كمحرك،محرك متدرجيُعدّ المحرك الخطوي أحد المنتجات الرئيسية في مجال الميكاترونيك، ويُستخدم على نطاق واسع في أنظمة التحكم الآلي المختلفة. ومع تطور الإلكترونيات الدقيقة وتكنولوجيا الحاسوب، يتزايد الطلب على المحركات الخطوية يومًا بعد يوم، وتُستخدم في مختلف المجالات الاقتصادية الوطنية.
01 ما هومحرك متدرج
المحرك الخطوي هو جهاز كهروميكانيكي يحول النبضات الكهربائية مباشرةً إلى حركة ميكانيكية. ومن خلال التحكم في تسلسل النبضات الكهربائية وترددها وعددها المطبقة على ملف المحرك، يمكن التحكم في توجيه المحرك الخطوي وسرعته وزاوية دورانه. وبدون استخدام نظام تحكم ذي حلقة مغلقة مع استشعار الموضع، يمكن تحقيق تحكم دقيق في الموضع والسرعة باستخدام نظام تحكم بسيط ومنخفض التكلفة ذي حلقة مفتوحة، يتكون من محرك خطوي ووحدة تشغيله.
02 محرك متدرجالهيكل الأساسي ومبدأ العمل
الهيكل الأساسي:
مبدأ العمل: يقوم مشغل المحرك المتدرج، وفقًا لنبضة التحكم الخارجية وإشارة الاتجاه، من خلال دائرة المنطق الداخلية الخاصة به، بالتحكم في ملفات المحرك المتدرج في تسلسل زمني معين لتنشيطها للأمام أو للخلف، بحيث يدور المحرك للأمام / للخلف، أو يتوقف.
لنأخذ محركًا خطويًا ثنائي الطور بزاوية دوران 1.8 درجة كمثال: عند تزويد كلا الملفين بالطاقة، يكون عمود خرج المحرك ثابتًا ومثبتًا في مكانه. يُعرف عزم الدوران الأقصى اللازم لتثبيت المحرك عند التيار المقنن بعزم التثبيت. إذا تم تغيير اتجاه التيار في أحد الملفين، فسيدور المحرك خطوة واحدة (1.8 درجة) في اتجاه معين.
وبالمثل، إذا تغير اتجاه التيار في الملف الآخر، فسيدور المحرك خطوة واحدة (1.8 درجة) في الاتجاه المعاكس. وعندما تُعاد توجيه التيارات عبر ملفات المحرك بالتتابع إلى مصدر الإثارة، سيدور المحرك بخطوات متواصلة في الاتجاه المحدد بدقة عالية جدًا. يستغرق دوران محرك الخطوة ثنائي الطور 1.8 درجة أسبوعيًا 200 خطوة.
تحتوي محركات الخطوة ثنائية الطور على نوعين من الملفات: ثنائية القطب وأحادية القطب. تحتوي المحركات ثنائية القطب على ملف واحد فقط لكل طور، ويؤدي دوران المحرك المستمر للتيار في نفس الملف إلى تغيير الإثارة بشكل متسلسل، ويتطلب تصميم دائرة القيادة ثمانية مفاتيح إلكترونية للتبديل المتسلسل.
تحتوي المحركات أحادية القطب على ملفين دوارين بقطبية متعاكسة على كل طور، والمحرك
يدور باستمرار عن طريق تنشيط ملفي اللف بالتناوب على نفس الطور.
صُممت دائرة القيادة بحيث لا تتطلب سوى أربعة مفاتيح إلكترونية. في ثنائي القطب
في وضع القيادة، يزداد عزم دوران المحرك بنسبة 40% تقريبًا مقارنةً بـ
وضع القيادة أحادي القطب لأن ملفات اللف لكل طور يتم تحفيزها بنسبة 100٪.
03، حمل محرك الخطوة
أ. حمل العزم (Tf)
Tf = G * r
G: وزن الحمولة
r: نصف القطر
ب. حمل القصور الذاتي (TJ)
TJ = J * dw/dt
J = M * (R12+R22) / 2 (كجم * سم)
كتلة التحميل: M
R1: نصف قطر الحلقة الخارجية
R2: نصف قطر الحلقة الداخلية
dω/dt: التسارع الزاوي
04، منحنى سرعة-عزم دوران المحرك المتدرج
يُعد منحنى السرعة-العزم تعبيرًا مهمًا عن خصائص خرج المحرك الخطوي
المحركات.
أ. نقطة تردد تشغيل المحرك المتدرج
قيمة سرعة محرك الخطوة عند نقطة معينة.
n = q * Hz / (360 * D)
ن: دورة/ثانية
هرتز: قيمة التردد
د: قيمة استيفاء دائرة القيادة
س: زاوية خطوة المحرك المتدرج
على سبيل المثال، محرك خطوي بزاوية ميل 1.8 درجة، مع محرك استيفاء 1/2(أي 0.9 درجة لكل خطوة)، تبلغ سرعته 1.25 دورة في الثانية عند تردد تشغيل 500 هرتز.
ب. منطقة بدء تشغيل المحرك المتدرج ذاتيًا
المنطقة التي يمكن فيها تشغيل وإيقاف محرك الخطوة مباشرة.
ج. منطقة التشغيل المستمر
في هذه المنطقة، لا يمكن تشغيل أو إيقاف محرك الخطوة بشكل مباشر. محركات الخطوة فييجب أن تمر هذه المنطقة أولاً بمنطقة بدء التشغيل الذاتي، ثم يتم تسريعها للوصول إلىمنطقة التشغيل. وبالمثل، لا يمكن كبح محرك الخطوة في هذه المنطقة بشكل مباشر.وإلا فمن السهل أن يتسبب ذلك في خروج محرك الخطوة عن التزامن، ويجب أولاً إبطاؤه إلىمنطقة بدء التشغيل الذاتي ثم ضغط على الفرامل.
د. أقصى تردد لبدء تشغيل المحرك المتدرج
حالة عدم تحميل المحرك، لضمان عدم فقدان محرك الخطوة لعملية الخطوة.أقصى تردد للنبضات.
هـ. أقصى تردد تشغيل للمحرك المتدرج
أقصى تردد نبضي يتم عنده تحفيز المحرك للعمل دون فقدان خطوةبدون حمل.
عزم بدء تشغيل المحرك المتدرج / عزم بدء التشغيل
لضبط تردد نبضات المحرك المتدرج لبدء التشغيل، بدونفقدان خطوات من عزم الحمل الأقصى.
عزم دوران تشغيل المحرك المتدرج / عزم دوران السحب
أقصى عزم دوران للحمل الذي يضمن التشغيل المستقر للمحرك الخطوي عندتردد نبضي محدد دون فقدان الخطوة.
05 التحكم في حركة التسارع/التباطؤ بواسطة محرك الخطوة
عندما تكون نقطة تردد تشغيل المحرك المتدرج في منحنى السرعة والعزم مستمرةنطاق التشغيل، وكيفية تقصير بدء تشغيل المحرك أو إيقافه، والتسارع أو التباطؤالوقت، بحيث يعمل المحرك لفترة أطول في أفضل حالة سرعة، مما يزيد منيُعد وقت التشغيل الفعال للمحرك أمرًا بالغ الأهمية.
كما هو موضح في الشكل أدناه، فإن منحنى خصائص عزم الدوران الديناميكي للمحرك الخطوي هوخط مستقيم أفقي عند السرعات المنخفضة؛ عند السرعات العالية، يتناقص المنحنى بشكل أُسّي.بسبب تأثير الحث.
نعلم أن حمل المحرك الخطوي هو TL، لنفترض أننا نريد التسارع من F0 إلى F1 فيأقصر وقت (tr)، كيف يتم حساب أقصر وقت tr؟
(1) عادةً، TJ = 70% Tm
(2) tr = 1.8 * 10 -5 * J * q * (F1-F0)/(TJ -TL)
(3) F (t) = (F1-F0) * t/tr + F0, 0
ب. التسارع الأسي في ظروف السرعة العالية
(1) عادةً
TJ0 = 70%Tm0
TJ1 = 70%Tm1
TL = 60%Tm1
(2)
tr = F4 * In [(TJ 0-TL)/(TJ 1-TL)]
(3)
F (t) = F2 * [1 - e^(-t/F4)] + F0, 0
F2 = (TL-TJ 0) * (F1-F0)/TJ 1-TJ 0)
F4 = 1.8 * 10-5 * J * q * F2/(TJ 0-TL)
ملحوظات.
يشير J إلى القصور الذاتي الدوراني لدوار المحرك تحت الحمل.
q هي زاوية دوران كل خطوة، وهي زاوية خطوة المحرك المتدرج في
حالة القرص بأكمله.
في عملية التباطؤ، يمكن عكس تردد نبضة التسارع المذكورة أعلاه.
محسوب.
06 اهتزاز وضوضاء محرك الخطوة
بشكل عام، في حالة عدم وجود حمل على محرك الخطوة، يكون تردد تشغيل المحركإذا كان التردد قريبًا من التردد الطبيعي لدوار المحرك أو مساويًا له، فسيحدث رنين، وهو أمر خطير.ظاهرة عدم التزامن.
حلول متعددة للرنين:
أ. تجنب منطقة الاهتزاز: بحيث لا يقع تردد تشغيل المحرك ضمننطاق الاهتزاز
ب. اعتماد وضع القيادة بالتقسيم الفرعي: استخدم وضع القيادة بالخطوات الصغيرة لتقليل الاهتزاز عن طريق
تقسيم الخطوة الأصلية الواحدة إلى خطوات متعددة لزيادة دقة كل منها
خطوة المحرك. يمكن تحقيق ذلك عن طريق ضبط نسبة الطور إلى التيار للمحرك.
لا يؤدي تقسيم الخطوات إلى زيادة دقة زاوية الخطوة، ولكنه يجعل المحرك يعمل بشكل أسرع
بسلاسة وبضوضاء أقل. يكون عزم الدوران أقل بنسبة 15% بشكل عام عند التشغيل بنصف درجة.
مقارنةً بالتشغيل الكامل، وأقل بنسبة 30% للتحكم في تيار الموجة الجيبية.
تاريخ النشر: 9 نوفمبر 2022