स्टेपर मोटर की संरचना और नियंत्रण सिद्धांत

औद्योगिक क्षेत्र में बड़ी संख्या में स्टेपर मोटर अनुप्रयोग हैं, जैसे स्वचालन नियंत्रण, रोबोट जोड़, प्रिंटर नियंत्रण इत्यादि। सबसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले हाइब्रिड स्टेपर मोटर्स हैं। सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली हाइब्रिड स्टेपर मोटर में से एक है, जो दैनिक आधार पर हमारे संपर्क में आने वाली अधिकांश स्टेपर मोटरों का भी रूप है। वैचारिक रूप से, स्टेपर मोटर्स और परिवर्तनीय अनिच्छा मोटर्स में कुछ लिंक और अंतर हैं, यह पेपर शुरू में अनिच्छा मोटर / स्टेपर मोटर की संरचना और कार्य सिद्धांत के बारे में बात करेगा, और विभिन्न मोटर्स के बीच अंतर की तुलना करेगा।

1. परिवर्तनीय अनिच्छा मोटर

परिवर्तनीय अनिच्छा मोटर (परिवर्तनीय - अनिच्छा मशीन) को स्विचिंग अनिच्छा मोटर के रूप में भी जाना जाता है, शायद मोटर की सभी मोटर संरचना में सबसे सरल, उत्तल ध्रुव संरचना के साथ उत्तेजना वाइंडिंग और फेरोमैग्नेटिक रोटर से सुसज्जित स्टेटर द्वारा। रोटर में कोई कुंडल वाइंडिंग नहीं है और कोई स्थायी चुंबक नहीं है, और विद्युत चुम्बकीय बल (dΨ/dθ) उत्पन्न करने के लिए विभिन्न स्थितियों पर रोटर की अनिच्छा की भिन्नता पर निर्भर करता है।

हम जानते हैं कि चुंबकीय प्रवाह हमेशा सबसे कम अनिच्छा के साथ पथ को पार करता है। जैसा कि चित्र में दिखाया गया है, S1 S2 करंट को चालू और बंद करने को नियंत्रित करता है, और VD1 VD2 करंट निरंतरता डायोड है। एए' और आ' की स्थिति में अधिकतम अनिच्छा, सीसी की न्यूनतम अनिच्छा की स्थिति दिखाई गई है, यदि इस समय डी चरण सक्रिय है, तो रोटर वामावर्त घूम जाएगा; यदि इस समय बी चरण सक्रिय है, तो रोटर दक्षिणावर्त घूमेगा; यदि इस समय ए चरण सक्रिय है, तो रोटर अपरिवर्तित रहेगा। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि स्विच किए गए अनिच्छा मोटर्स वर्तमान दिशा के परिवर्तन के माध्यम से मोटर रोटेशन दिशा के परिवर्तन का एहसास नहीं कर सकते हैं, लेकिन मोटर के आगे और रिवर्स रोटेशन को महसूस करने के लिए ऊर्जावान अनुक्रम के परिवर्तन के माध्यम से।

2. परिवर्तनीय अनिच्छा मोटर से लेकर स्टेपर मोटर तक

परिवर्तनीय अनिच्छा मोटर्स अपनी विशेष नियंत्रण विधि (स्पंदित वैकल्पिक चालन) के कारण स्टेटर और रोटर ध्रुवों की संख्या या स्टेटर के सक्रिय चरणों की संख्या में वृद्धि करके गति के कोण को उप-विभाजित कर सकते हैं। विभिन्न कोणीय टॉर्क विशेषताओं के साथ ऐसी कई उप-विभाजित संरचनाएं हैं, इसलिए उन पर चर्चा नहीं की जाएगी। इस लेख में, हम विभिन्न आयामों से कई सामान्य परिवर्तनीय अनिच्छा मोटर तंत्रों का पता लगाएंगे, यह देखने के लिए कि स्टेपर मोटर्स असंख्य परिवर्तनशील अनिच्छा मोटर संरचनाओं से कैसे अलग हैं।

2.1 कैसल प्रकार परिवर्तनीय अनिच्छा मोटर

जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, उभरे हुए खंभों की संख्या बढ़ाने से गति के कोण को विभाजित किया जा सकता है, लेकिन अधिक उभरे हुए खंभे कुंडल की बहुत अधिक जगह ले लेंगे, मोटर वाइंडिंग की दक्षता कम हो जाती है, और उभरे हुए खंभों को अनिश्चित काल तक नहीं बढ़ाया जा सकता है। समान संख्या में ड्राइव चरणों के मामले में, उभरे हुए ध्रुव पर एक छोटा दांत उकेरकर, मशीन की दूरी के कोण से भी विभाजित किया जा सकता है। जैसा कि चित्र 2.1 में दिखाया गया है, 6-पोल स्टेटर, प्रति पोल 4 दांत, और 28-पोल रोटर के साथ एक तीन-चरण कैसल-प्रकार की अनिच्छा मोटर। कुंडल 1, कुंडल 2, और कुंडल 3 को क्रमिक रूप से सक्रिय करने से रोटर प्रत्येक चरण पर 2/3 की चरण दूरी के साथ घूम सकता है। मानों को मोटर डिज़ाइन के कॉगिंग अनुपात के अनुसार डिज़ाइन करने की आवश्यकता है और यहां उनकी चर्चा नहीं की गई है।

इस प्रकार की मोटर का उपयोग आम तौर पर कम गति, उच्च टोक़ और सटीक कोणीय रिज़ॉल्यूशन में किया जाता है, इस संरचना को पहले से ही "स्टेपर मोटर" कहा जा सकता है, क्योंकि इस मोटर के नियंत्रण के साथ-साथ स्थिति का पता लगाने से अलग किया जा सकता है, पल्स अनुक्रम ड्राइव के माध्यम से अपेक्षाकृत चिकनी नियंत्रण का एहसास हो सकता है।

चित्र 2.1 तीन -चरण कैसल- प्रकार की परिवर्तनशील अनिच्छा मोटर

2.2 मल्टी-स्टेज वैरिएबल अनिच्छा मोटर्स

बहु-फेज वाइंडिंग के साथ एकल रोटर से युक्त परिवर्तनीय अनिच्छा मोटर्स को "एकल-खंड परिवर्तनीय अनिच्छा मोटर्स" के रूप में भी जाना जाता है। एक अन्य प्रकार की परिवर्तनीय अनिच्छा मोटर एक रोटर और स्टेटर है जो कई खंडों में विभाजित है, जिसे स्टेटर चरणों की संख्या में वृद्धि किए बिना उप-विभाजित किया जा सकता है, और यह स्टेटर की घुमावदार संरचना के लिए अधिक अनुकूल है। एक चरण के साथ एक खंड स्थापित करना संभव है, जो मल्टीफ़ेज़ मोटर के इंटरवाइंडिंग अंत को वस्तुतः समाप्त कर देता है। n-सेगमेंट मोटर्स के लिए, प्रत्येक सेगमेंट का रोटर या स्टेटर उसके पोल पिच के कोण के 1/n से कंपित होता है, और पोल पिच को n बार से विभाजित किया जा सकता है।

2.3 हाइब्रिड स्टेपर मोटर्स

एक साधारण परिवर्तनीय अनिच्छा मोटर में, घूर्णन की दिशा पल्स धारा के समय और मोटर की अनिच्छा संरचना पर निर्भर करती है, और धारा की दिशा से प्रभावित नहीं होती है। करंट की अनुपस्थिति में, अनिच्छा बलाघूर्ण की कमी के कारण रोटर को एक विशिष्ट स्थिति में स्थिर नहीं किया जा सकता है, जिससे नियंत्रण की कठिनाई और बढ़ जाती है। स्थायी चुंबक या हाइब्रिड वैरिएबल अनिच्छा मोटर बनाने के लिए मूल स्विच्ड अनिच्छा मोटर संरचना में स्थायी चुम्बकों को जोड़ने से स्टेपर मोटर्स की टॉर्क और स्थितिगत सटीकता में काफी सुधार हो सकता है, जो आज सबसे आम स्टेपर मोटर संरचना है।

जैसा कि चित्र 2.2 में दिखाया गया है, हाइब्रिड स्टेपर मोटर संरचना बहु-सेगमेंट वैरिएबल अनिच्छा मोटर के समान है, जो रोटर स्थायी चुंबक के दो खंडों के बीच डाली जाती है, जिसे एस {{3} पोल के एन {2 }पोल डिस्टल अंत के समीपस्थ अंत में देखा जा सकता है। स्टेटर को एकल खंड मोटर संरचना के रूप में डिज़ाइन किया जा सकता है, और केवल दो चरण ड्राइव की आवश्यकता होती है, जिससे मोटर संरचना और लागत बहुत सरल हो जाती है। चित्र में दिखाए गए मोटर में रोटर पोल जोड़े की संख्या 3 है, इसलिए एक विद्युत चक्र के अनुरूप यांत्रिक कोण 360/(2*3)=60. है

समझने में आसानी के लिए, θ यांत्रिक कोण और विशिष्ट ड्राइविंग अनुक्रम है:
θ=0~10, चरण 1 और चरण 2 एक ही समय में समान आयाम की धनात्मक धारा प्रवाहित करते हैं
θ=10~20, चरण 2 अकेले सकारात्मक धारा प्रवाहित करता है
θ=20~30, चरण 1 अकेले नकारात्मक धारा प्रवाहित करता है
θ=30~40, चरण 1 और चरण 2 एक ही समय में समान आयाम की नकारात्मक धारा प्रवाहित करते हैं
θ=40~50, चरण 2 अकेले नकारात्मक धारा प्रवाहित करता है
θ=50~60, चरण 1 अकेले सकारात्मक धारा प्रवाहित करता है
चक्रीय चालन... ...

चित्र 2.2 हाइब्रिड स्टेपर मोटर संरचना

3. स्टेपर मोटर नियंत्रण

जैसा कि चित्र 3.1 में दिखाया गया है, स्टेपर मोटर ड्राइव सर्किट संरचना को आम तौर पर द्विध्रुवीय मोटर और एकध्रुवीय मोटर में विभाजित किया जा सकता है: फ्लक्स की दिशा में परिवर्तन प्राप्त करने के लिए घुमावदार के वैकल्पिक संचालन के माध्यम से एकध्रुवीय मोटर, फ्लक्स की दिशा में परिवर्तन प्राप्त करने के लिए वर्तमान की दिशा में परिवर्तन प्राप्त करने के लिए एच - पुल के नियंत्रण के माध्यम से द्विध्रुवीय मोटर।

एकध्रुवीय मोटर को केवल 4 पावर एमओएस की आवश्यकता होती है, वर्तमान का एकध्रुवीय नियंत्रण (एमओएस ट्यूब के परिप्रेक्ष्य से), लेकिन मोटर वाइंडिंग को एक और टैप की आवश्यकता होती है; द्विध्रुवी मोटर संरचना में सरल है, दो वाइंडिंग का अत्यधिक उपयोग किया जाता है, लेकिन इसे चलाने के लिए इसे 8 पावर एमओएस तक बढ़ाने की आवश्यकता है, और नियंत्रक की लागत बढ़ जाएगी।

चित्र 3.1 एकध्रुवीय और द्विध्रुवीय स्टेपर मोटर ड्राइव

मोटर संरचना में उपविभाजन के अलावा, स्टेपर मोटर्स धारा के तरंगरूप को नियंत्रित करके स्टेपर मोटर की उपविभाजन सटीकता को भी नियंत्रित कर सकते हैं। उपविभाजन का सिद्धांत चरण कोणों को उपविभाजित करने के लिए सबसे छोटे चरण कोणों के बीच सिम्युलेटेड साइनसॉइडल धारा को सम्मिलित करना है, जिसे वर्तमान उपविभाजन भी कहा जाता है।

चित्र 3.2 स्टेपर मोटर ड्राइव करंट का टूटना

3.1 बंद लूप धारा

स्टेपर मोटर की वर्तमान सेटिंग को लोड की मांग के अनुसार निर्धारित करने की आवश्यकता होती है, लोड जितना बड़ा होगा, ड्राइविंग करंट उतना ही बड़ा होना चाहिए, लेकिन स्टेपर मोटर का ओपन{0}}लूप नियंत्रण लोड के आकार को समझ नहीं सकता है, जिसके परिणामस्वरूप अक्सर ओपन{1}}लूप ड्राइव की अक्षमता होती है। वर्तमान उपखंड के लिए वर्तमान के सटीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है, नियंत्रित वर्तमान का एक बंद लूप बनाने की आवश्यकता होती है, अर्थात, निरंतर वर्तमान विशेषताओं के लिए वर्तमान आउटपुट; दूसरी ओर, स्टेपर मोटर में मैग्नेटोरेसिस्टेंस के गैर-रेखीय परिवर्तन के कारण, नियंत्रण के नुकसान के कारण कोर को वर्तमान को संतृप्त करने से रोकने के लिए आउटपुट करंट के आकार की हमेशा निगरानी करने की आवश्यकता होती है। स्टेपर मोटर ड्राइवर चिप TB67S109AFNG वर्तमान नियंत्रण तरंग योजनाबद्ध के लिए नीचे चित्र 3.3। आंतरिक स्विचिंग चक्र के लिए एफचॉप, आंतरिक घड़ी (आंतरिक ओएससी) आवृत्ति प्रभाग के माध्यम से।

विशिष्ट निरंतर वर्तमान नियंत्रण चरण इस प्रकार हैं:
H-पुल संचालित होता है, धारा तेजी से NF तक बढ़ती है, और धारा वृद्धि का ढलान VDC/Ls है
सेट वर्तमान बिंदु एनएफ तक पहुंचें, एच - पुल को बंद करें, वर्तमान को नवीनीकरण डायोड द्वारा नवीनीकृत किया जाता है, और गिरावट की ढलान {{1} वीडीसी/एलएस (तेजी से परिवर्तन) है
जब करंट निर्धारित बिंदु के निचले लाइन मान पर पहुंच जाए, तो प्रारंभ करनेवाला कुंडल (आम तौर पर निचला ब्रिज) को शॉर्ट सर्किट करने के लिए H{0}} ब्रिज को नियंत्रित करें, और करंट को स्थिर रखें (धीमा परिवर्तन)
जब सेट बिंदु का करंट बदलता है, तो नवीनतम करंट सेट बिंदु में करंट को स्थिर बनाए रखने के लिए उसी नियंत्रण रणनीति के माध्यम से H{0}} ब्रिज का उपयोग किया जाता है।
जैसा कि चित्र 3.4 में दिखाया गया है, स्टेपर मोटर का मापा तरंगरूप है, यदि निचले की सटीकता के उपखंड को वर्तमान तरंगरूप की तरह स्पष्ट चरण देखा जा सकता है। यदि उपविभाजन की डिग्री बहुत अधिक है, तो धारा साइनसॉइडल धारा के करीब है, जैसा चित्र 3.5 में दिखाया गया है।

चित्र 3.3 TB67S109AFNG वर्तमान नियंत्रण

चित्र 3.4 स्टेपर मोटर की मापी गई धारा (विभाजित नहीं)

चित्र 3.5 स्टेपर मोटर द्वारा मापा गया करंट (उपखंड)

3.2 खुला हुआ {{1}लूप और बंद हुआ हुआ {{2}लूप नियंत्रण

खुले -लूप नियंत्रण के साथ, चूंकि रोटर स्थिति की जानकारी का कोई फीडबैक नहीं है, इसलिए यह अनिवार्य रूप से अज्ञात है कि सिस्टम नियंत्रण का पालन कर रहा है या नहीं। यदि कुछ लोड असामान्यता है, तो स्टेपर मोटर के चरणों को खोना आसान है। कुछ उच्च परिशुद्धता, उच्च प्रदर्शन अनुप्रयोगों में, एनकोडर या अन्य स्थिति सेंसर के माध्यम से स्थिति की जानकारी वापस मिलती है, ताकि स्टेपर ड्राइव सिस्टम यह जान सके कि चरण का नुकसान हुआ है या नहीं, यदि चरण का नुकसान नियंत्रण के नियंत्रण में पल्स के नुकसान की भरपाई करेगा, तो यह भी महसूस करना अपेक्षाकृत आसान है।

सारांश

यह पेपर चर अनिच्छा मोटर्स की मूल संरचना और स्टेपर मोटर्स में उनके विकास का संक्षेप में वर्णन करता है, और कई सामान्य स्टेपर मोटर्स की संरचना और नियंत्रण तर्क की तुलना करता है। स्टेपर मोटर नियंत्रण सिद्धांत और वर्तमान उपखंड के नियंत्रण विवरण को स्टेपर मोटर्स की अधिक व्यापक समझ प्रदान करने के लिए पेश किया गया है।