U razvoju
tehnologije digitalnih sistema upravljanja, koračni motor je jedno od najinteresantnijih otkrića. To je specifična komponenta u klasi izvršnih organa, kojom se može upravljati digitalnim procesorom bez posredstva D/A konvertora. Komercijalna eksploatacija ovih motora je počela 60-ih godina kada je unapređena tehnologija proizvodnje prekidačkih tranzistora, sposobnih da prekidaju jednosmerne struje u namotajima motora. Brz razvoj digitalne elektronike omogućio je kvalitetnije upravljanje koračnim motorima, kao i veliku zainteresovanost inženjera za njihov dalji razvoj.
tehnologije digitalnih sistema upravljanja, koračni motor je jedno od najinteresantnijih otkrića. To je specifična komponenta u klasi izvršnih organa, kojom se može upravljati digitalnim procesorom bez posredstva D/A konvertora. Komercijalna eksploatacija ovih motora je počela 60-ih godina kada je unapređena tehnologija proizvodnje prekidačkih tranzistora, sposobnih da prekidaju jednosmerne struje u namotajima motora. Brz razvoj digitalne elektronike omogućio je kvalitetnije upravljanje koračnim motorima, kao i veliku zainteresovanost inženjera za njihov dalji razvoj.
Koračni motor je elektromehanički pretvarač čiji je ulaz binarno kodovan naponski signal, a izlaz kvantovan ugaoni pomeraj određen ulaznim signalom. On je jedinstven element u klasi servo komponenti u kojima su ulazi promenljivi digitalni naponi, a izlazi kontinualni ugaoni pomeraji. Ovaj projektni rad predstavlja primer realizacije upravljanja hibridnim koračnim motorom. Zadatak rada je prikaz postupka sinteze digitalnog sistema automatskog upravljanja za koračni motor, od teorijskog razmatranja problema pa do jedne od više mogućih praktičnih realizacija.
Koračni (step) motor
Svi koračni motori se mogu svrstati u dve šire kategorije:
- koračni (step) motori promenljive reluktanse, koji koriste pojavu elektromagnetne sile između pobudnih namotaja na statoru i kratkospojenog rotora od mekog gvožđa u kome se indukuju struje, a time i magnetni polovi usled promena magnetnog polja statorskih namotaja.
- hibridni koračni motori (koračni motori sa permanentnim magnetom), koji koriste elektromagnetnu silu između pobudnih namotaja na statoru i polova permanentnog magneta na rotoru.
Kako se hibridni koračni motori više koriste i usavršavaju od koračnih motora promenljive reluktanse, u ovom radu će detaljnije biti opisane samo njihove karakteristike.
Hibridni koračni motori. Na rotoru hibridnog step motora nalazi se stalni magnet duž osovine koji stvara stalni fluks kroz gvožđe mašine, kako je to prikazano na slici 1.
Slika 1. Uzdužni presek hibridnog step motora
Stator i rotor su od lameliranih limova i imaju na svojim ivicama zupce, što se vidi na slici 2.
Slika 2. Poprečni presek hibridnog step motora
Stator i rotor se sastoje od dva segmenta X i Y. Ako motor ima dva namotaja (faze) A i B, svaki je smešten na po četiri pola statora. Namotaj A je postavljen na polove 1,3,5,7, a namotaj B na polove 2,4,6,8. Uzastopni polovi svake faze su motani u suprotnom smeru. Tako da ako se na primer namotaj A pobudi pozitivnom strujom rezultantno magnetno polje je usmereno radijalno prema polovima 3 i 7, a od polova 1 i 5. Sve ostale kombinacije date su u tabeli 1.
Tabela 1. Orjentacija magnetnog polja
Mali zupci na rotoru se nalaze naspram malih zubaca na statoru, i u zavisnosti od njihovog stepena poklapanja, zavisi veličina reluktanse (magnetskog otpora). U slučaju pozitivne struje kroz prvi namotaj(A+), imamo najmanju reluktansu kroz zupce 1-5 na Y segmentu i 3-7 na X segmentu. Fluks stalnog magneta biće vođen ovom putanjom, tako da će sile koje pokreću rotor težiti da se zupci rotora i statora poklope baš na mestu 1-5Y i 3-7X. Ako sad želimo da motor načini korak, treba da prekinemo struju u prvom namotaju i da uključimo pozitivnu struju kroz drugi namotaj (B+). Sada će najmanja reluktansa biti kroz zupce 2-6Y i 4-8X, pa se rotor pomera u pravcu kazaljke na satu. Sledeći koraci bi bili prekidanje struje kroz drugi namotaj i puštanje negativne struje kroz prvi namotaj(A-), a zatim ukidanje te i puštanje negativne struje kroz drugi namotaj(B-).
Kontinualno okretanje rotora u smeru kretanja kazaljke na satu postiže se sledećom pobudnom sekvencom: A+,B+,A-,B-,A+,B+,… . Okretanje u suprotnom smeru postiže se sledećom pobudnom sekvencom; A+,B-,A-,B+,A+,B-,… .
Dužina svakog koraka može se jednostavno povezati sa sa brojem rotorskih zubaca. Kompletan ciklus pobuđivanja hibridnog motora sadrži 4 stanja i prouzrokuje 4 koraka pomeranja rotora. Znači 4 koraka rotora odgovaraju jednom potpunom preklapanju zubaca. Pri tome se rotor obrne za 360/p stepeni. Broj zubaca rotora obeležavamo sa p a broj faza sa n . Ugao jednog koraka γ se racuna:
Dužina svakog koraka može se jednostavno povezati sa sa brojem rotorskih zubaca. Kompletan ciklus pobuđivanja hibridnog motora sadrži 4 stanja i prouzrokuje 4 koraka pomeranja rotora. Znači 4 koraka rotora odgovaraju jednom potpunom preklapanju zubaca. Pri tome se rotor obrne za 360/p stepeni. Broj zubaca rotora obeležavamo sa p a broj faza sa n . Ugao jednog koraka γ se racuna:
γ=360o/ n•p
Mana ovakvog motora je što zahteva i pozitivan i negativan smer struje kroz namotaje, što uzrokuje komplikovaniju pogonsku elektroniku. Ovakvo bipolarno upravljanje zahteva 4 tranzistora po namotaju. Da bi se to izbeglo koristi se bifilarno motan koračni motor, kod koga se opisani namotaji motaju sa dve niti, pa se dobijaju 4 namotaja odnosno faze. Parovi ovih namotaja su istih karakteristika (istih su induktivnosti pa stvaraju isti fluks). U motoru su ti namotaji vezani tako da struja bude istog smera a da stvara u jednoj fazi suprotan fluks u odnosu na njenog para.
Definisanje problema i postavljanje zahteva
Ovaj projekat treba treba da reši problem upravljanja brzinom i preciznim pozicioniranjem hibridnog step motora. Da bi izvršili izbor komponenti i strukture sistema, moramo znati parametre konkretnog elektromotornog pogona: snagu koju treba da razvija izvršni organ (step motor) u zavisnosti od karakteristika opterećenja, zahtevanu brzinu okretanja rotora i zahtevanu preciznost pozicioniranja. Na osnovu ovih podataka se vrši izbor koračnog motora, a na osnovu njegovih parametara se vrši izbor sklopa za njegovo napajanje. Zatim se vrši definisanje željenog dinamičkog ponašanja sistema. Prvi i osnovni zahtev je da projektovani sistem bude stabilan. Sledeći zahtev koji se postavlja sistemu je da greška izlazne regulisane promenljive u ustaljenom stanju bude jednaka nuli. Pored ovoga zahteva se i određena brzina reagovanja sistema na zadatu pobudu, zatim imunost sistema na spoljnje poremećaje i šumove, kao i na promenu parametara objekta upravljanja. Na osnovu ovih zahteva vrši se projektovanje digitalnog regulatora. Pri postavljanju zahteva mora se voditi računa da li se željeni sistem može praktično realizovati.
Struktura sistema
Dva osnovna načina upravljanja koračnim motorima su u otvorenoj i zatvorenoj povratnoj sprezi. Upravljanje u otvorenoj povratnoj sprezi se koristi kada su promene opterećenja vratila motora male i kad je inercija zanemarljiva. Osnovna prednost upravljanja u zatvorenoj povratnoj sprezi je što se u svakom trenutku dobija informacija sa motora o trenutnoj poziciji rotora. Ta informacija se vodi preko povratne sprege u kontrolnu jedinicu, gde se softverski upravlja radom motora. Usled postojanja povratne sprege, kod ove metode jako je mala mogućnost gubljenja sinhronizacije. Tipično upravljanje step motorom u zatvorenoj povratnoj sprezi prikazano je na slici 3.
Slika 3. Upravljanje step motorom u zatvorenoj povratnoj sprezi
Princip upravljanja. Ciljna pozicija step motora (target) se u obliku broja koraka učitava u count down (brojač naniže). Impulsni signal start se dovodi na control unit (kontrolnu jedinicu) i istovremeno se šalje komanda za rad phase sequence generator-a. Zatim dolazi do promene pobudnog signala motora, koji počinje da se kreće brzinom, diktiranom od strane opterećenja. Posle svakog napravljenog koraka position detector šalje impuls brojaču naniže i kontrolnoj jedinici. Brojač naniže dekrementira sadržaj target-a i čuva razliku između željenog broja koraka (target) i ostvarenog broja koraka.
Ovde se zapaža da za razliku od upravljanja u otvorenoj povratnoj sprezi, gde je u downcounter bio unešen target i nije bilo garancije da će taj broj koraka biti izvršen. Ovde downcounter od unešenog targeta oduzima tačno izvršeni broj koraka step motora.
Za veća opterećenja (load) motor sporije ubrzava, a može da dođe i do proklizavanja. Motor se zatim krece brzinom diktiranom pobudom i momentom, sve dok se ne približi željenoj poziciji. Tada downcounter generiše retard signal, koji izaziva promenu fazne sekvence tako da se izvrši usporavanje motora dok ne dođe do željene pozicije. Kada downcounter pročita nulu, željeni broj koraka je izvršen pa šalje stop signal u kontrolnu jedinicu, da zaustavi dalje formiranje fazne sekvence, što dovodi do zaustavljanja motora.
Ovde se zapaža da za razliku od upravljanja u otvorenoj povratnoj sprezi, gde je u downcounter bio unešen target i nije bilo garancije da će taj broj koraka biti izvršen. Ovde downcounter od unešenog targeta oduzima tačno izvršeni broj koraka step motora.
Za veća opterećenja (load) motor sporije ubrzava, a može da dođe i do proklizavanja. Motor se zatim krece brzinom diktiranom pobudom i momentom, sve dok se ne približi željenoj poziciji. Tada downcounter generiše retard signal, koji izaziva promenu fazne sekvence tako da se izvrši usporavanje motora dok ne dođe do željene pozicije. Kada downcounter pročita nulu, željeni broj koraka je izvršen pa šalje stop signal u kontrolnu jedinicu, da zaustavi dalje formiranje fazne sekvence, što dovodi do zaustavljanja motora.
Problemi sa upravljanjem step motorom u zatvorenoj povratnoj sprezi:
- Opticke metode detekcije pozicije rotora su dosta skupe, pogotovo za step motore sa sitnim koracima. Zato su dosta atraktivne metode sa detekcijom signala fazne sekvence.
- Detektor pozicije generiše impuls za svaki izvršen korak motora, ali ako je opterećenje motora suviše veliko, lociranje impulsa tokom koračanja može varirati sa brzinom.
- Broj koraka izvršenih tokom usporavanja zavisi od parametara opterećenja. Opterećenja sa većom inercijom i manjim momentom uzrokuju veći broj koraka pri zaustavljanju, nego opterećenja sa manjom inercijom i većim momentom.
Izbor digitalnog regulatora
Klasa procesa gde se zahteva upravljanje ili regulacija samo jednom promenljivom ( temperatura, pritisak, broj obrtaja, položaj vratila motora ), ima tipičnu dinamiku koja omogućava da se postavljeni zahtevi u pogledu ponašanja sistema u prelaznom procesu i stacionarnom stanju, mogu postići primenom PID regulatora. Takvi regulatori su: jednostavni, rasprostranjeni na tržištu, zahtevaju skromne procesore ograničene memorije i mogućnosti računanja. Važna osobina digitalnih regulatora je velika fleksibilnost, lako se programski mogu implementirati različiti algoritmi upravljanja. Ovi regulatori se mogu jednostavno transformisati u redne, paralelne ili regulatore po merljivom poremećaju i prilagoditi svim tipovima izvršnih organa. U literaturi se predlaže struktura konture regulacije sa PID regulatorom inkrementalnog tipa:
Slika 4. PID regulator inkrementalnog tipa
Promećuje se da nema D/A konvertora zato što se koračnom motoru dovode pojačani digitalni signali. Ovakva regulaciona struktura se jednostavno primenjuje na mikrokontroleru jer zahteva mali broj operacija množenja i sabiranja. Vidi se da je samo i dejstvo zavisno od odbiraka ulaznog signala, dok je P dejstvo izmešteno u povratnu spregu , čime se izbegava nagli skok upravljačke promenljive u trenucima skokovite promene ulazne promenljive.
Zaključak
U ovom delu projekta urađeno je teorijsko razmatranje upravljanja koračnim motorom uz pomoć PI regulatora. Na početku rada opisana je struktura koračnog motora, njegove najvažnije karakteristike i način pobuđivanja. Zatim je prikazan jedan od načina upravljanja koračnim motorom u zatvorenoj povratnoj sprezi, zajedno sa svojim prednostima i nedostacima.
Dat je i uprošćen matematički model step motora, na osnovu kog je izvedena prenosna funkcija motora. Zatim je vršena simulacija ponašanja koračnog motora bez regulacije u otvorenoj povratnoj sprezi, kao i sa regulacijom u zatvorenoj povratnoj sprezi. Na osnovu rezultata simulacije može se zaključiti:
Dat je i uprošćen matematički model step motora, na osnovu kog je izvedena prenosna funkcija motora. Zatim je vršena simulacija ponašanja koračnog motora bez regulacije u otvorenoj povratnoj sprezi, kao i sa regulacijom u zatvorenoj povratnoj sprezi. Na osnovu rezultata simulacije može se zaključiti:
- Prilikom pobuđivanja koračnog motora bez povratne sprege uz dobro vremensko podešavanje pobudnih signala, može se postići precizno pozicioniranje. Međutim, ovakav rad motora je moguć samo ako su promene opterećenja neznatne i ako je brzina mala (do 200 koraka u sekundi).
- Prisustvo digitalne povratne sprege omogućava daleko bolje karakteristike, što se može tek primetiti kad se posmatra rad motora u više koraka. Tada se brzina ponavljanja upravljackih impulsa podešava u zavisnosti od trenutne brzine motora i karakteristika opterećenja. Štaviše, povratna sprega omogućava i veliko ubrzavanje ( i do 2000 koraka u sekundi) motora kao i efikasno zaustavljanje. Pri tome važna prednost je što motor ”trči” brzinom koja je u sinhronizaciji sa trenutnom brzinom obrtanja.
Kompletnu simulaciju sistema u otvorenoj i zatvorenoj povratnoj sprezi, kao i određivanje parametara možete pogledati na ovom linku.
