كمشغل،محرك متدرجيُعدّ أحد المنتجات الرئيسية في مجال الميكاترونيك، ويُستخدم على نطاق واسع في مختلف أنظمة التحكم الآلي. ومع تطور الإلكترونيات الدقيقة وتكنولوجيا الحاسوب، يتزايد الطلب على محركات السائر يومًا بعد يوم، وتُستخدم في مختلف المجالات الاقتصادية الوطنية.
01 ما هومحرك متدرج
المحرك الخطوي هو جهاز كهروميكانيكي يُحوّل النبضات الكهربائية مباشرةً إلى حركة ميكانيكية. من خلال التحكم في تسلسل وتردد وعدد النبضات الكهربائية المُطبّقة على ملف المحرك، يُمكن التحكم في توجيه المحرك الخطوي وسرعته وزاوية دورانه. دون الحاجة إلى نظام تحكم تغذية راجعة مغلق الحلقة مع استشعار الموضع، يُمكن تحقيق تحكم دقيق في الموضع والسرعة باستخدام نظام تحكم مفتوح الحلقة بسيط ومنخفض التكلفة، مُكوّن من محرك خطوي ومحركه المُرافق.
02 محرك متدرجالبنية الأساسية ومبدأ العمل
الهيكل الأساسي:
مبدأ العمل: يعمل محرك السائر وفقًا لنبضة التحكم الخارجية وإشارة الاتجاه، من خلال دائرة المنطق الداخلية، للتحكم في لفائف محرك السائر في تسلسل توقيت معين يتم تنشيطه للأمام أو للخلف، بحيث يدور المحرك للأمام / للخلف، أو القفل.
لنأخذ محركًا خطويًا ثنائي الطور بزاوية 1.8 درجة كمثال: عند تنشيط كلا الملفين وإثارة كليهما، يكون عمود خرج المحرك ثابتًا ومثبتًا في موضعه. أقصى عزم دوران يُبقي المحرك ثابتًا عند التيار المُصنّف هو عزم التثبيت. إذا تم تغيير اتجاه التيار في إحدى الملفين، يدور المحرك خطوة واحدة (1.8 درجة) في اتجاه مُحدد.
وبالمثل، إذا تغير اتجاه التيار في الملف الآخر، يدور المحرك خطوة واحدة (1.8 درجة) في الاتجاه المعاكس للأول. عند إعادة توجيه التيارات عبر ملفات الملف بشكل متتابع إلى الإثارة، يدور المحرك بخطوة مستمرة في الاتجاه المحدد بدقة عالية جدًا. بالنسبة لمحرك متدرج ثنائي الطور بزاوية 1.8 درجة، يستغرق دورانه أسبوعيًا 200 خطوة.
تحتوي محركات السائر ثنائية الطور على نوعين من اللفات: ثنائي القطب وأحادي القطب. تحتوي محركات ثنائي القطب على ملف لف واحد فقط لكل طور، ويدور التيار في الملف نفسه باستمرار، مما يُؤدي إلى إثارة متغيرة بشكل متتالي. يتطلب تصميم دائرة التشغيل ثمانية مفاتيح إلكترونية للتبديل المتتالي.
تحتوي المحركات أحادية القطب على ملفين متعرجين بقطبية متعاكسة في كل مرحلة، والمحرك
يدور بشكل مستمر عن طريق تنشيط ملفين متعرجين بالتناوب في نفس الطور.
تم تصميم دائرة القيادة بحيث تتطلب أربعة مفاتيح إلكترونية فقط. في ثنائي القطب
في وضع القيادة، يتم زيادة عزم دوران خرج المحرك بنحو 40% مقارنةً بوضع القيادة العادي.
وضع القيادة أحادي القطب لأن ملفات لف كل مرحلة تكون مثارة بنسبة 100%.
03، حمل محرك السائر
أ. حمل العزم (Tf)
Tf = G * r
ج: وزن الحمل
r: نصف القطر
ب. حمل القصور الذاتي (TJ)
TJ = J * dw/dt
ج = م * (ر12+ر22) / 2 (كجم * سم)
م: كتلة الحمل
R1: نصف قطر الحلقة الخارجية
R2: نصف قطر الحلقة الداخلية
dω/dt: التسارع الزاوي
04، منحنى سرعة عزم الدوران للمحرك المتدرج
منحنى السرعة وعزم الدوران هو تعبير مهم عن خصائص خرج المحرك المتدرج
المحركات.
أ. نقطة تردد تشغيل المحرك المتدرج
قيمة سرعة محرك السائر عند نقطة معينة.
ن = س * هرتز / (360 * د)
ن: دورة/ثانية
هرتز: قيمة التردد
د: قيمة استيفاء دائرة القيادة
س: زاوية خطوة المحرك المتدرج
على سبيل المثال، محرك متدرج بزاوية ميل 1.8 درجة، مع محرك استيفاء 1/2(أي 0.9 درجة لكل خطوة)، بسرعة 1.25 دورة في الثانية عند تردد تشغيل 500 هرتز.
ب. منطقة بدء التشغيل الذاتي للمحرك المتدرج
المنطقة التي يمكن فيها تشغيل المحرك المتدرج وإيقافه مباشرة.
ج. منطقة التشغيل المستمر
في هذه المنطقة، لا يمكن تشغيل أو إيقاف المحرك المتدرج مباشرةً. المحركات المتدرجة فييجب أن تمر هذه المنطقة أولاً عبر منطقة البدء الذاتي ثم يتم تسريعها للوصول إلىمنطقة التشغيل. وبالمثل، لا يمكن كبح المحرك المتدرج في هذه المنطقة بشكل مباشر،وإلا فإنه من السهل أن يتسبب في خروج المحرك المتدرج عن الخطوة، فيجب أولاً إبطائه إلىمنطقة البدء الذاتي ثم الكبح.
د. أقصى تردد لبدء تشغيل المحرك المتدرج
حالة عدم تحميل المحرك، لضمان عدم فقدان محرك السائر لعملية الخطوةأقصى تردد للنبضة.
هـ. أقصى تردد تشغيل للمحرك المتدرج
أقصى تردد نبضي يتم عنده تحفيز المحرك للعمل دون فقدان خطوةبدون أي تحميل.
F. عزم بدء تشغيل المحرك المتدرج / عزم السحب
لتلبية محرك السائر في تردد نبضي معين للبدء والبدء في التشغيل، دونفقدان خطوات عزم الحمل الأقصى.
ز. عزم تشغيل المحرك المتدرج/عزم السحب
أقصى عزم للحمل الذي يرضي التشغيل المستقر للمحرك المتدرج عندتردد نبضي معين دون فقدان الخطوة.
05 التحكم في حركة تسريع/تباطؤ المحرك المتدرج
عندما تصل نقطة تردد تشغيل المحرك المتدرج إلى منحنى السرعة-عزم الدوران المستمرمنطقة التشغيل، كيفية تقصير بدء تشغيل المحرك أو إيقافه أو التسارع أو التباطؤالوقت، بحيث يعمل المحرك لفترة أطول في أفضل حالة سرعة، وبالتالي زيادةيعتبر وقت التشغيل الفعال للمحرك أمرًا بالغ الأهمية.
كما هو موضح في الشكل أدناه، فإن منحنى عزم الدوران الديناميكي للمحرك المتدرج هوخط مستقيم أفقي عند سرعة منخفضة؛ وعند السرعة العالية، يتناقص المنحنى بشكل كبيربسبب تأثير المحاثة.
نحن نعلم أن حمل المحرك المتدرج 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 الأسّي في حالة السرعة العالية
(1) عادة
TJ0 = 70%Tm0
TJ1 = 70%Tm1
TL = 60%Tm1
(2)
tr = F4 * في [(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 محرك الأقراص بأكمله.
في عملية التباطؤ، فقط قم بعكس تردد نبضة التسارع المذكور أعلاه
محسوب.
06 اهتزاز وضوضاء المحرك المتدرج
بشكل عام، يعمل المحرك المتدرج بدون تحميل، عندما يكون تردد تشغيل المحركيكون قريبًا من أو يساوي التردد الطبيعي لدوار المحرك، وسوف يتردد صداه بشكل خطيرتحدث ظاهرة خارج الخطوة.
عدة حلول للرنين:
أ. تجنب منطقة الاهتزاز: بحيث لا يقع تردد تشغيل المحرك ضمننطاق الاهتزاز
ب. اعتماد وضع محرك التقسيم الفرعي: استخدم وضع محرك الخطوة الدقيقة لتقليل الاهتزاز عن طريق
تقسيم الخطوة الأصلية إلى خطوات متعددة لزيادة دقة كل خطوة
خطوة المحرك. يمكن تحقيق ذلك عن طريق ضبط نسبة الطور إلى التيار في المحرك.
لا يؤدي الميكروستيبينغ إلى زيادة دقة زاوية الخطوة، ولكنه يجعل المحرك يعمل بشكل أكبر
بسلاسة وضوضاء أقل. يكون عزم الدوران أقل بنسبة 15% عند التشغيل بنصف خطوة.
من التشغيل الكامل، وأقل بنسبة 30% للتحكم في تيار الموجة الجيبية.
وقت النشر: 9 نوفمبر 2022