje kF puta bra. Nedostatak je velika disipacija snage na serijskom otporu

manji koeficijent korisnostimanji koeficijent korisnosti.if

2In

Tf /2

ntF

123

In

Tf t

Dodatni serijski otpor21/37

Otpornik Rs slui za korekciju vremenske konstante.K ij ki j di d D i t ik R t t j

Dodatni serijski otpor

Kroz serijski spoj diode D i otpornika Rr se zatvara struja razgradnje magnetskog polja faznog svitka.U nastavku se ilustrira primjer dimenzioniranja komponenti U nastavku se ilustrira primjer dimenzioniranja komponenti kruga za jednosmjernu pobudu.

D Rr

+U

Lf Rf Rs

uCEuu

+U

Krug za jednosmjernu uzbudu svake fazeKrug za jednosmjernu uzbudu svake faze varijabilno-reluktancijskog motora.

Primjer 1 dimenzioniranje komponenti motora22/37

Primjer 1 dimenzioniranje komponenti motoraInduktivitet po fazi trofaznog reluktantnog koranog motora iznosi 60 mH, omska otpornost Rf = 1, a nazivna struja 1A.iznosi 60 mH, omska otpornost Rf 1, a nazivna struja 1A.Treba dimenzionirati komponente kruga za jednosmjernu uzbudu (unipolarno pojaalo) tako da elektrika vremenska konstanta pri ukapanju bude 3 ms, a pri iskapanju 1.5 ms. Motor se kree brzinom od 300 [k/s] (koraka u sekundi).

Rjeenje:Za vremensku konstantu ukapanja ukupna fazna otpornost iznosi: p j p p

.20003006.0 === fuf T

LR

003.0ukTBudui da je omska otpornost faznog svitka 1 , slijedi da je korekcijski (dodatni serijski) otpor:

. 19120 === ffus RRRj ( j ) p

Primjer 123/37

Primjer 1Korekcijski otpornik mora biti u stanju disipirati toplinu koja se na njemu razvija uz neprekidnu faznu uzbudu s nazivnom strujom od j j p j1 A. Snaga korekcijskog otpornika zbog toga e iznositi:

W191912 === RIP W.19191 === ss RIPDa bi kroz fazni svitak protekla nazivna struja od 1 A, napon

V.20201)( ==+= f RRIUenergijskog izvora e biti:

V.20201)( + sf RRIUNa vremensku konstantu pri iskapanju utjeu induktivnost faze i

fL

omska otpornost cijelog strujnog kruga:

.rfs

fisk RRR

LT ++=

Primjer 124/37

Primjer 1Iz zadnjeg izraza slijedi:

. 20200015.006.0)( ==+= sf

isk

fr RRT

LR

isk

Snaga otpornika Rr ovisi o brzini kretanja motora. Najgori je sluaj kada struja uzbude dostie svoju nazivnu vrijednost a to je zakada struja uzbude dostie svoju nazivnu vrijednost, a to je za zadanu brzinu od 300 k/s. Akumulirana energija u faznom svitku bit e:

J. 03.02

2

== ILE fm 2Budui da pri tome na otpornik Rr otpada polovica ukupne otpornosti k j di i i ti 0 015 J P i b i i d 300 k/ k dkruga, na njemu e se disipirati 0.015 J. Pri brzini od 300 k/s svaka od tri faze se pobudi 100 puta u sekundi.

Primjer 125/37

Primjer 1Na temelju navedenog ,otpronik Rr valja dimenzionirati na snagu od:

W.5.1015.0100 ==rPDioda vezana u seriju s otpronikom Rr mora biti dimenzionirana tako da u nepropusnom smjeru dri napon izvora od 20 V , a u

ij d t t j f d 1 Apropusnom vrnu vrijednost struje faze od 1 A.Konano, tranzistor mora proputati nazivnu struju od 1 A, a izmeu kolektora i emitera podnijeti napon od:

V4012020 =+=+= IRUUkolektora i emitera podnijeti napon od:

V.4012020 =+=+= IRUU rCEm

Dvostruki napon napajanja26/37

Prijelazna pojava struje faze je bra nego kod dodatnog serijskog otpora uz isti iznos napona U = 2Un.

Dvostruki napon napajanja

p p n Iskljuenje napona U1 i ukljuenje napona U2 moe se obaviti

kada struja poprimi nominalnu vrijednost ili nakon vremena tF. Nedostaci: potrebna su 2 izvora napajanja, na veim brzinama

vrtnje napon U2 =Un nije dovoljan za postizanje nominalne struje (zbog e i L ) napon U moe se koristiti samo kada motor stoji(zbog e i Lf) napon U2 moe se koristiti samo kada motor stoji.

UU1=2Un1 n

U2=Un

tF t

Regulacija struje faze27/37

Principi regulacije struje:k i l ij d t t j (k t t

Regulacija struje faze

maksimalna vrijednost struje (konstantno vrijeme iskljuenja tranzistora),

srednja vrijednost struje (histerezni regulatori I= Im Imin, In = (Im + Imin)/2 ).

Regulacija maksimalne struje je jednostavnija pa se vie koristi za korane motore male snage gintegrirani sklopovi.

Regulacija struje faze28/37

Vrijeme iskljuenja tranzistora Tisk je konstantno, ali se moe podeavati.

Regulacija struje faze

p Vrijeme ukljuenja tranzistora Tuk ovisi o vremenskoj konstanti faze

Tf i naponu U. Frekvencija oscilacija fo = 1/(Tisk + Tuk) podruje vrijednosti 10-20

kHz.iuf , if

ImTuk

Uuf

Tisk

if

t

Integrirani sklopovi za pojaala snage29/37

ULN 20xx, USN 20xx 7 Darlington pojaala i dioda

Integrirani sklopovi za pojaala snage

ULN 28xx, USN 28xx 8 Darlington pojaala i dioda Im = 0.5 A, Um = 50 Vm m PIC 900 - 4 Darlington pojaala i diode I = 5 A U = 60 80 100 V (mosni spoj za napajanje jedne Im = 5 A, Um = 60, 80, 100 V (mosni spoj za napajanje jedne

faze koranog motora)

L298 2 j j l L298 2 mosna spoja pojaala Im = 2 A, Um = 50 V (napajanje dvije faze koranog motora)

7 3 Kontroleri stanja faza30/37

Osnovni zadatak pretvorba upravljakih impulsa u viekanalni (prema broju faza) niz impulsa za pojaala

7.3. Kontroleri stanja faza

viekanalni (prema broju faza) niz impulsa za pojaala snage.

Zahtjevi: Zahtjevi: formiranje niza impulsa uz minimalni broj elemenata, d l i k d j f k ij klj i i rad u vrlo irokom podruju frekvencija, ukljuivo i

mogunost dugotrajnog pamenja stanja, t j j bil k j t tkmogunost promjene smjera, u bilo kojem trenutku,

bez gubitka informacije,lik d t d (i blj i f ij velika pouzdanost rada (izgubljena informacija moe

se nadoknaditi samo u pogonima s povratnom vezom poloaja)poloaja).

Kontroleri stanja faza31/37

Naini promjene stanja kretanja: jedan ulaz za impulse naprijed a drugi ulaz za impulse

Kontroleri stanja faza

jedan ulaz za impulse naprijed , a drugi ulaz za impulse natrag vidi sliku,

jedan ulaz za impulse koraka a drugi ulaz za signal jedan ulaz za impulse koraka, a drugi ulaz za signal smjera vidi sliku.

Smjer kretanja

Ulaz 1(naprijed)

Smjer kretanja

Ulaz 1(korak) Za impulse(naprijed)

t

(korak)

t

Ulaz 2(nazad)

Ulaz 2(smjer)

Za signal(nazad)

t

(smjer)

t


Ovisno o ukupnom broju ukljuenih faza komutacija moe biti:


moe biti: simetrina (ukljuen uvijek isti broj faza), nesimetrina (ukljuen razliiti broj faza).

etverofazni korani motor simetrine komutacije:

9 ukljuena samo jedna faza,j j ,9 ukljuene po dvije faze,9 ukljuene po tri faze.ukljuene po tri faze.

nesimetrine komutacije:9 ukljuene maksimalno dvije faze9 ukljuene maksimalno dvije faze,9 ukljuene maksimalno tri faze.


Kontroleri stanja faza mogu se napraviti pomou: reverzibilnog brojila


reverzibilnog brojila, posmanog registra.

Integrirane izvedbe kontrolera stanja fazag jL297 omoguava: kontrolu stanja faza motora s unipolarnim napajanjem (4 j p p j j (

faze), kontrolu stanja faza motora s bipolarnim napajanjem (2 faze),j j j ( ) primjenu simetrine (FULL STEP) i nesimetrine (HALF

STEP) komutacije.PBL 3717 sadri: kontroler stanja jedne faze, pojaalo snage (mosni spoj).


Logike ulaze Io, I1 za regulaciju struje faze (0; 0.2; 0.6; 1)In 8 mikrokoraka.


8 mikrokoraka. Maksimalne vrijednosti napona i struje: Um = 45 V, Im = 1 A.

CY 500 namijenjen za upravljanje:CY 500 namijenjen za upravljanje: etverofaznog unipolarno napajanog koranog motora, dvofaznog bipolarno napajanog koranog motora, ip ima mogunosti:

generiranja programa (22 instrukcije), generiranja funkcije zaleta i zaustavljanja, kretanja s punim i pola koraka.

7 4 Upravljaki ureaj35/37

Djeluje na pokazatelje kvalitete upravljanja pogonom: maksimalna brzina

7.4. Upravljaki ureaj

maksimalna brzina, tanost pozicioniranja, kvaliteta kretanja kvaliteta kretanja.

Algoritmi upravljanja u otvorenoj petljil t i t lj j zalet i zaustavljanje.

Algoritmi zaleta u zatvorenoj petlji P, PI, PID, optimalni

maksimalna brzina kretanja minimalno trajanje prijelazne pojave (pozicioniranja),k lit t k t j i i l d i j ( ik k j kvaliteta kretanja minimalno nadvienje (mikrokoraanje, priguenje kretanja).

Upravljaki ureaj36/37

Mikroraunar kao upravljaki ureaj integracija pogona i mikroraunala

Upravljaki ureaj

pogona i mikroraunala. Obavlja funkcije: upravljakog ureaja, kontrolera stanja faza, obrade signala davaa impulsa, regulacije struje faze.g j j

PLC kao upravljaki ureajFunkcijski moduli FM253 i FM353 za Simatic S7 Funkcijski moduli FM253 i FM353 za Simatic S7

Upravljaki ureaj37/37

Rjeenje sistema upravljanja dvoosnim slijednim sistemom s koranim motorima.

Upravljaki ureaj

koranim motorima. Zadatak pakiranje gotovih proizvoda u kartonsku ambalau.

Lekcija07 - Upravljanje koračnim motorima

Documents

Transcript of Lekcija07 - Upravljanje koračnim motorima