การเลือกใช้มอเตอร์สเต็ปเปอร์ในอุปกรณ์อัตโนมัติ

มอเตอร์สเต็ปเปอร์สามารถใช้ควบคุมความเร็วและตำแหน่งได้โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์ป้อนกลับ (เช่น การควบคุมแบบวงเปิด) ดังนั้นโซลูชันไดรฟ์นี้จึงทั้งประหยัดและเชื่อถือได้ ไดรฟ์สเต็ปเปอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อัตโนมัติและเครื่องมือต่างๆ อย่างไรก็ตาม ผู้ใช้และบุคลากรทางเทคนิคจำนวนมากยังคงมีข้อสงสัยเกี่ยวกับวิธีการเลือกมอเตอร์สเต็ปเปอร์ที่เหมาะสม วิธีเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดของไดรฟ์สเต็ปเปอร์ หรือคำถามอื่นๆ บทความนี้จะกล่าวถึงการเลือกมอเตอร์สเต็ปเปอร์ โดยมุ่งเน้นไปที่การประยุกต์ใช้ประสบการณ์ทางวิศวกรรมมอเตอร์สเต็ปเปอร์ ผมหวังว่าการเผยแพร่มอเตอร์สเต็ปเปอร์ในอุปกรณ์อัตโนมัติจะมีบทบาทในการอ้างอิง

 

1、บทนำของมอเตอร์สเต็ปเปอร์

มอเตอร์สเต็ปเปอร์ หรือที่รู้จักกันในชื่อมอเตอร์พัลส์ หรือมอเตอร์สเต็ป มอเตอร์จะเคลื่อนที่ด้วยมุมที่กำหนดทุกครั้งที่สถานะการกระตุ้นเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณพัลส์อินพุต และจะคงตำแหน่งเดิมเมื่อสถานะการกระตุ้นไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งทำให้มอเตอร์สเต็ปเปอร์สามารถแปลงสัญญาณพัลส์อินพุตเป็นการเคลื่อนที่เชิงมุมที่สอดคล้องกันสำหรับเอาต์พุต การควบคุมจำนวนพัลส์อินพุตช่วยให้คุณสามารถกำหนดการเคลื่อนที่เชิงมุมของเอาต์พุตได้อย่างแม่นยำเพื่อให้ได้ตำแหน่งที่ดีที่สุด และการควบคุมความถี่ของพัลส์อินพุตช่วยให้คุณสามารถควบคุมความเร็วเชิงมุมของเอาต์พุตได้อย่างแม่นยำและบรรลุวัตถุประสงค์ในการควบคุมความเร็ว ในช่วงปลายทศวรรษ 1960 มอเตอร์สเต็ปเปอร์ที่ใช้งานได้จริงหลากหลายชนิดได้ถือกำเนิดขึ้น และในช่วง 40 ปีที่ผ่านมา ได้มีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว มอเตอร์สเต็ปเปอร์สามารถนำไปใช้เป็นมอเตอร์กระแสตรง มอเตอร์อะซิงโครนัส และมอเตอร์ซิงโครนัสควบคู่กันไป จนกลายเป็นมอเตอร์พื้นฐาน มอเตอร์สเต็ปเปอร์มีสามประเภท ได้แก่ มอเตอร์รีแอคทีฟ (ชนิด VR) มอเตอร์แม่เหล็กถาวร (ชนิด PM) และมอเตอร์ไฮบริด (ชนิด HB) มอเตอร์สเต็ปเปอร์ไฮบริดผสานรวมข้อดีของมอเตอร์สเต็ปเปอร์สองรูปแบบแรกเข้าด้วยกัน มอเตอร์สเต็ปเปอร์ประกอบด้วยโรเตอร์ (แกนโรเตอร์, แม่เหล็กถาวร, เพลา, ลูกปืน), สเตเตอร์ (ขดลวด, แกนสเตเตอร์), ฝาครอบด้านหน้าและด้านหลัง ฯลฯ มอเตอร์สเต็ปเปอร์ไฮบริดสองเฟสทั่วไปที่สุดประกอบด้วยสเตเตอร์ที่มีฟันขนาดใหญ่ 8 ซี่, ฟันขนาดเล็ก 40 ซี่ และโรเตอร์ที่มีฟันขนาดเล็ก 50 ซี่ ส่วนมอเตอร์สามเฟสประกอบด้วยสเตเตอร์ที่มีฟันขนาดใหญ่ 9 ซี่, ฟันขนาดเล็ก 45 ซี่ และโรเตอร์ที่มีฟันขนาดเล็ก 50 ซี่

 

2、หลักการควบคุม

การมอเตอร์สเต็ปเปอร์ไม่สามารถเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟโดยตรง หรือรับสัญญาณพัลส์ไฟฟ้าได้โดยตรง จำเป็นต้องดำเนินการผ่านอินเทอร์เฟซพิเศษ นั่นคือไดรเวอร์มอเตอร์สเต็ปเปอร์ เพื่อโต้ตอบกับแหล่งจ่ายไฟและตัวควบคุม โดยทั่วไปไดรเวอร์มอเตอร์สเต็ปเปอร์ประกอบด้วยตัวจ่ายไฟแบบวงแหวนและวงจรขยายกำลัง ตัวแบ่งวงแหวนจะรับสัญญาณควบคุมจากตัวควบคุม ทุกครั้งที่รับสัญญาณพัลส์ เอาต์พุตของตัวแบ่งวงแหวนจะถูกแปลงหนึ่งครั้ง ดังนั้นการมีอยู่หรือไม่มีอยู่และความถี่ของสัญญาณพัลส์จึงสามารถกำหนดได้ว่าความเร็วของมอเตอร์สเต็ปเปอร์สูงหรือต่ำ เร่งหรือลดความเร็วเพื่อเริ่มหรือหยุด ตัวจ่ายไฟแบบวงแหวนยังต้องตรวจสอบสัญญาณทิศทางจากตัวควบคุมเพื่อตรวจสอบว่าการเปลี่ยนสถานะเอาต์พุตอยู่ในลำดับบวกหรือลบ และเพื่อกำหนดทิศทางของมอเตอร์สเต็ปเปอร์

 

3、พารามิเตอร์หลัก

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

② จำนวนเฟส: จำนวนขดลวดภายในมอเตอร์สเต็ปเปอร์ โดยทั่วไปแล้ว จำนวนเฟสของมอเตอร์สเต็ปเปอร์จะมีสองเฟส สามเฟส และห้าเฟส ประเทศจีนใช้มอเตอร์สเต็ปเปอร์สองเฟสเป็นหลัก ส่วนมอเตอร์สามเฟสก็มีการใช้งานอยู่บ้าง ญี่ปุ่นมักใช้มอเตอร์สเต็ปเปอร์ห้าเฟสมากกว่า

③มุมสเต็ป: สอดคล้องกับสัญญาณพัลส์ การเคลื่อนที่เชิงมุมของการหมุนของโรเตอร์มอเตอร์ สูตรคำนวณมุมสเต็ปของมอเตอร์สเต็ปมีดังนี้

มุมก้าว = 360° ÷ (2mz)

m จำนวนเฟสของมอเตอร์สเต็ปเปอร์

Z คือจำนวนฟันของโรเตอร์ของมอเตอร์สเต็ปเปอร์

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

④ แรงบิดยึด: คือแรงบิดของขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์ที่ผ่านกระแสไฟฟ้าที่กำหนด แต่โรเตอร์ไม่หมุน สเตเตอร์จะล็อกโรเตอร์ แรงบิดยึดเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ และเป็นพื้นฐานหลักในการเลือกมอเตอร์

⑤ แรงบิดตำแหน่ง: คือแรงบิดที่จำเป็นในการหมุนโรเตอร์ด้วยแรงภายนอกเมื่อมอเตอร์ไม่ผ่านกระแสไฟฟ้า แรงบิดเป็นหนึ่งในตัวชี้วัดประสิทธิภาพในการประเมินมอเตอร์ ในกรณีที่พารามิเตอร์อื่นๆ เหมือนกัน ยิ่งแรงบิดตำแหน่งมีค่าน้อย หมายความว่า "ผลกระทบจากช่อง" มีค่าน้อย ยิ่งส่งผลดีต่อความราบรื่นของมอเตอร์ที่ความเร็วต่ำ ลักษณะความถี่แรงบิด: ส่วนใหญ่หมายถึงลักษณะความถี่แรงบิดที่ยืดออก มอเตอร์ทำงานได้อย่างเสถียรที่ความเร็วหนึ่ง สามารถรับแรงบิดสูงสุดได้โดยไม่สูญเสียสเต็ป เส้นโค้งโมเมนต์-ความถี่ใช้เพื่ออธิบายความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดสูงสุดและความเร็ว (ความถี่) โดยไม่สูญเสียสเต็ป เส้นโค้งความถี่แรงบิดเป็นพารามิเตอร์สำคัญของสเต็ปเปอร์มอเตอร์ และเป็นพื้นฐานหลักในการเลือกมอเตอร์

⑥ กระแสไฟฟ้าที่กำหนด: กระแสไฟฟ้าที่ขดลวดมอเตอร์ต้องการเพื่อรักษาแรงบิดที่กำหนด ค่าที่มีประสิทธิภาพ

 

4、การเลือกจุด

การใช้งานในอุตสาหกรรมที่ใช้มอเตอร์สเต็ปเปอร์ความเร็วสูงถึง 600 ~ 1500 รอบต่อนาที หากต้องการความเร็วสูงกว่านี้ คุณสามารถพิจารณาใช้มอเตอร์สเต็ปเปอร์แบบวงปิด หรือเลือกโปรแกรมไดรฟ์เซอร์โวที่เหมาะสมกว่าสำหรับขั้นตอนการเลือกมอเตอร์สเต็ปเปอร์ (ดูรูปด้านล่าง)

 

(1) การเลือกมุมขั้นบันได

มุมสเต็ปมอเตอร์มีสามแบบตามจำนวนเฟส ได้แก่ 1.8° (สองเฟส), 1.2° (สามเฟส), 0.72° (ห้าเฟส) แน่นอนว่ามุมสเต็ปแบบห้าเฟสมีความแม่นยำสูงที่สุด แต่มอเตอร์และไดรเวอร์มีราคาแพงกว่า จึงไม่ค่อยมีการใช้ในประเทศจีน นอกจากนี้ ไดรเวอร์สเต็ปหลักๆ ในปัจจุบันใช้เทคโนโลยีไดรฟ์แบบแบ่งย่อย ใน 4 การแบ่งย่อยด้านล่าง ความแม่นยำของมุมสเต็ปแบบแบ่งย่อยยังคงสามารถรับประกันได้ ดังนั้น หากพิจารณาเฉพาะความแม่นยำของมุมสเต็ปเพียงอย่างเดียว มอเตอร์สเต็ปห้าเฟสก็สามารถเปลี่ยนมาใช้มอเตอร์สเต็ปแบบสองเฟสหรือสามเฟสได้ ตัวอย่างเช่น ในการใช้สายนำบางชนิดกับโหลดสกรูขนาด 5 มม. หากใช้มอเตอร์สเต็ปปิ้งสองเฟสและตั้งค่าไดรเวอร์เป็น 4 ส่วนย่อย จำนวนพัลส์ต่อการหมุนรอบของมอเตอร์คือ 200 x 4 = 800 และค่าเทียบเท่าพัลส์คือ 5 ÷ 800 = 0.00625 มม. = 6.25 ไมโครเมตร ความแม่นยำนี้สามารถตอบสนองข้อกำหนดการใช้งานส่วนใหญ่ได้

(2) การเลือกแรงบิดคงที่ (แรงบิดคงที่)

กลไกการส่งโหลดที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ สายพานซิงโครนัส แท่งเส้นใย แร็คแอนด์พิเนียน ฯลฯ ลูกค้าจะคำนวณภาระเครื่องจักรของตนเองก่อน (ส่วนใหญ่เป็นแรงบิดเร่งบวกแรงบิดเสียดทาน) เพื่อแปลงเป็นแรงบิดโหลดที่ต้องการบนเพลามอเตอร์ จากนั้น ตามความเร็วรอบสูงสุดที่มอเตอร์ไฟฟ้าต้องการ มีสองกรณีการใช้งานที่แตกต่างกันดังต่อไปนี้ เพื่อเลือกแรงบิดยึดที่เหมาะสมของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ ① สำหรับการใช้งานที่ความเร็วมอเตอร์ที่ต้องการ 300pm หรือน้อยกว่า: หากภาระของเครื่องจักรถูกแปลงเป็นแรงบิดยึดที่ต้องการของเพลามอเตอร์ T1 แรงบิดยึดนี้จะถูกคูณด้วยค่าความปลอดภัย SF (โดยทั่วไปคือ 1.5-2.0) นั่นคือ แรงบิดยึดที่ต้องการของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ Tn ②2 สำหรับ สำหรับการใช้งานที่ต้องการความเร็วมอเตอร์ 300pm ขึ้นไป: ตั้งค่าความเร็วสูงสุด Nmax หากภาระของเครื่องจักรถูกแปลงเป็นเพลามอเตอร์ แรงบิดยึดที่ต้องการคือ T1 แรงบิดยึดนี้จะถูกคูณด้วยค่าความปลอดภัย SF (โดยทั่วไปคือ 2.5-3.5) ซึ่งจะได้แรงบิดยึด Tn โปรดดูรูปที่ 4 และเลือกรุ่นที่เหมาะสม จากนั้นใช้กราฟโมเมนต์-ความถี่เพื่อตรวจสอบและเปรียบเทียบ: บนกราฟโมเมนต์-ความถี่ ความเร็วสูงสุด Nmax ที่ผู้ใช้ต้องการสอดคล้องกับแรงบิดขั้นที่สูญเสียสูงสุดของ T2 ดังนั้นแรงบิดขั้นที่สูญเสียสูงสุดของ T2 ควรมากกว่า T1 มากกว่า 20% มิฉะนั้น จำเป็นต้องเลือกมอเตอร์ใหม่ที่มีแรงบิดสูงกว่า และตรวจสอบและเปรียบเทียบอีกครั้งตามกราฟความถี่แรงบิดของมอเตอร์ที่เลือกใหม่

(3) ยิ่งจำนวนฐานมอเตอร์มีขนาดใหญ่ แรงบิดยึดก็จะยิ่งมากขึ้น

(4) ตามกระแสไฟฟ้าที่กำหนดเพื่อเลือกไดรเวอร์สเต็ปเปอร์ที่ตรงกัน

ตัวอย่างเช่น กระแสไฟที่กำหนดของมอเตอร์ 57CM23 คือ 5A ดังนั้นคุณจะจับคู่กระแสไฟสูงสุดที่อนุญาตของไดรฟ์ที่มากกว่า 5A (โปรดทราบว่าเป็นค่าที่ใช้งานได้จริงมากกว่าค่าพีค) มิฉะนั้น หากคุณเลือกกระแสไฟสูงสุดที่ไดรฟ์ 3A เท่านั้น แรงบิดเอาต์พุตสูงสุดของมอเตอร์จะอยู่ที่ประมาณ 60% เท่านั้น!

5. ประสบการณ์การใช้งาน

(1) ปัญหาเรโซแนนซ์ความถี่ต่ำของมอเตอร์สเต็ปเปอร์

ไดรฟ์สเต็ปเปอร์แบบแบ่งย่อยเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการลดแรงสั่นสะเทือนความถี่ต่ำของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ ไดรฟ์แบบแบ่งย่อยมีประสิทธิภาพมากในการลดการสั่นสะเทือนของมอเตอร์ที่ความเร็วรอบต่ำกว่า 150 รอบต่อนาที ในทางทฤษฎี ยิ่งไดรฟ์มีขนาดใหญ่เท่าใด ก็ยิ่งมีประสิทธิภาพในการลดการสั่นสะเทือนของมอเตอร์สเต็ปเปอร์มากขึ้นเท่านั้น แต่ในสถานการณ์จริง ไดรฟ์แบบแบ่งย่อยจะเพิ่มเป็น 8 หรือ 16 หลังจากประสิทธิภาพในการลดการสั่นสะเทือนของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ถึงขีดสุด

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ไดรเวอร์สเต็ปเปอร์แบบป้องกันเรโซแนนซ์ความถี่ต่ำ (Anti-fresonance) ได้ถูกจำหน่ายทั้งในและต่างประเทศ ผลิตภัณฑ์ซีรีส์ DM และ DM-S ของ Leisai ใช้เทคโนโลยีป้องกันเรโซแนนซ์ความถี่ต่ำ ไดรเวอร์ซีรีส์นี้ใช้การชดเชยฮาร์มอนิก ผ่านการชดเชยแอมพลิจูดและการจับคู่เฟส ช่วยลดการสั่นสะเทือนความถี่ต่ำของสเต็ปเปอร์มอเตอร์ได้อย่างมาก ทำให้มอเตอร์ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ การสั่นสะเทือนและเสียงรบกวนต่ำ

(2) ผลกระทบของการแบ่งย่อยมอเตอร์สเต็ปเปอร์ต่อความแม่นยำในการวางตำแหน่ง

วงจรขับมอเตอร์สเต็ปเปอร์แบบแบ่งย่อยไม่เพียงแต่ช่วยปรับปรุงความราบรื่นในการเคลื่อนที่ของอุปกรณ์เท่านั้น แต่ยังช่วยปรับปรุงความแม่นยำในการวางตำแหน่งของอุปกรณ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ การทดสอบแสดงให้เห็นว่า: ในแพลตฟอร์มการเคลื่อนที่แบบสายพานซิงโครนัส มอเตอร์สเต็ปเปอร์แบบแบ่งย่อย 4 สามารถวางตำแหน่งมอเตอร์ได้อย่างแม่นยำในแต่ละขั้นตอน