การเลือกใช้สเต็ปเปอร์มอเตอร์ในอุปกรณ์ระบบอัตโนมัติ

มอเตอร์สเต็ปเปอร์มอเตอร์สเต็ปเปอร์สามารถใช้ควบคุมความเร็วและตำแหน่งได้โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์ป้อนกลับ (เช่น การควบคุมแบบวงเปิด) ดังนั้นโซลูชันการขับเคลื่อนนี้จึงทั้งประหยัดและเชื่อถือได้ ในอุปกรณ์และเครื่องมืออัตโนมัติ มอเตอร์สเต็ปเปอร์ได้รับการใช้งานอย่างแพร่หลาย แต่ผู้ใช้และบุคลากรทางเทคนิคจำนวนมากยังคงมีข้อสงสัยเกี่ยวกับการเลือกมอเตอร์สเต็ปเปอร์ที่เหมาะสม วิธีการทำให้มอเตอร์สเต็ปเปอร์ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด หรือคำถามอื่นๆ บทความนี้จะกล่าวถึงการเลือกมอเตอร์สเต็ปเปอร์ โดยเน้นที่การประยุกต์ใช้จากประสบการณ์ทางวิศวกรรมของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ หวังว่าจะเป็นประโยชน์ในการเผยแพร่การใช้งานมอเตอร์สเต็ปเปอร์ในอุปกรณ์อัตโนมัติ

 

1. บทนำของมอเตอร์สเต็ปเปอร์

มอเตอร์สเต็ปเปอร์ หรือที่รู้จักกันในชื่อมอเตอร์พัลส์ หรือมอเตอร์สเต็ป จะเคลื่อนที่ไปข้างหน้าด้วยมุมที่กำหนดทุกครั้งที่สถานะการกระตุ้นเปลี่ยนไปตามสัญญาณพัลส์อินพุต และจะหยุดนิ่งอยู่ที่ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งเมื่อสถานะการกระตุ้นคงที่ คุณสมบัตินี้ทำให้มอเตอร์สเต็ปเปอร์สามารถแปลงสัญญาณพัลส์อินพุตให้เป็นการเคลื่อนที่เชิงมุมที่สอดคล้องกันสำหรับเอาต์พุตได้ โดยการควบคุมจำนวนพัลส์อินพุต คุณสามารถกำหนดการเคลื่อนที่เชิงมุมของเอาต์พุตได้อย่างแม่นยำเพื่อให้ได้ตำแหน่งที่ดีที่สุด และโดยการควบคุมความถี่ของพัลส์อินพุต คุณสามารถควบคุมความเร็วเชิงมุมของเอาต์พุตได้อย่างแม่นยำและบรรลุวัตถุประสงค์ของการควบคุมความเร็ว ในช่วงปลายทศวรรษ 1960 มอเตอร์สเต็ปเปอร์ที่ใช้งานได้จริงหลากหลายชนิดได้ถือกำเนิดขึ้น และในช่วง 40 ปีที่ผ่านมาได้มีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว มอเตอร์สเต็ปเปอร์ได้เข้ามาแทนที่มอเตอร์กระแสตรง มอเตอร์อะซิงโครนัส และมอเตอร์ซิงโครนัส กลายเป็นมอเตอร์พื้นฐานประเภทหนึ่ง มอเตอร์สเต็ปเปอร์มีสามประเภท ได้แก่ แบบรีแอคทีฟ (VR type) แบบแม่เหล็กถาวร (PM type) และแบบไฮบริด (HB type) มอเตอร์สเต็ปเปอร์แบบไฮบริดเป็นการผสมผสานข้อดีของมอเตอร์สเต็ปเปอร์สองรูปแบบแรกเข้าด้วยกัน มอเตอร์สเต็ปเปอร์ประกอบด้วยโรเตอร์ (แกนโรเตอร์ แม่เหล็กถาวร เพลา ตลับลูกปืน) สเตเตอร์ (ขดลวด แกนสเตเตอร์) ฝาปิดด้านหน้าและด้านหลัง เป็นต้น มอเตอร์สเต็ปเปอร์ไฮบริดสองเฟสทั่วไปจะมีสเตเตอร์ที่มีฟันขนาดใหญ่ 8 ซี่ ฟันขนาดเล็ก 40 ซี่ และโรเตอร์ที่มีฟันขนาดเล็ก 50 ซี่ ส่วนมอเตอร์สามเฟสจะมีสเตเตอร์ที่มีฟันขนาดใหญ่ 9 ซี่ ฟันขนาดเล็ก 45 ซี่ และโรเตอร์ที่มีฟันขนาดเล็ก 50 ซี่

 

2. หลักการควบคุม

เดอะมอเตอร์สเต็ปเปอร์มอเตอร์สเต็ปเปอร์ไม่สามารถเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟโดยตรง หรือรับสัญญาณพัลส์ไฟฟ้าโดยตรงได้ ต้องอาศัยอินเทอร์เฟซพิเศษ คือ ตัวขับมอเตอร์สเต็ปเปอร์ เพื่อสื่อสารกับแหล่งจ่ายไฟและตัวควบคุม โดยทั่วไปแล้ว ตัวขับมอเตอร์สเต็ปเปอร์ประกอบด้วยตัวแบ่งสัญญาณแบบวงแหวนและวงจรขยายกำลัง ตัวแบ่งสัญญาณแบบวงแหวนจะรับสัญญาณควบคุมจากตัวควบคุม ทุกครั้งที่ได้รับสัญญาณพัลส์ เอาต์พุตของตัวแบ่งสัญญาณแบบวงแหวนจะถูกแปลงหนึ่งครั้ง ดังนั้น การมีอยู่หรือไม่มีอยู่และความถี่ของสัญญาณพัลส์จะสามารถกำหนดได้ว่าความเร็วของมอเตอร์สเต็ปเปอร์จะสูงหรือต่ำ เร่งหรือลดความเร็ว หรือเริ่มหรือหยุด ตัวแบ่งสัญญาณแบบวงแหวนจะต้องตรวจสอบสัญญาณทิศทางจากตัวควบคุมด้วย เพื่อพิจารณาว่าการเปลี่ยนแปลงสถานะเอาต์พุตเป็นไปในทิศทางบวกหรือลบ และด้วยเหตุนี้จึงกำหนดทิศทางการหมุนของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ได้

 

3. พารามิเตอร์หลัก

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

②จำนวนเฟส: จำนวนขดลวดภายในมอเตอร์สเต็ปเปอร์ โดยทั่วไปมอเตอร์สเต็ปเปอร์จะมีสองเฟส สามเฟส และห้าเฟส ในประเทศจีนส่วนใหญ่ใช้มอเตอร์สเต็ปเปอร์สองเฟส ส่วนสามเฟสก็มีการใช้งานบ้าง ในขณะที่ประเทศญี่ปุ่นมักใช้มอเตอร์สเต็ปเปอร์ห้าเฟสมากกว่า

③มุมสเต็ป: สอดคล้องกับสัญญาณพัลส์ การเคลื่อนที่เชิงมุมของการหมุนของโรเตอร์มอเตอร์ สูตรการคำนวณมุมสเต็ปของมอเตอร์สเต็ปเปอร์มีดังนี้

มุมขั้นบันได = 360° ÷ (2mz)

m คือจำนวนเฟสของมอเตอร์สเต็ปเปอร์

Z คือจำนวนฟันของโรเตอร์ของมอเตอร์สเต็ปเปอร์

จากสูตรข้างต้น มุมการหมุนของมอเตอร์สเต็ปเปอร์แบบสองเฟส สามเฟส และห้าเฟส คือ 1.8°, 1.2° และ 0.72° ตามลำดับ

④ แรงบิดยึด (Holding torque): คือแรงบิดของขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์ที่ไหลผ่านกระแสไฟฟ้าพิกัด แต่โรเตอร์ไม่หมุน สเตเตอร์ล็อกโรเตอร์ไว้ แรงบิดยึดเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ และเป็นพื้นฐานหลักในการเลือกมอเตอร์

⑤ แรงบิดในการกำหนดตำแหน่ง: คือแรงบิดที่จำเป็นในการหมุนโรเตอร์ด้วยแรงภายนอกเมื่อมอเตอร์ไม่ผ่านกระแสไฟฟ้า แรงบิดเป็นหนึ่งในตัวชี้วัดประสิทธิภาพในการประเมินมอเตอร์ ในกรณีที่พารามิเตอร์อื่นๆ เหมือนกัน ยิ่งแรงบิดในการกำหนดตำแหน่งน้อยลง หมายความว่า "เอฟเฟกต์ร่อง" น้อยลง ซึ่งจะเป็นประโยชน์ต่อความราบรื่นในการทำงานของมอเตอร์ที่ความเร็วต่ำ ลักษณะความถี่ของแรงบิด: ส่วนใหญ่หมายถึงลักษณะความถี่ของแรงบิดที่ยืดออก การทำงานที่เสถียรของมอเตอร์ที่ความเร็วระดับหนึ่งสามารถทนต่อแรงบิดสูงสุดได้โดยไม่เสียจังหวะ เส้นโค้งความถี่ของแรงบิดใช้เพื่ออธิบายความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดสูงสุดและความเร็ว (ความถี่) โดยไม่เสียจังหวะ เส้นโค้งความถี่ของแรงบิดเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญของมอเตอร์สเต็ปเปอร์และเป็นพื้นฐานหลักในการเลือกมอเตอร์

⑥ กระแสพิกัด: กระแสขดลวดมอเตอร์ที่จำเป็นในการรักษาแรงบิดพิกัด ค่าประสิทธิผล

 

4. การเลือกคะแนน

ในงานอุตสาหกรรม มอเตอร์สเต็ปเปอร์จะมีความเร็วรอบตั้งแต่ 600 ถึง 1500 รอบต่อนาที หากต้องการความเร็วรอบสูงกว่านี้ อาจพิจารณาใช้ไดรฟ์มอเตอร์สเต็ปเปอร์แบบวงปิด หรือเลือกใช้โปรแกรมไดรฟ์เซอร์โวที่เหมาะสมกว่าสำหรับการเลือกสเต็ปเปอร์มอเตอร์ (ดูรูปด้านล่าง)

 

(1) การเลือกมุมขั้นบันได

ตามจำนวนเฟสของมอเตอร์ มุมการหมุนต่อขั้นมีสามแบบ คือ 1.8° (สองเฟส), 1.2° (สามเฟส) และ 0.72° (ห้าเฟส) แน่นอนว่ามุมการหมุนต่อขั้นของมอเตอร์ห้าเฟสมีความแม่นยำสูงสุด แต่ตัวมอเตอร์และไดรเวอร์มีราคาแพงกว่า จึงไม่ค่อยได้ใช้ในประเทศจีน นอกจากนี้ ไดรเวอร์สเต็ปเปอร์มอเตอร์ที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบันใช้เทคโนโลยีการขับเคลื่อนแบบแบ่งย่อย โดยในระดับการแบ่งย่อยต่ำกว่า 4 ระดับ ความแม่นยำของมุมการหมุนต่อขั้นยังคงรับประกันได้ ดังนั้นหากพิจารณาเฉพาะความแม่นยำของมุมการหมุนต่อขั้น มอเตอร์สเต็ปเปอร์ห้าเฟสสามารถใช้แทนมอเตอร์สเต็ปเปอร์สองเฟสหรือสามเฟสได้ ตัวอย่างเช่น ในการใช้งานกับสายนำไฟฟ้าชนิดหนึ่งสำหรับโหลดสกรูขนาด 5 มม. หากใช้มอเตอร์สเต็ปปิ้งแบบสองเฟสและตั้งค่าไดรเวอร์ไว้ที่ 4 ส่วนย่อย จำนวนพัลส์ต่อการหมุนหนึ่งรอบของมอเตอร์คือ 200 x 4 = 800 และขนาดพัลส์เทียบเท่าคือ 5 ÷ 800 = 0.00625 มม. = 6.25 ไมโครเมตร ความแม่นยำนี้สามารถตอบสนองความต้องการใช้งานส่วนใหญ่ได้

(2) การเลือกแรงบิดคงที่ (แรงบิดยึด)

กลไกการส่งกำลังที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ สายพานซิงโครนัส แท่งฟิลาเมนต์ เฟืองและแร็ค เป็นต้น ลูกค้าจะต้องคำนวณภาระของเครื่องจักร (โดยหลักคือแรงบิดจากการเร่งความเร็วบวกแรงบิดจากแรงเสียดทาน) ก่อน แล้วจึงแปลงเป็นแรงบิดที่ต้องการบนเพลาของมอเตอร์ จากนั้น ตามความเร็วในการทำงานสูงสุดที่จำเป็นสำหรับดอกไม้ไฟฟ้า ต่อไปนี้คือสองกรณีการใช้งานที่แตกต่างกันเพื่อเลือกแรงบิดยึดที่เหมาะสมของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ ① สำหรับการใช้งานที่ต้องการความเร็วของมอเตอร์ 300 รอบต่อนาทีหรือน้อยกว่า: หากโหลดของเครื่องจักรถูกแปลงเป็นแรงบิดโหลดที่ต้องการของเพลามอเตอร์ T1 แรงบิดโหลดนี้จะถูกคูณด้วยปัจจัยความปลอดภัย SF (โดยทั่วไปใช้ค่า 1.5-2.0) นั่นคือแรงบิดยึดมอเตอร์สเต็ปเปอร์ที่ต้องการ Tn ②2 สำหรับการใช้งานที่ต้องการความเร็วของมอเตอร์ 300 รอบต่อนาทีหรือมากกว่า: กำหนดความเร็วสูงสุด Nmax หากโหลดของเครื่องจักรถูกแปลงเป็นเพลามอเตอร์ แรงบิดโหลดที่ต้องการคือ T1 แรงบิดโหลดนี้จะถูกคูณด้วยปัจจัยความปลอดภัย SF (โดยปกติ 2.5-3.5) ซึ่งจะได้แรงบิดยึด Tn โปรดดูรูปที่ 4 และเลือกรุ่นที่เหมาะสม จากนั้นให้ใช้กราฟความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดและความถี่เพื่อตรวจสอบและเปรียบเทียบ: บนกราฟความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดและความถี่ ความเร็วสูงสุด Nmax ที่ผู้ใช้ต้องการจะสอดคล้องกับแรงบิดสูงสุดที่สูญเสียไปในแต่ละขั้น T2 ดังนั้นแรงบิดสูงสุดที่สูญเสียไปในแต่ละขั้น T2 ควรมากกว่า T1 มากกว่า 20% มิเช่นนั้น จำเป็นต้องเลือกมอเตอร์ตัวใหม่ที่มีแรงบิดมากกว่า และตรวจสอบและเปรียบเทียบอีกครั้งตามกราฟความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดและความถี่ของมอเตอร์ที่เลือกใหม่

(3) ยิ่งหมายเลขฐานมอเตอร์มีค่ามากเท่าใด แรงบิดในการยึดก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

(4) เลือกไดรเวอร์สเต็ปเปอร์ที่เหมาะสมตามกระแสไฟฟ้าที่กำหนด

ตัวอย่างเช่น หากกระแสไฟฟ้าพิกัดของมอเตอร์ 57CM23 คือ 5A คุณควรเลือกไดรฟ์ที่มีกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่อนุญาตได้มากกว่า 5A (โปรดทราบว่านี่คือค่าที่ใช้งานได้จริง ไม่ใช่ค่าสูงสุด) มิเช่นนั้น หากคุณเลือกไดรฟ์ที่มีกระแสไฟฟ้าสูงสุดเพียง 3A แรงบิดเอาต์พุตสูงสุดของมอเตอร์จะเหลือเพียงประมาณ 60% เท่านั้น!

5. ประสบการณ์การสมัครงาน

(1) ปัญหาการสั่นพ้องความถี่ต่ำของสเต็ปเปอร์มอเตอร์

การแบ่งย่อยการขับเคลื่อนสเต็ปเปอร์เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการลดการสั่นสะเทือนความถี่ต่ำของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ ที่ความเร็วรอบต่ำกว่า 150 รอบต่อนาที การแบ่งย่อยการขับเคลื่อนมีประสิทธิภาพมากในการลดการสั่นสะเทือนของมอเตอร์ ในทางทฤษฎี ยิ่งการแบ่งย่อยมากเท่าไร ผลลัพธ์ในการลดการสั่นสะเทือนของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น แต่ในความเป็นจริง การเพิ่มการแบ่งย่อยเป็น 8 หรือ 16 จะทำให้ผลลัพธ์ในการลดการสั่นสะเทือนของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ดีขึ้นถึงขีดสุดแล้ว

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีผลิตภัณฑ์ไดร์เวอร์สเต็ปเปอร์มอเตอร์ที่ป้องกันการสั่นสะเทือนความถี่ต่ำวางจำหน่ายทั้งในและต่างประเทศ เช่น ผลิตภัณฑ์ซีรีส์ DM และ DM-S ของ Leisai ซึ่งใช้เทคโนโลยีป้องกันการสั่นสะเทือนความถี่ต่ำ ไดร์เวอร์ซีรีส์นี้ใช้การชดเชยฮาร์มอนิก ผ่านการชดเชยแอมพลิจูดและเฟส ทำให้สามารถลดการสั่นสะเทือนความถี่ต่ำของสเต็ปเปอร์มอเตอร์ได้อย่างมาก ส่งผลให้มอเตอร์ทำงานโดยมีการสั่นสะเทือนและเสียงรบกวนต่ำ

(2) ผลกระทบของการแบ่งย่อยมอเตอร์สเต็ปเปอร์ต่อความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่ง

วงจรขับมอเตอร์สเต็ปเปอร์แบบแบ่งย่อยไม่เพียงแต่จะช่วยให้การเคลื่อนที่ของอุปกรณ์ราบรื่นขึ้นเท่านั้น แต่ยังช่วยเพิ่มความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่งของอุปกรณ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพอีกด้วย ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่า: ในแพลตฟอร์มการเคลื่อนที่แบบขับเคลื่อนด้วยสายพานซิงโครนัส มอเตอร์สเต็ปเปอร์แบบแบ่งย่อย 4 ส่วน สามารถกำหนดตำแหน่งมอเตอร์ได้อย่างแม่นยำในแต่ละขั้น