ในฐานะแอคทูเอเตอร์มอเตอร์สเต็ปเปอร์มอเตอร์สเต็ปเปอร์เป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์หลักของเมคาทรอนิกส์ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบควบคุมอัตโนมัติต่างๆ ด้วยการพัฒนาของไมโครอิเล็กทรอนิกส์และเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ ความต้องการมอเตอร์สเต็ปเปอร์จึงเพิ่มขึ้นทุกวัน และถูกนำไปใช้ในหลากหลายภาคเศรษฐกิจของประเทศ
01. อะไรคือมอเตอร์สเต็ปเปอร์
มอเตอร์สเต็ปเปอร์เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าเชิงกลที่แปลงพัลส์ไฟฟ้าเป็นการเคลื่อนที่เชิงกลโดยตรง โดยการควบคุมลำดับ ความถี่ และจำนวนของพัลส์ไฟฟ้าที่ส่งไปยังขดลวดมอเตอร์ สามารถควบคุมทิศทาง ความเร็ว และมุมการหมุนของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ได้ โดยไม่ต้องใช้ระบบควบคุมป้อนกลับแบบวงปิดที่มีการตรวจจับตำแหน่ง การควบคุมตำแหน่งและความเร็วที่แม่นยำสามารถทำได้โดยใช้ระบบควบคุมแบบวงเปิดที่เรียบง่ายและต้นทุนต่ำ ซึ่งประกอบด้วยมอเตอร์สเต็ปเปอร์และตัวขับมอเตอร์
02 มอเตอร์สเต็ปเปอร์โครงสร้างพื้นฐานและหลักการทำงาน
โครงสร้างพื้นฐาน:
หลักการทำงาน: ตัวขับมอเตอร์สเต็ปเปอร์จะควบคุมขดลวดมอเตอร์สเต็ปเปอร์ตามลำดับเวลาที่กำหนด โดยอาศัยพัลส์ควบคุมและสัญญาณทิศทางจากภายนอก เพื่อให้มอเตอร์หมุนไปข้างหน้า/ถอยหลัง หรือล็อคตำแหน่ง
ยกตัวอย่างเช่น มอเตอร์สเต็ปเปอร์สองเฟส 1.8 องศา: เมื่อขดลวดทั้งสองได้รับพลังงานและถูกกระตุ้น เพลาส่งกำลังของมอเตอร์จะหยุดนิ่งและถูกล็อกอยู่ในตำแหน่งนั้น แรงบิดสูงสุดที่จะทำให้มอเตอร์ล็อกอยู่ที่กระแสพิกัดคือแรงบิดยึด หากกระแสในขดลวดใดขดลวดหนึ่งถูกเปลี่ยนทิศทาง มอเตอร์จะหมุนไปหนึ่งขั้น (1.8 องศา) ในทิศทางที่กำหนด
ในทำนองเดียวกัน หากกระแสในขดลวดอีกด้านเปลี่ยนทิศทาง มอเตอร์จะหมุนไปหนึ่งขั้น (1.8 องศา) ในทิศทางตรงกันข้ามกับทิศทางเดิม เมื่อกระแสที่ไหลผ่านขดลวดถูกเปลี่ยนทิศทางไปยังขดลวดกระตุ้นอย่างต่อเนื่อง มอเตอร์จะหมุนเป็นขั้นต่อเนื่องในทิศทางที่กำหนดด้วยความแม่นยำสูงมาก สำหรับการหมุน 1.8 องศาของมอเตอร์สเต็ปเปอร์สองเฟส การหมุนหนึ่งสัปดาห์จะใช้ 200 ขั้น
มอเตอร์สเต็ปเปอร์สองเฟสมีขดลวดสองประเภท ได้แก่ แบบไบโพลาร์และแบบยูนิโพลาร์ มอเตอร์แบบไบโพลาร์มีขดลวดเพียงหนึ่งขดต่อเฟส การหมุนอย่างต่อเนื่องของมอเตอร์เกิดจากการกระตุ้นด้วยกระแสไฟฟ้าในขดลวดเดียวกันแบบต่อเนื่อง การออกแบบวงจรขับเคลื่อนจึงต้องใช้สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์แปดตัวสำหรับการสลับแบบต่อเนื่อง
มอเตอร์แบบยูนิโพลาร์มีขดลวดสองขดที่มีขั้วตรงข้ามกันในแต่ละเฟส และมอเตอร์
หมุนอย่างต่อเนื่องโดยการจ่ายพลังงานสลับกันให้กับขดลวดสองขดในเฟสเดียวกัน
วงจรขับได้รับการออกแบบให้ใช้สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์เพียงสี่ตัวเท่านั้น ในแบบไบโพลาร์
ในโหมดการขับเคลื่อนนี้ แรงบิดเอาต์พุตของมอเตอร์จะเพิ่มขึ้นประมาณ 40% เมื่อเทียบกับโหมดปกติ
โหมดขับเคลื่อนแบบขั้วเดียว เนื่องจากขดลวดของแต่ละเฟสได้รับพลังงาน 100%
03. โหลดมอเตอร์สเต็ปเปอร์
ก. แรงโมเมนต์ (Tf)
Tf = G * r
G: น้ำหนักบรรทุก
r: รัศมี
B. แรงเฉื่อย (TJ)
TJ = J * dw/dt
J = M * (R12+R22) / 2 (กก. * ซม.)
M: มวลบรรทุก
R1: รัศมีของวงแหวนรอบนอก
R2: รัศมีของวงแหวนด้านใน
dω/dt: ความเร่งเชิงมุม
04. กราฟความเร็ว-แรงบิดของมอเตอร์สเต็ปเปอร์
กราฟความเร็ว-แรงบิดเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของลักษณะการทำงานของมอเตอร์สเต็ปเปอร์
มอเตอร์
A. จุดความถี่ในการทำงานของสเต็ปเปอร์มอเตอร์
ค่าความเร็วของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ ณ จุดใดจุดหนึ่ง
n = q * Hz / (360 * D)
n: รอบ/วินาที
เฮิร์ตซ์: ค่าความถี่
D: ค่าการแทรกสอดของวงจรขับ
ถาม: มุมการหมุนของสเต็ปเปอร์มอเตอร์
ตัวอย่างเช่น มอเตอร์สเต็ปเปอร์ที่มีมุมพิทช์ 1.8° พร้อมไดรฟ์การแทรกสอด 1/2(เช่น 0.9° ต่อขั้น) มีความเร็ว 1.25 รอบต่อวินาที ที่ความถี่ใช้งาน 500 เฮิรตซ์
B. บริเวณสตาร์ทอัตโนมัติของมอเตอร์สเต็ปเปอร์
บริเวณที่สามารถเริ่มและหยุดการทำงานของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ได้โดยตรง
ค. พื้นที่ปฏิบัติการต่อเนื่อง
ในบริเวณนี้ มอเตอร์สเต็ปเปอร์ไม่สามารถสตาร์ทหรือหยุดได้โดยตรง มอเตอร์สเต็ปเปอร์ในบริเวณนี้จะต้องผ่านบริเวณเริ่มต้นอัตโนมัติก่อน จากนั้นจึงเร่งความเร็วเพื่อไปให้ถึงพื้นที่ปฏิบัติการ ในทำนองเดียวกัน มอเตอร์สเต็ปเปอร์ในพื้นที่นี้ไม่สามารถเบรกได้โดยตรงมิเช่นนั้นอาจทำให้มอเตอร์สเต็ปเปอร์ทำงานผิดจังหวะได้ง่าย จึงต้องลดความเร็วลงก่อนบริเวณสตาร์ทอัตโนมัติแล้วจึงเบรก
D. ความถี่เริ่มต้นสูงสุดของมอเตอร์สเต็ปเปอร์
สถานะมอเตอร์ไม่มีโหลด เพื่อให้มั่นใจว่ามอเตอร์สเต็ปเปอร์จะไม่สูญเสียการทำงานทีละขั้นความถี่พัลส์สูงสุด
E. ความถี่การทำงานสูงสุดของมอเตอร์สเต็ปเปอร์
ความถี่พัลส์สูงสุดที่กระตุ้นให้มอเตอร์ทำงานโดยไม่สูญเสียขั้นบันไดในสภาวะไม่มีภาระ
F. แรงบิดเริ่มต้น/แรงบิดดึงเข้าของมอเตอร์สเต็ปเปอร์
เพื่อให้มอเตอร์สเต็ปเปอร์ได้รับสัญญาณพัลส์ที่มีความถี่ที่กำหนดเพื่อสตาร์ทและเริ่มทำงาน โดยไม่มีการสูญเสียขั้นตอนของแรงบิดโหลดสูงสุด
G. แรงบิดขณะทำงาน/แรงบิดขณะดึงของมอเตอร์สเต็ปเปอร์
แรงบิดโหลดสูงสุดที่ทำให้มอเตอร์สเต็ปเปอร์ทำงานได้อย่างเสถียรที่ aความถี่พัลส์ที่กำหนดโดยไม่สูญเสียจังหวะ
05 การควบคุมการเคลื่อนที่แบบเร่ง/ลดความเร็วของมอเตอร์สเต็ปเปอร์
เมื่อจุดความถี่ในการทำงานของสเต็ปเปอร์มอเตอร์อยู่ในกราฟความเร็ว-แรงบิดแบบต่อเนื่องขอบเขตการทำงาน วิธีการย่นระยะเวลาการสตาร์ทหรือหยุดมอเตอร์ การเร่งหรือลดความเร็วเวลา เพื่อให้มอเตอร์ทำงานในสภาวะความเร็วที่ดีที่สุดได้นานขึ้น ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพระยะเวลาการทำงานที่มีประสิทธิภาพของมอเตอร์นั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง
ดังแสดงในรูปด้านล่าง เส้นโค้งลักษณะแรงบิดไดนามิกของมอเตอร์สเต็ปเปอร์คือเส้นตรงแนวนอนที่ความเร็วต่ำ; ที่ความเร็วสูง เส้นโค้งจะลดลงแบบทวีคูณเนื่องจากอิทธิพลของค่าความเหนี่ยวนำ
เรารู้ว่าโหลดของสเต็ปเปอร์มอเตอร์คือ TL สมมติว่าเราต้องการเร่งความเร็วจาก F0 ไปเป็น F1เวลาที่สั้นที่สุด (tr) จะคำนวณเวลาที่สั้นที่สุด tr ได้อย่างไร?
(1) โดยปกติ TJ = 70% Tm
(2) tr = 1.8 * 10 -5 * J * q * (F1-F0)/(TJ -TL)
(3) F (t) = (F1-F0) * เสื้อ/tr + F0, 0
B. การเร่งความเร็วแบบเลขชี้กำลังในสภาวะความเร็วสูง
(1) โดยปกติ
TJ0 = 70%Tm0
TJ1 = 70%Tm1
TL = 60%Tm1
(2)
tr = F4 * In [(TJ 0-TL)/(TJ 1-TL)]
(3)
F (t) = F2 * [1 - อี^(-t/F4)] + F0, 0
F2 = (TL-TJ 0) * (F1-F0)/TJ 1-TJ 0)
F4 = 1.8 * 10-5 * เจ * คิว * F2/(TJ 0-TL)
หมายเหตุ
J แสดงถึงค่าความเฉื่อยในการหมุนของโรเตอร์มอเตอร์ขณะมีภาระ
q คือมุมการหมุนในแต่ละขั้น ซึ่งเป็นมุมการหมุนของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ในวงจร
กรณีของฮาร์ดไดรฟ์ทั้งหมด
ในการลดความเร็ว เพียงแค่กลับความถี่ของพัลส์เร่งความเร็วข้างต้นก็สามารถทำได้
คำนวณแล้ว
06 การสั่นและเสียงรบกวนของมอเตอร์สเต็ปเปอร์
โดยทั่วไปแล้ว มอเตอร์สเต็ปเปอร์ในสภาวะไม่มีโหลด เมื่อความถี่ในการทำงานของมอเตอร์คือ...หากความถี่ใกล้เคียงหรือเท่ากับความถี่โดยธรรมชาติของโรเตอร์มอเตอร์ จะทำให้เกิดการสั่นพ้อง ซึ่งจะส่งผลร้ายแรงเกิดปรากฏการณ์ที่ไม่สอดคล้องกัน
วิธีแก้ปัญหาเรื่องเรโซแนนซ์มีหลายวิธี:
ก. หลีกเลี่ยงช่วงการสั่นสะเทือน: เพื่อไม่ให้ความถี่ในการทำงานของมอเตอร์ลดลงต่ำกว่าช่วงดังกล่าวช่วงการสั่นสะเทือน
B. ปรับใช้โหมดขับเคลื่อนแบบแบ่งย่อย: ใช้โหมดขับเคลื่อนแบบไมโครสเต็ปเพื่อลดการสั่นสะเทือนโดย
โดยการแบ่งขั้นตอนเดิมออกเป็นหลายขั้นตอนย่อย เพื่อเพิ่มความละเอียดของแต่ละขั้นตอน
การปรับความเร็วรอบของมอเตอร์ สามารถทำได้โดยการปรับอัตราส่วนเฟสต่อกระแสของมอเตอร์
การไมโครสเต็ปปิ้งไม่ได้เพิ่มความแม่นยำของมุมการหมุน แต่ทำให้มอเตอร์ทำงานมากขึ้น
ทำงานได้อย่างราบรื่นและเงียบกว่า แรงบิดโดยทั่วไปจะต่ำกว่าประมาณ 15% สำหรับการทำงานแบบครึ่งขั้น
เมื่อเทียบกับการทำงานแบบเต็มขั้น และต่ำกว่า 30% สำหรับการควบคุมกระแสแบบคลื่นไซน์
วันที่โพสต์: 9 พฤศจิกายน 2022