2 Teoretisk fördjupning
2.1 Konstruktion och funktion
2 Teoretisk fördjupning
I stegmotorn är ett varv uppdelat i ett antal, N , diskreta steg som man genom att styra strömmen i motorn stegar sig igenom, således medför varje steg en rotation s 360o N grader. Några fördelar med stegmotorer är att de
- kan styras utan återkoppling
- kan leverera fullt moment vid stillastående - startar och stannar snabbt
Några nackdelar är att det kan uppstå resonans i motorn samt att de är svåra att styra vid höga hastigheter.
Vanligen hittar man stegmotorer i applikationer där det dras nytta av motorns goda positioneringsegenskaper så som i CNC-maskiner, pick-and-place-maskiner, 3D-skrivare inom industrin där dess rotation ofta omvandlas till en transversel rörelse via en kulskruv, kuggstång eller dylikt. I hemmen återfinns stegmotorer i bland annat skrivare och scanners men kan användas för att rikta kameror för övervakning, strålkastare, solfångare, laser och så vidare.
2.1 Konstruktion och funktion
Det finns ett par varianter av stegmotorer, dels delas de in i bi- och unipolära motorer. Utöver denna indelning skiljer man även på om rotorn är permanentmagnetiserad (PM), har variabel reluktans (VR) eller är en så kallad hybrid. Hybridmotorn nyttjar både PM och VR för att maximera motorns kraft per volymsenhet. Oavsett så uppstår rörelsen i motorn av att ström förs genom spolar vilket får rotorn att rotera då den ställer in sig efter spolarnas magnetfält.
Stegmotorn kan enklast beskrivas som visas i Figur 1 som schematiskt illustrerar en bipolär permanentmagnetiserad stegmotor med två lindningar där strömmen styrs efter hur man vill köra motorn. Då lindning A matas med en ström IA uppstår ett magnetfält som då rotorn ställer in sig efter. Motorn kallas bipolär då det krävs att varje lindning måste kunna matas med ström i bägge riktningar och således vända polaritet hos lindningen för att motorn skall kunna rotera ett helt varv.
MF106X – Examensarbete inom maskinteknik, grundnivå Staffan Molinder, M-09
3
Figur 1: Permanentmagnetiserad bipolär stegmotor .1
Lindningarna i en unipolär motor har tre stycken anslutningar, se Figur 2, där den mellersta anslutningen delar lindningen på mitten. Således kan det ses som att motorn nu har fyra separata spolar där två stycken (A och ̅ respektive B och ̅) delar spänningskälla. Fördelen är att varje spole enbart kommer att matas i en riktning. Detta medför dock att motorlindningarna inte utnyttjas maximalt då alltid minst två lindningar i varje given tidpunkt vid inte kommer att matas med märkström. Därmed kommer motorn att leverera ett lägre moment i unipolärt läge jämfört med om den hade kopplats som en bipolär motor.
Figur 2: Schematisk bild av unipolär motor .2
1 Editerad bild ursprungligen från: http://www.ict.kth.se/courses/IL1390/kretsar/eristepper/motorbas.pdf
2 Bildkälla: http://www.ict.kth.se/courses/IL1390/kretsar/eristepper/motorbas.pdf
MF106X – Examensarbete inom maskinteknik, grundnivå Staffan Molinder, M-09
4 2.2 Stegning
Stegmotorer kan köras på flera olika sätt beroende på hur man låter motorn att stega. Men för att kunna beskriva dessa körlägen, låt först fasA stå för att ström flyter genom lindning A i den riktning som anges i Figur 1 och fas A stå för att strömmen istället flyter i motsatt riktning och på samma sättBoch B gällande strömmen i lindning B. För en unipolär motor så motsvarar Aatt ström flyter genom lindning A och A att ström flyter genom lindning ̅.
Det finns två sätt att låta motor gå med så kallade helsteg, antingen genom att bara använda en spole åt gången eller att använda bägge samtidigt. Vid det förstnämnda sättet, även benämnt som vågdrift, styrs faserna enligt A B A B. Detta medför dock en tämligen låg utnyttjandegrad av motorn: en bipolär motor kommer enbart att använda 50% av sina lindningar och en unipolär endast 25%.
Vid helsteg med bägge lindningarna samtidigt, vilket normalt menas med helstegsdrift, styrs motorn enligtABABABAB vilket illustreras i Graf 1. Den bipolära använder nu alltid alla lindningar och den unipolära hälften. Vid drift med helsteg roterar rotorn med s per steg.
Graf 1: Diagram över hur faserna aktiveras vid drift med helsteg (till vänster) respektive halvsteg (till vänster) , Hög motsvarar matning med märk spänning.
Vidare kan motorn även köras i halvstegsdrift, då styrs strömmen enligt AB B AB A AB B ABA(se Graf 1). Detta ökar upplösningen hos motorn som nu roterar s 2 grader per steg.
För att öka upplösningen ytterligare kan spänningsmatningen till lindningarna varieras och därmed få motorn att ta kvartssteg, åttondelssteg och så vidare, detta är även kallat
MF106X – Examensarbete inom maskinteknik, grundnivå Staffan Molinder, M-09
5
mikrostegning. Två sätt för att styra strömmen genom lindningarna är som visas i Graf 2 där steget från ABhar delats upp i antal delsteg och antingen följa den cirkulära eller kvadratiskta vägen. I den cirkulära banan hålls effekten i motorn, P, konstant då
2 2 2 2
där Rlär en lindnings resistans och Imärkär motorns märkström. Dock ger denna styrning inte lika stort moment som den kvadratiska vägen som i varje läge förbrukar lika stor eller större effekt.
Graf 2: Visar på sätt styra strömmen i motorn vid drift med kvartssteg .
2.3 Moment
För att kunna styra motorn utan återkoppling krävs att man för applikationen vet vilka moment som motorn kommer att belastas med. Graf 3 visar hur en stegmotors pull-in- och pull-out-moment varierar med ökande steghastighet (här: halvsteg/s). Området under kurvan för pull-out-momentet kallas för Start-Stop-området och med last och hastighet i detta område kan motorn starta (från stillastående till önskad hastighet) och stanna i det närmaste momentant utan att den hoppar över steg.
Pull-out-kurvan markerar vilket största moment som motorn klarar av att leverera med avseende på hastighet utan att motorn hamnar ur fas. För att kunna nå dessa hastigheter utan att hoppa över steg krävs dock att motorn accelereras från Start-Stop-området och för att stanna krävs att motorn retarderas. Vill man använda en stegmotor med precision utan
MF106X – Examensarbete inom maskinteknik, grundnivå Staffan Molinder, M-09
6
återkoppling är det således vitalt att veta om var i moment-hastighetsdiagrammet som motorn kommer att befinna sig vid drift.
Noterbart är även den branta lutning som bägge momentkurvorna har vid ca 2250 respektive 6000 halvsteg/s. Detta beror på den tidskonstant, LR-konstanten, som styr hur snabbt lindingarna kan släppa igenom strömmen som ska flyta igenom. Vid högre hastigheter kommer strömmen i lindningarna att vara betydligt lägre än märkströmmen och därmed sjunker momentet drastiskt.
En annan egenskap som står med i databladet för en stegmotor är dess hållmoment, vilket helt sonika är det moment som motorn kan leverera vid stillastående med fasernaAB AB AB eller , ,
AB .
Graf 3: Moment som funktion av hastighet (halvsteg/s) för en stegmotor DSH40ES61, uni polärt kopplad, matad med 24V och 0,76A/fas, halvstegsdrift. Hämtad från datablad för TECOs DSH40-serie.
2.4 Resonans
En nackdel och en klar risk vid användning av stegmotorer är att kan resonans uppstå vid vissa steghastigheter. Detta beror på motorns, och givetvis lastens, egenfrekvens och påverkar drastiskt vilket moment motorn kan leverera. Exempel på detta kan ses i dalarna för
MF106X – Examensarbete inom maskinteknik, grundnivå Staffan Molinder, M-09
7
momentkurvorna i Graf 3. Ett sätt att mildra inverkan av detta är att låta motorn stega med mikrosteg
2.5 Drivsteg
För att köra stegmotorn behövs ett drivsteg som styr strömmen i motorn (faserna). I och med att motorerna ofta matas med högre spänning än vad vanliga logikkretsar är anpassade för styr logiken istället transistorer som reglerar strömmen i motorn. För att kunna öka hastigheten och vidhålla ett högt moment kan en del drivsteg mata motorn med en högre spänning än dennes märkspänning och själv se till att strömmen stryps vid motorns märkström. Därmed ändras polariteten hos lindningarna snabbare än vad LR-konstanten hade tillåtit.
Drivsteget styrs i sin tur av en indexerare (MCU) som håller reda på vilken position motorn befinner sig på och avgör i vilken riktning och hastighet motorn skall stega samt vilken typ av steg som ska användas. Riktning och stegtyp styrs genom att skicka logiska ettor och nollor till drivsteget medan hastigheten beror på vilken frekvens indexeraren signalerar drivsteget att stega.
MF106X – Examensarbete inom maskinteknik, grundnivå Staffan Molinder, M-09
8