การเลือกใช้มอเตอร์สเต็ปเปอร์ในอุปกรณ์อัตโนมัติ

มอเตอร์สเต็ปเปอร์สามารถใช้สำหรับการควบคุมความเร็วและการควบคุมตำแหน่งโดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์ตอบรับ (เช่น การควบคุมแบบวงเปิด) ดังนั้นโซลูชันไดรฟ์นี้จึงประหยัดและเชื่อถือได้ ในอุปกรณ์อัตโนมัติ เครื่องมือ ไดรฟ์สเต็ปเปอร์ได้รับการใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่ผู้ใช้บุคลากรทางเทคนิคจำนวนมากมีคำถามเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการเลือกมอเตอร์สเต็ปเปอร์ที่เหมาะสม วิธีทำให้ไดรฟ์สเต็ปเปอร์มีประสิทธิภาพสูงสุด เอกสารนี้จะกล่าวถึงการเลือกมอเตอร์สเต็ปเปอร์ โดยเน้นที่การประยุกต์ใช้ประสบการณ์ด้านวิศวกรรมมอเตอร์สเต็ปเปอร์บางส่วน ฉันหวังว่าการทำให้มอเตอร์สเต็ปเปอร์เป็นที่นิยมในอุปกรณ์อัตโนมัติจะมีบทบาทในการอ้างอิง

 

1、บทนำมอเตอร์สเต็ปเปอร์

มอเตอร์สเต็ปเปอร์เรียกอีกอย่างว่ามอเตอร์พัลส์หรือมอเตอร์สเต็ป มอเตอร์จะเคลื่อนที่ไปข้างหน้าด้วยมุมหนึ่งทุกครั้งที่สถานะการกระตุ้นเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณพัลส์อินพุต และจะคงอยู่ในตำแหน่งที่แน่นอนเมื่อสถานะการกระตุ้นไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งจะทำให้มอเตอร์สเต็ปเปอร์สามารถแปลงสัญญาณพัลส์อินพุตเป็นการเคลื่อนที่เชิงมุมที่สอดคล้องกันสำหรับเอาต์พุตได้ โดยการควบคุมจำนวนพัลส์อินพุต คุณสามารถกำหนดการเคลื่อนที่เชิงมุมของเอาต์พุตได้อย่างแม่นยำเพื่อให้ได้ตำแหน่งที่ดีที่สุด และโดยการควบคุมความถี่ของพัลส์อินพุต คุณสามารถควบคุมความเร็วเชิงมุมของเอาต์พุตได้อย่างแม่นยำและบรรลุวัตถุประสงค์ของการควบคุมความเร็ว ในช่วงปลายทศวรรษ 1960 มอเตอร์สเต็ปเปอร์ที่ใช้งานได้จริงหลากหลายประเภทได้ถือกำเนิดขึ้น และในช่วง 40 ปีที่ผ่านมา ได้มีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว มอเตอร์สเต็ปเปอร์สามารถทำงานเป็นมอเตอร์ DC มอเตอร์อะซิงโครนัส รวมถึงมอเตอร์ซิงโครนัสควบคู่กันไปได้ โดยกลายมาเป็นมอเตอร์ประเภทพื้นฐาน มอเตอร์สเต็ปเปอร์มีสามประเภท ได้แก่ รีแอคทีฟ (ประเภท VR) แม่เหล็กถาวร (ประเภท PM) และไฮบริด (ประเภท HB) มอเตอร์สเต็ปเปอร์ไฮบริดผสมผสานข้อดีของมอเตอร์สเต็ปเปอร์สองรูปแบบแรกเข้าด้วยกัน มอเตอร์สเต็ปเปอร์ประกอบด้วยโรเตอร์ (แกนโรเตอร์ แม่เหล็กถาวร เพลา ลูกปืน) สเตเตอร์ (ขดลวด แกนสเตเตอร์) ฝาปิดด้านหน้าและด้านหลัง เป็นต้น มอเตอร์สเต็ปเปอร์ไฮบริดสองเฟสทั่วไปที่สุดมีสเตเตอร์ที่มีฟันขนาดใหญ่ 8 ซี่ ฟันขนาดเล็ก 40 ซี่ และโรเตอร์ที่มีฟันขนาดเล็ก 50 ซี่ มอเตอร์สามเฟสมีสเตเตอร์ที่มีฟันขนาดใหญ่ 9 ซี่ ฟันขนาดเล็ก 45 ซี่ และโรเตอร์ที่มีฟันขนาดเล็ก 50 ซี่

 

2、หลักการควบคุม

การมอเตอร์สเต็ปเปอร์ไม่สามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับแหล่งจ่ายไฟได้ และไม่สามารถรับสัญญาณพัลส์ไฟฟ้าได้โดยตรง จะต้องดำเนินการผ่านอินเทอร์เฟซพิเศษ - ไดรเวอร์มอเตอร์สเต็ปเปอร์ เพื่อโต้ตอบกับแหล่งจ่ายไฟและตัวควบคุม ไดรเวอร์มอเตอร์สเต็ปเปอร์โดยทั่วไปประกอบด้วยตัวจ่ายไฟวงแหวนและวงจรขยายกำลัง ตัวแบ่งวงแหวนรับสัญญาณควบคุมจากตัวควบคุม ทุกครั้งที่รับสัญญาณพัลส์ เอาต์พุตของตัวแบ่งวงแหวนจะถูกแปลงหนึ่งครั้ง ดังนั้นการมีอยู่หรือไม่มีอยู่และความถี่ของสัญญาณพัลส์จึงสามารถกำหนดได้ว่าความเร็วของมอเตอร์สเต็ปเปอร์สูงหรือต่ำ เร่งหรือชะลอความเร็วเพื่อเริ่มหรือหยุด ตัวจ่ายไฟวงแหวนยังต้องตรวจสอบสัญญาณทิศทางจากตัวควบคุมเพื่อกำหนดว่าการเปลี่ยนสถานะเอาต์พุตอยู่ในลำดับบวกหรือลบ และจึงกำหนดทิศทางของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ได้

 

3、พารามิเตอร์หลัก

①หมายเลขบล็อก: หลักๆ คือ 20, 28, 35, 42, 57, 60, 86 เป็นต้น

②จำนวนเฟส: จำนวนขดลวดภายในมอเตอร์สเต็ปเปอร์ โดยทั่วไปแล้วจำนวนเฟสของมอเตอร์สเต็ปเปอร์จะมีแบบสองเฟส สามเฟส และห้าเฟส จีนใช้มอเตอร์สเต็ปเปอร์แบบสองเฟสเป็นหลัก ส่วนแบบสามเฟสก็มีการใช้งานอยู่บ้าง ญี่ปุ่นมักใช้มอเตอร์สเต็ปเปอร์แบบห้าเฟสมากกว่า

③มุมสเต็ป: สอดคล้องกับสัญญาณพัลส์ การเคลื่อนที่เชิงมุมของการหมุนของโรเตอร์มอเตอร์ สูตรการคำนวณมุมสเต็ปของมอเตอร์สเต็ปเปอร์มีดังนี้

มุมก้าว = 360° ÷ (2mz)

m จำนวนเฟสของมอเตอร์สเต็ปเปอร์

Z คือจำนวนฟันของโรเตอร์ของมอเตอร์สเต็ปเปอร์

ตามสูตรข้างต้น มุมก้าวของมอเตอร์สเต็ปเปอร์แบบสองเฟส สามเฟส และห้าเฟส คือ 1.8°, 1.2° และ 0.72° ตามลำดับ

④ แรงบิดยึด: คือแรงบิดของขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์ผ่านกระแสไฟฟ้าที่กำหนด แต่โรเตอร์ไม่หมุน สเตเตอร์จะล็อกโรเตอร์ แรงบิดยึดเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ และเป็นพื้นฐานหลักในการเลือกมอเตอร์

⑤ แรงบิดตำแหน่ง: คือแรงบิดที่จำเป็นในการหมุนโรเตอร์ด้วยแรงภายนอกเมื่อมอเตอร์ไม่ผ่านกระแส แรงบิดเป็นหนึ่งในตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพในการประเมินมอเตอร์ ในกรณีที่พารามิเตอร์อื่นๆ เหมือนกัน แรงบิดตำแหน่งยิ่งน้อย แสดงว่า "เอฟเฟกต์ช่อง" น้อยลง ยิ่งส่งผลดีต่อความราบรื่นของมอเตอร์ที่ทำงานที่ความเร็วต่ำ ลักษณะความถี่แรงบิด: ส่วนใหญ่หมายถึงลักษณะความถี่แรงบิดที่ยืดเยื้อ มอเตอร์ทำงานได้อย่างเสถียรที่ความเร็วหนึ่ง สามารถทนต่อแรงบิดสูงสุดได้โดยไม่สูญเสียขั้นตอน เส้นโค้งความถี่โมเมนต์ใช้เพื่ออธิบายความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดสูงสุดและความเร็ว (ความถี่) โดยไม่สูญเสียขั้นตอน เส้นโค้งความถี่แรงบิดเป็นพารามิเตอร์สำคัญของมอเตอร์สเต็ปเปอร์และเป็นพื้นฐานหลักในการเลือกมอเตอร์

⑥ กระแสไฟฟ้าที่กำหนด: กระแสไฟฟ้าของขดลวดมอเตอร์ที่จำเป็นในการรักษาแรงบิดที่กำหนด ค่าที่มีประสิทธิภาพ

 

4、การเลือกจุด

การใช้งานในอุตสาหกรรมที่ใช้มอเตอร์สเต็ปเปอร์ความเร็วสูงถึง 600 ~ 1500 รอบต่อนาที หากต้องการความเร็วที่สูงขึ้น คุณสามารถพิจารณาใช้มอเตอร์สเต็ปเปอร์แบบวงปิด หรือเลือกขั้นตอนการเลือกมอเตอร์สเต็ปเปอร์ของโปรแกรมไดรฟ์เซอร์โวที่เหมาะสมยิ่งขึ้น (ดูรูปด้านล่าง)

 

(1) การเลือกมุมก้าว

ตามจำนวนเฟสของมอเตอร์มีมุมก้าวสามประเภท: 1.8° (สองเฟส), 1.2° (สามเฟส), 0.72° (ห้าเฟส) แน่นอนว่ามุมก้าวห้าเฟสมีความแม่นยำสูงสุด แต่มอเตอร์และไดรเวอร์มีราคาแพงกว่าจึงไม่ค่อยได้ใช้ในจีน นอกจากนี้ไดรเวอร์สเต็ปเปอร์กระแสหลักกำลังใช้เทคโนโลยีไดรฟ์แบบแบ่งย่อย ใน 4 การแบ่งย่อยด้านล่าง ความแม่นยำของมุมก้าวแบบแบ่งย่อยยังคงรับประกันได้ ดังนั้นหากตัวบ่งชี้ความแม่นยำของมุมก้าวเพียงอย่างเดียวจากการพิจารณา มอเตอร์สเต็ปเปอร์ห้าเฟสสามารถเปลี่ยนเป็นมอเตอร์สเต็ปเปอร์สองเฟสหรือสามเฟสได้ ตัวอย่างเช่น ในการใช้งานสายนำบางชนิดกับโหลดสกรูขนาด 5 มม. หากใช้มอเตอร์สเต็ปปิ้งสองเฟสและตั้งค่าไดรเวอร์ไว้ที่ 4 ส่วนย่อย จำนวนพัลส์ต่อการหมุนรอบของมอเตอร์คือ 200 x 4 = 800 และค่าเทียบเท่าของพัลส์คือ 5 ÷ 800 = 0.00625 มม. = 6.25 ไมโครเมตร ความแม่นยำนี้สามารถตอบสนองข้อกำหนดการใช้งานส่วนใหญ่ได้

(2) การเลือกแรงบิดคงที่ (แรงบิดคงที่)

กลไกในการถ่ายโอนโหลดที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ สายพานแบบซิงโครนัส บาร์เส้นใย แร็คแอนด์พิเนียน ฯลฯ ลูกค้าจะคำนวณโหลดของเครื่องจักรของตนเองก่อน (โดยหลักแล้วคือแรงบิดเร่งบวกกับแรงบิดเสียดทาน) โดยแปลงเป็นแรงบิดโหลดที่ต้องการบนเพลาของมอเตอร์ จากนั้นตามความเร็วการทำงานสูงสุดที่ต้องการโดยดอกไม้ไฟฟ้าสองกรณีการใช้งานที่แตกต่างกันต่อไปนี้เพื่อเลือกแรงบิดยึดที่เหมาะสมของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ ① สำหรับการใช้งานที่ความเร็วมอเตอร์ที่ต้องการ 300pm หรือต่ำกว่า: หากโหลดของเครื่องถูกแปลงเป็นแรงบิดโหลดที่ต้องการของเพลามอเตอร์ T1 แรงบิดโหลดนี้จะถูกคูณด้วยปัจจัยด้านความปลอดภัย SF (โดยทั่วไปถือว่าเป็น 1.5-2.0) นั่นคือแรงบิดยึดมอเตอร์สเต็ปเปอร์ที่ต้องการ Tn ②2 สำหรับการใช้งานที่ต้องการความเร็วมอเตอร์ 300pm หรือมากกว่า: ตั้งค่าความเร็วสูงสุด Nmax หากโหลดของเครื่องถูกแปลงเป็นเพลามอเตอร์ แรงบิดโหลดที่ต้องการคือ T1 แรงบิดโหลดนี้จะถูกคูณด้วยปัจจัยด้านความปลอดภัย SF (โดยปกติคือ 2.5-3.5) ซึ่งจะให้แรงบิดยึด Tn ดูรูป 4 และเลือกแบบจำลองที่เหมาะสม จากนั้นใช้กราฟโมเมนต์-ความถี่เพื่อตรวจสอบและเปรียบเทียบ: ในกราฟโมเมนต์-ความถี่ ความเร็วสูงสุด Nmax ที่ผู้ใช้ต้องการสอดคล้องกับแรงบิดขั้นที่สูญเสียสูงสุดของ T2 ดังนั้นแรงบิดขั้นที่สูญเสียสูงสุด T2 ควรมากกว่า T1 มากกว่า 20% มิฉะนั้น จำเป็นต้องเลือกมอเตอร์ใหม่ที่มีแรงบิดที่มากกว่า และตรวจสอบและเปรียบเทียบอีกครั้งตามกราฟความถี่แรงบิดของมอเตอร์ที่เลือกใหม่

(3) ยิ่งจำนวนฐานมอเตอร์มีขนาดใหญ่ แรงบิดยึดก็จะมากขึ้น

(4) ตามกระแสไฟฟ้าที่กำหนดเพื่อเลือกไดร์เวอร์สเต็ปเปอร์ที่ตรงกัน

ตัวอย่างเช่น กระแสไฟที่กำหนดของมอเตอร์ 57CM23 คือ 5A ดังนั้นคุณจึงเลือกกระแสไฟสูงสุดที่อนุญาตของไดรฟ์ที่มากกว่า 5A (โปรดทราบว่าเป็นค่าที่ใช้งานจริงไม่ใช่ค่าพีค) มิฉะนั้น หากคุณเลือกกระแสไฟสูงสุดที่ไดรฟ์เพียง 3A แรงบิดเอาต์พุตสูงสุดของมอเตอร์จะอยู่ที่ประมาณ 60% เท่านั้น!

5.ประสบการณ์การใช้งาน

(1) ปัญหาการสั่นพ้องความถี่ต่ำของมอเตอร์สเต็ปเปอร์

ไดรฟ์สเต็ปเปอร์แบบแบ่งย่อยเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการลดการสั่นสะเทือนความถี่ต่ำของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ ไดรฟ์แบบแบ่งย่อยมีประสิทธิผลมากในการลดการสั่นสะเทือนของมอเตอร์ที่ความเร็วต่ำกว่า 150 รอบต่อนาที ในทางทฤษฎี ยิ่งแบ่งย่อยมากเท่าไร ผลกระทบต่อการลดการสั่นสะเทือนของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น แต่สถานการณ์จริงคือ การแบ่งย่อยจะเพิ่มเป็น 8 หรือ 16 หลังจากผลกระทบต่อการลดการสั่นสะเทือนของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ถึงขีดสุด

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมามีไดรเวอร์สเต็ปเปอร์ป้องกันเรโซแนนซ์ความถี่ต่ำที่จำหน่ายในประเทศและต่างประเทศ ผลิตภัณฑ์ซีรีส์ DM, DM-S ของ Leisai ซึ่งเป็นเทคโนโลยีป้องกันเรโซแนนซ์ความถี่ต่ำ ซีรีส์ไดรเวอร์นี้ใช้การชดเชยฮาร์มอนิก ผ่านการชดเชยแอมพลิจูดและการจับคู่เฟส สามารถลดการสั่นสะเทือนความถี่ต่ำของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ได้อย่างมาก ทำให้การทำงานของมอเตอร์มีการสั่นสะเทือนและเสียงรบกวนต่ำ

(2) ผลกระทบของการแบ่งย่อยมอเตอร์สเต็ปเปอร์ต่อความแม่นยำในการวางตำแหน่ง

วงจรขับมอเตอร์สเต็ปเปอร์แบบแบ่งย่อยไม่เพียงแต่ปรับปรุงความราบรื่นของการเคลื่อนไหวของอุปกรณ์เท่านั้น แต่ยังปรับปรุงความแม่นยำในการวางตำแหน่งของอุปกรณ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ การทดสอบแสดงให้เห็นว่า: ในแพลตฟอร์มการเคลื่อนที่แบบสายพานซิงโครนัส มอเตอร์สเต็ปเปอร์แบบแบ่งย่อย 4 สามารถวางตำแหน่งมอเตอร์ได้อย่างแม่นยำในแต่ละขั้นตอน