كيف يؤثر عدد أطوار المحرك السائر على الأداء التشغيلي؟

في الأتمتة الصناعية، والأجهزة الدقيقة، وأنظمة التحكم الذكية في الحركة،المحركات الخطوة بمثابة محركات حيوية بفضل قدرتها على تحقيق تحديد المواقع المفتوحة الدقيقة دون أجهزة استشعار ردود الفعل، عزم دوران عال عند سرعات منخفضة ، وخطأ خطوة غير تراكمي.

عند تقييم واختيار محرك خطوة، وبالإضافة إلى أحجام الإطار (مثل NEMA 17، 23، أو 34) وقومة الاحتفاظ،عدد المراحلالمعلم الكهرومغناطيسي والميكانيكي الأساسي الذي يحدد جودة التشغيل.2-المرحلة، 3-المرحلة، و 5 مراحلمحركات خطوة

كيف يحدد عدد المراحل من الناحية الفيزيائية أداء المحرك؟ ما هي المقايضات الرئيسية بين السرعة والسلاسة والدقة وتكلفة النظام عبر عدد المراحل المختلفة؟توفر هذه المقالة تحليلًا هندسيًا شاملًا للآليات الفيزيائية الأساسية وإرشادات التطبيق.

في محرك خطوة، "المرحلة" تشير إلىمجموعة مستقلة ومعزولة كهربائياً من ملفات التلف الكهرومغناطيسية للستاتور موزعة بشكل متماثل حول محيط جوهر الستاتور.

محرك ثنائي المراحل:يحتوي على اثنين من طيات المرحلة المستقلة (المرحلة A والمرحلة B) ، موزعة عادة على 4 أو 8 أعمدة رئيسية للستاتور في ترتيب مساحي متعامد.
محرك ثلاثي المراحل:يحتوي على ثلاث مجموعات من الملفوفات المرتبة بشكل متماثل في فترات زاوية ثابتة حول محيط الستاتور.
محرك 5 مراحل:يحتوي على خمس مجموعات من الملفات المستقلة موزعة بشكل متماثل عبر 10 أعمدة رئيسية للستاتور.

عندما يقوم وحدة تحكم محرك مخصصة بتشغيل لفات المرحلة في تسلسل متسلسل محدد مسبقًا ،ينتج الستاتور حقل مغناطيسي اصطناعي يدور بخطوات زاوية منفصلة عبر فجوة الهواء، سحب مغناطيسيا الدوار الأسنان خطوة بخطوة مع ارتفاع التكرار.

تحت بناء الدوار متطابق وعدد أسنان الدوار،زاوية الخطوة الكاملة المتأصلة للمحرك متناسبة بالعكس مع عدد المراحلالمزيد من المراحل تسمح للستاتور بتوليف أكثر من التوجهات الحبيبية للمجال المغناطيسي ، مما يؤدي إلى نقل زاوية ميكانيكي أصغر لكل خطوة:

مرحلة 2محرك خطوة: زاوية الخطوة الكاملة القياسية عادة1.8 درجة(تتطلب 200 نبضة لكل دورة).
ثلاث مراحلمحرك خطوة: زاوية الخطوة الكاملة القياسية عادة1.2 درجة(تتطلب 300 نبضة لكل دورة).
5 مراحلمحرك خطوة: زاوية الخطوة الكاملة القياسية هي مجرد0.72 درجة(تتطلب 500 نبضة لكل دورة).

في نظام القيادة غير الميكروستيبد، والخطوة الكاملة، محرك 5 مراحل يوفر بطبيعة الحال 2.5 ضعف الدقة الميكانيكية الأصلية لمحرك 2 مراحل قياسي.

زيادة عدد المراحل لا تقلل فقط من عدد زاوية الخطوة، فإنه يعيد تشكيل خصائص اهتزاز المحرك، استمرارية عزم الدوران،و ملف الدوران عالية السرعة:

(1)اهتزازات منخفضة السرعة، الضوضاء الصوتية، وتخفيف الرنين

الاهتزازات منخفضة السرعة والرنين الصوتي هي تحديات معروفة للأنظمة التقليدية المفتوحة الحلقة.محركات ثنائية المراحل تتزاوج بسهولة مع ثباتا الحمل الميكانيكي، مما يؤدي إلى الرنين الذاتي المثير والإيقاف المحتمل

محرك ثنائي المراحل:مع زاوية خطوة كبيرة (1.8 درجة) ، فإن تأثير الطاقة الحركية لكل خطوة شديد نسبياً مثل اتخاذ خطوات كبيرة ومفاجئة.التباطؤ المفاجئ في كل خطوة يسبب اهتزازا واضحا واصوات.

محرك 5 مراحل:مع زاوية خطوة صغيرة تبلغ 0.72 درجة ، تشبه الحركة خطوات صغيرة دقيقة وسريعة. يتم تقليل اضطراب الطاقة الحركية لكل خطوة إلى حوالي السادس من ذلك في محرك ثنائي المراحل.الإثارة الميكانيكية ضئيلة,يزيل عملياً نطاق الرنين منخفض التردد في الممارسة الهندسية ويسمح بحركة هادئة للغاية.

(2) عزم الدوران الخارجي التموج وسلاسة الحركة

يتم تشكيل عزم الدوران المركب لمحرك خطوة بواسطة الترتيب المتجه المكاني للمراحل المشحونة:

محرك ثنائي المراحل:التبديل بين المراحل ينطوي على قفزات زاوية كبيرة من المتجه المغناطيسي ، مما يؤدي إلى تقلبات كبيرة في عزم الدوران من القمة إلى الوادي ،مع عجلة الدوران المتموجة تزيد عن 29٪.

محرك ثلاثي المراحل:الانتقالات المغناطيسية هي أكثر سلاسة إلى حد كبير، مما يقلل من موجة التموج إلى ما يقرب من13%.

محرك 5 مراحل:التبديل متعدد المراحل يقترب من مجال مغناطيسي سلس يدور باستمرارانخفاض عزم الدوران تحت 5٪.هذا التموج القريب من الصفر يمنع التشنج أو القلق الصغير أثناء الزحف بسرعة منخفضة للغاية.

(3) دقة وضع الحلقة المفتوحة والصلابة الميكانيكية

تظهر محركات الخطوات ميزة واضحة في أن أخطاء الخطوة الواحدة لا تتراكم على مدار عدة دورات.يتم الحد من خطأ الزاوية لكل خطوة ضمن نسبة ثابتة من زاوية الخطوة الاسمية:

محرك ثنائي المراحل:لأن قاعدة زاوية الخطوة الاسمية كبيرة (1.8 درجة) ، فإن نافذة الخطأ الهندسي المطلقة في خطوة واحدة أكبر نسبيا.

محرك 5 مراحل:مع زاوية خطوة من 0.72 ° فقط ، فإن الخطأ الهندسي المطلق هو حوالي 40٪ فقط من محرك 2 مرحلة.

وعلاوة على ذلك، فإن التوزيع الكثيف لأقطاب الستاتور في المحركات ذات الخمس مراحل يعطي تناظر مغناطيسي متفوق وصلابة زاوية أعلى ضد الاضطرابات الميكانيكية الخارجية.

(4) استجابة الديناميكية للخطوة، تجاوز، ووقت الاستقرار

في مهام مؤشر النقطة إلى النقطة (PTP) ، فإن الوقت المطلوب لمحرك للوصول إلى توقف كامل وخالي من الاهتزاز حول نقطة التوازن المستهدفة معروف باسموقت التسوية.

محرك ثنائي المراحل:نظرا لارتفاع الثبات الحركي لكل خطوة، الدوار يعاني من زيادة ملحوظة وتخفيف الحلق عند الوصول إلى الوجهة، وغالبا ما تأخذ15 إلى 35 ميللي ثانيةلتسوية كاملة.

محرك 5 مراحل:الحد الأدنى من الثبات في خطوة واحدة يسمح للدوران أن يكون مغناطيسيا مقفل في الموقف على الفور تقريبا،تقليل وقت الاستقرار إلى أقل من 3 إلى 5 مللي ثانية.هذا التخفيض الهائل يزيد مباشرة من إنتاج الوحدات في الساعة (UPH) في معدات التجميع والفحص عالية الوتيرة.

(5) ملف الدوران عالية السرعة وقيود التردد

في حين أن المحركات الخمسية المراحل تتفوق في السلاسة والدقة في السرعة المنخفضة،سرعات دوران أعلى (أكثر من 1200 إلى 1500 دورة في الدقيقة):

عائق التردد التحولي:لتحقيق نفس RPM العمود، يحتاج محرك مرحلة أعلى إلى تردد تغيير نبض أعلى بكثير من السائق. عند RPM متطابقة، يجب على سائق محرك 5 مراحل تغيير الملفات 2.5 مرات أسرع من سائق مرحليين.

الخسائر عالية التردد و EMF الخلفي:تتسبب معدلات التحول العالية للغاية في زيادة خسائر نواة الحديد في الستاتور (خسائر التيار الدوامي وفقدان الهستيريس) وتراكم سريع في المجال الكهرومغناطيسي الخلفي.هذا يحد من الجهد المحرك من إجبار كامل التيار الاسمي في الملفوفات خلال نافذة التوصيل القصيرة.

الواقع الهندسي: في نطاق التشغيل عالية السرعة فوق 1500 دورة في الدقيقة ، تحافظ محركات الخطوة ذات المرحلتين بشكل عام على عزم دوران إخراج قابل للاستخدام أعلى من المحركات ذات المرحلات الخمس.

(6) طوبولوجيا طاقة المحركات وتكلفة النظام الإجمالية

محرك ثنائي المراحل: يتم تشغيله بواسطة مراحل طاقة H-bridge المزدوجة القياسية (8 مفاتيح طاقة إجمالاً).الخوارزميات التحكمية و وحدات التشغيل المتكاملة الموحدة (مثل السائقين الثلاثي الديناميكي الصامت المتقدم) تستفيد من النطاق التجاري الضخم، تقدمأقل تكلفة للنظام وأوسع نظام بيئي للأجهزة.

محرك ثلاثي المراحل:يستخدم طبقة عاكس ثلاثي المراحل الكاملة (6 مفاتيح طاقة) ، حيث يشارك منصات الأجهزة مع محركات DC / PMSM بدون فرشاة بتكلفة معتدلة.

محرك 5 مراحل:يتطلب مراحل طاقة جسر 5 مراحل متخصصة (10 مفاتيح طاقة) وخوارزميات محركات خاصة. يجعل الأجهزة المخصصة أنظمة محرك 5 مراحل2 إلى 3 مرات أكثر تكلفةمن الحلول القياسية ذات المرحلتين.

مع محركات الخطوة الرقمية الحديثة التي تدعم بسهولة 16، 64، أو حتى 256 نسبة خطوة صغيرة، يمكن لمحركات 2 مراحل تحقيق أعداد خطوات نظرية دقيقة للغاية.هل هذا يجعل المحركات متعددة المراحل قديمة؟?

الإجابة هي لا: التحركات الكهربائية الصغيرة تحسن سلاسة السرعة، ولكن لا يمكن أن تُطابق محرك 5 مراحل في الصلابة الميكانيكية الحقيقية ودقة الحمل المطلق.

(1)طبيعة الميكروستيبينغ:الميكروستيبينغ الكهربائي يحدد نسب التيار النسبية بين مراحل التلف لتوجيه المتجه المغناطيسي بسلاسة.تخفيف الاهتزازات والتسوية الصوتية.

(2) استعادة تساقط صلابة الدوران:عندما يتم تحريف الدوار من وضعية ميكروستيب الكهربائية عن طريق الاحتكاك الخارجي أو الحمل ، ينخفض عزم الدوران التصحيحي بشكل كبير مع تقسيمات أكبر للميكروستيب.تحت الميكروستيبينغ العميق (e(مثل، 64 قسم) ، انخفض عزم الدوران الاستعادة لكل ميكروخطوة إلى عدد قليل فقط من النسبة المئوية للقومومة الاحتياطية للخطوة الكاملة.أي حركة ميكانيكية ثابتة طفيفة يمكن أن حبس الدوار عدة ميكروخطوات بعيدا عن الموقف المطلوب، وخلق موقف غير قابل للتصحيح.

(3) الواقع الفيزيائي لمحركات متعددة المراحل:محرك 5 مراحل يستمد زاوية خطوة 0.72 درجة منالموازنة الهندسية الحقيقية للأسنانتعتمد صلابتها ومقاومتها لاضطرابات الحمل الخارجي في كل خطوة على الهندسة الكهرومغناطيسية الصلبة، والتي لا يمكن أن تتكرر بشكل مادي من خلال إدخال التيار الكهربائي.

عند تصميم آلة الأتمتة، اختر تكوين المرحلة المناسبة بناءً على تسلسل القرارات هذا:

1أفضل تناسب لمحركات الدورين الثنائية:
- الآلات ذات التكلفة الحساسة والتي يتم إنتاجها بكميات كبيرة (على سبيل المثال، الطابعات التجارية ثلاثية الأبعاد، وأجهزة الكاميرا الأمنية PTZ، ونقلات معالجة المواد العامة، والأنابيب الآلية السريرية).
- الأنظمة التي تتطلب عزم دوران قوي عند سرعات متوسطة إلى عالية (600 إلى 2000 RPM).

2أفضل تناسب لمحركات الخطوة ثلاثية المراحل:
- المعدات الصناعية التي تتطلب تسوية متوازنة بين حركة سلسة وسرعات تشغيل أعلى (على سبيل المثال، آلات المنسوجات، معدات التسمية / التعبئة السريعة، الطباعة الرقمية).
- أنظمة متعددة المحاور المدمجة التي تبحث عن الاستفادة من وحدات الطاقة الثلاثية المراحل القياسية

3أفضل تناسب لمحركات الخطوة ذات 5 مراحل:
-أنظمة الدقة الحرجة للاهتزاز:مرحلة فحص و التعامل مع رقائق أشباه الموصلات، محركات تركيز المجهر البصري عالية الضخامة، محاذاة ليزر دقيقة.
-الاختيار والوضع بالوتيرة العالية:محاور الكاميرا المجهزة بالرؤية SMT التي تتطلب دورات استقرار وصورة فورية دون رنين متبقي.

اختيار عدد المراحل المحرك الخطوة الصحيح هو التكافؤ الهندسي بينسلاسة الحركة، سرعة التثبيت، عزم دوران عالية السرعة، وتكلفة النظام الإجمالية:

محركات ثنائية المراحلتهيمن على المشهد الصناعي من خلال كفاءة التكلفة التي لا مثيل لها ودورة عالية السرعة
محركات 5 مراحلتغلب على الأماكن ذات الدقة العالية من خلال الاهتزاز القريب من الصفر ، والتثبيت السريع للغاية ، والقرار المادي غير المساسي.
محركات ثلاثية المراحلتقدم أرضية وسطية جذابة ومتوازنة.

إن تطابق هذه الخصائص الكهرومغناطيسية مع دقة آلتك الدقيقة ومدة الدورة ومتطلبات الميزانية يضمن تصميم نظام تحكم الحركة الأمثل.