Rezonanční řízení krokového motoru – polomost Ing. Ladislav Kopecký V tomto článku popíšeme praktické zkušenosti s rezonančním řízením dvoufázového krokového motoru a naměřené výsledky porovnáme s výsledky simulace pomocí programu SwitcherCADIII. Na obr. 1 je zobrazeno schéma zapojení řídicí elektroniky. Jedná se o půlmůstkové zapojení, které již bylo popsáno v jiném článku.
IN
L1
C1
.1082
10µ -12V
R1 1Meg
12V
V+
U1 R2 5k6
IN
OUT
GND SWITCH-HL
R3 2.2
L2 .1082
.TRAN .5 UIC .ic I(L1) = .5 10µ
C2
U2
+12V
-12V
-12V
V3
X2 VCC
OUT
GND SWITCH-HL
+12V
VCC 12V
24
X1 V+
V1
V2
+12V
+12V
+12V
Rser=0
Obr. 1. Půlmůstkové rezonanční řízení krokového motoru – schéma zapojení. Ohmický odpor vinutí krokového motoru byl změřen po zahřátí na provozní teplotu. Kapacity kondenzátorů jsou jmenovité hodnoty (nebyly měřeny). Indukčnost byla vypočítána pomocí Thompsonova vzorce na základě jmenovité kapacity a frekvence změřené multimetrem za provozu při napájecím napětí 24 V. Všechny ostatní hodnoty byly odečteny na stínítku osciloskopu. Frekvence f = 153Hz, amplituda proudu cívkou Im = 409 mA, Napětí na kondenzátoru špička-špička Ucšš = 72 V, odpor vinutí při teplotě cca 50°C R = 28,5Ω, Vypočítaná indukčnost vinutí L = 108,2 mH. Na obr. 2 pak najdete fotografii elektroniky a krokový motor. Na dalších obrázcích jsou průběhy proudů a napětí zobrazené na osciloskopu. Tyto průběhy dále porovnáme s výsledky simulace.
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
Obr. 2. Řídicí elektronika a krokový motor
Obr. 3. Průběhy napětí na kondenzátorech C1 a C2 (20V/div.)
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
Obr. 4. Průběh napěti na kondenzátoru C1 a proudu vinutím L1 (20V/div.,0,5V/div.)
Obr. 5. Průběh proudu cívkou L1 a řídicí napětí elektronického přepínače (0,5V/div., 5V/div.)
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
V(N003,N004)
80V
V(n009)
70V 60V 50V 40V 30V 20V 10V 0V -10V -20V -30V -40V -50V 454ms
456ms
458ms
460ms
462ms
464ms
466ms
468ms
470ms
472ms
474ms
476ms
478ms
480ms
Obr. 6. Průběhy napětí na kondenzátorech C1 a C2 – simulace. V(N003,N004)
70V
I(L1)
600mA
60V
500mA
50V
400mA
40V
300mA
30V
200mA
20V
100mA
10V
0mA
0V
-100mA
-10V
-200mA
-20V
-300mA
-30V
-400mA
-40V
-500mA
-50V 454ms
456ms
458ms
460ms
462ms
464ms
466ms
468ms
470ms
472ms
474ms
476ms
478ms
Obr. 7. Průběh napěti na kondenzátoru C1 a proudu vinutím L1 – simulace
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
-600mA 480ms
V(n006)
13V
I(L1)
600mA
11V
500mA
9V
400mA
7V
300mA
5V 200mA 3V 100mA 1V 0mA -1V -100mA -3V -200mA -5V -300mA
-7V
-400mA
-9V
-500mA
-11V -13V 454ms
456ms
458ms
460ms
462ms
464ms
466ms
468ms
470ms
472ms
474ms
476ms
478ms
-600mA 480ms
Obr. 8. Průběh proudu cívkou L1 a řídicí napětí elektronického přepínače – simulace. Porovnáme-li reálné hodnoty s grafickými výstupy simulace, vidíme, že simulované výsledky jsou „optimističtější“, tj. napětí na kondenzátorech a proudy cívkami jsou asi o 20% vyšší. Nyní se pokusíme nasimulovat ztráty vířivými proudy, které jsou pravděpodobně hlavním viníkem rozdílných výsledků. Na obr. 9 je nakresleno upravené schéma zapojení. Nemusíme si ho popisovat – metodika simulace vlivu vířivých proudů byla popsána v předchozím článku. Byla zvolena taková hodnota odporu R4, aby amplituda proudu cívkou L1 byla v obou případech, tj. v realitě i při simulaci, stejná (cca 400mA). Na obr. 10 je zobrazen grafický výstup simulace, kde zelenou barvou je vykreslen proud cívkou L1, červeně ztráty vířivými proudy, fialově ztráty ve vinutí, modře napětí na kondenzátoru C1 a hnědou barvou je zobrazeno napětí na výstupu elektronického přepínače X1. Ztráty vířivými proudy (amplituda asi 1,5W) v porovnání se ztrátami v mědi (amplituda asi 4.5W) jsou poměrně nízké. Dále si všimneme, že amplituda napětí na kondenzátoru při simulaci je vyšší a méně zdeformovaná. Vysvětluji si to tak, že indukčnost vinutí krokového motoru se v průběhu periody proudu cívkou mění, tj. indukčnost je nelineární funkcí proudu.
Závěr Výše popsané zapojení je nejjednodušší možné (analogové) zapojení pro rezonanční řízení dvoufázového motoru. Jeho největší předností je jeho jednoduchost a možnost měnit otáčky změnou kapacit C1 a C2, aniž bychom museli nastavovat nějaké parametry. Nevýhodou je to, že není přesně dodržen fázový posun 90° a je závislý na parametrech rezonančního obvodu.
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
Rser=0
R4
V2
24
V+ VCC IN
12V
.1082 K1 L1 L3 .6 L1
GND SWITCH-HL
.1082 R1 1Meg
VCC IN
10µ
R3
L2 .1082
.TRAN .5 UIC .ic I(L1) = .5 10µ
2.2
C2
U2
-12V
R2 5k6
OUT
GND SWITCH-HL
U1
12V
+12V
-12V
V3
X2 V+
C1
OUT
-12V
V1
+12V
X1
+12V
+12V
+12V
500 L3
Obr. 9. Schéma zapojení se zohledněním vířivých proudů. I(L1)
500mA
V(N004,P001)*I(R5)
-V(N002)*I(R4) 5.3W
400mA
4.8W 4.3W
300mA 200mA 100mA
3.8W 3.3W
0mA
2.8W 2.3W
-100mA
1.8W
-200mA
1.3W
-300mA
0.8W 0.3W
-400mA -500mA 452ms
456ms
460ms
464ms
468ms
472ms
476ms
480ms
484ms
488ms
492ms
496ms
-0.2W 500ms
Obr. 10.a. Grafický výstup simulace pro vyhodnocení ztrát vířivými proudy. V(N004,N005)
56V
V(n003)
I(L1)
500mA
48V
400mA
40V
300mA
32V
200mA
24V
100mA
16V
0mA
8V
-100mA
0V -8V
-200mA
-16V
-300mA
-24V
-400mA
-32V 444ms
446ms
448ms
450ms
452ms
454ms
456ms
458ms
460ms
462ms
464ms
-500mA 466ms
Obr. 10.b. Grafický výstup simulace pro vyhodnocení ztrát vířivými proudy - pokračování.
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
