Pemilihan motor stepper pada peralatan otomatisasi

Motor stepperMotor stepper dapat digunakan untuk kontrol kecepatan dan kontrol posisi tanpa menggunakan perangkat umpan balik (yaitu kontrol loop terbuka), sehingga solusi penggerak ini ekonomis dan andal. Dalam peralatan otomatisasi dan instrumen, penggerak stepper telah banyak digunakan. Namun, banyak pengguna dan personel teknis masih memiliki pertanyaan tentang cara memilih motor stepper yang tepat, cara memaksimalkan kinerja penggerak stepper, atau hal lainnya. Makalah ini membahas pemilihan motor stepper, dengan fokus pada penerapan beberapa pengalaman teknik motor stepper, dan berharap dapat memberikan referensi dalam mempopulerkan motor stepper pada peralatan otomatisasi.

 

1. Pendahuluanmotor stepper

Motor stepper juga dikenal sebagai motor pulsa atau motor langkah. Motor ini bergerak maju dengan sudut tertentu setiap kali keadaan eksitasi diubah sesuai dengan sinyal pulsa masukan, dan tetap diam pada posisi tertentu ketika keadaan eksitasi tidak berubah. Hal ini memungkinkan motor stepper untuk mengubah sinyal pulsa masukan menjadi perpindahan sudut yang sesuai untuk keluaran. Dengan mengontrol jumlah pulsa masukan, Anda dapat secara akurat menentukan perpindahan sudut keluaran untuk mencapai posisi terbaik; dan dengan mengontrol frekuensi pulsa masukan, Anda dapat secara akurat mengontrol kecepatan sudut keluaran dan mencapai tujuan pengaturan kecepatan. Pada akhir tahun 1960-an, berbagai motor stepper praktis muncul, dan 40 tahun terakhir telah menyaksikan perkembangan yang pesat. Motor stepper telah mampu bekerja berdampingan dengan motor DC, motor asinkron, serta motor sinkron, menjadi jenis motor dasar. Ada tiga jenis motor stepper: reaktif (tipe VR), magnet permanen (tipe PM), dan hibrida (tipe HB). Motor stepper hibrida menggabungkan keunggulan dari dua bentuk motor stepper pertama. Motor stepper terdiri dari rotor (inti rotor, magnet permanen, poros, bantalan bola), stator (kumparan, inti stator), penutup ujung depan dan belakang, dll. Motor stepper hibrida dua fasa yang paling umum memiliki stator dengan 8 gigi besar, 40 gigi kecil, dan rotor dengan 50 gigi kecil; motor tiga fasa memiliki stator dengan 9 gigi besar, 45 gigi kecil, dan rotor dengan 50 gigi kecil.

 

2. Prinsip pengendalian

Itumotor stepperMotor stepper tidak dapat dihubungkan langsung ke catu daya, dan juga tidak dapat menerima sinyal pulsa listrik secara langsung. Interaksi antara motor stepper dan catu daya serta pengontrol harus diwujudkan melalui antarmuka khusus—yaitu, driver motor stepper. Driver motor stepper umumnya terdiri dari distributor cincin dan rangkaian penguat daya. Distributor cincin menerima sinyal kontrol dari pengontrol. Setiap kali sinyal pulsa diterima, output dari distributor cincin dikonversi sekali, sehingga keberadaan atau ketiadaan dan frekuensi sinyal pulsa dapat menentukan apakah kecepatan motor stepper tinggi atau rendah, berakselerasi atau deselerasi, untuk memulai atau berhenti. Distributor cincin juga harus memantau sinyal arah dari pengontrol untuk menentukan apakah transisi keadaan outputnya dalam urutan positif atau negatif, dan dengan demikian menentukan arah motor stepper.

 

3. Parameter utama

①Nomor blok: terutama 20, 28, 35, 42, 57, 60, 86, dst.

②Jumlah fasa: jumlah kumparan di dalam motor stepper, jumlah fasa motor stepper umumnya ada dua fasa, tiga fasa, dan lima fasa. Cina terutama menggunakan motor stepper dua fasa, tiga fasa juga memiliki beberapa aplikasi. Jepang lebih sering menggunakan motor stepper lima fasa.

③Sudut langkah: yang sesuai dengan sinyal pulsa, perpindahan sudut rotasi rotor motor. Rumus perhitungan sudut langkah motor stepper adalah sebagai berikut.

Sudut langkah = 360° ÷ (2mz)

m adalah jumlah fase motor stepper.

Z adalah jumlah gigi pada rotor motor stepper.

Berdasarkan rumus di atas, sudut langkah motor stepper dua fasa, tiga fasa, dan lima fasa masing-masing adalah 1,8°, 1,2°, dan 0,72°.

④ Torsi penahan: adalah torsi kumparan stator motor saat arus nominal mengalir, namun rotor tidak berputar, sehingga stator mengunci rotor. Torsi penahan adalah parameter terpenting pada motor stepper, dan merupakan dasar utama untuk pemilihan motor.

⑤ Torsi pemosisian: adalah torsi yang dibutuhkan untuk memutar rotor dengan gaya eksternal ketika motor tidak dialiri arus. Torsi merupakan salah satu indikator kinerja untuk mengevaluasi motor, dengan parameter lain yang sama, semakin kecil torsi pemosisian berarti semakin kecil "efek slot", semakin bermanfaat bagi kelancaran kerja motor pada kecepatan rendah. Karakteristik frekuensi torsi: terutama mengacu pada karakteristik frekuensi torsi yang dihasilkan, operasi stabil motor pada kecepatan tertentu dapat menahan torsi maksimum tanpa kehilangan langkah. Kurva momen-frekuensi digunakan untuk menggambarkan hubungan antara torsi maksimum dan kecepatan (frekuensi) tanpa kehilangan langkah. Kurva frekuensi torsi merupakan parameter penting dari motor stepper dan merupakan dasar utama untuk pemilihan motor.

⑥ Arus nominal: arus belitan motor yang dibutuhkan untuk mempertahankan torsi nominal, nilai efektifnya

 

4. Memilih poin

Aplikasi industri menggunakan motor stepper dengan kecepatan hingga 600 ~ 1500 rpm. Untuk kecepatan yang lebih tinggi, Anda dapat mempertimbangkan penggerak motor stepper loop tertutup, atau memilih penggerak servo yang lebih sesuai dengan langkah-langkah pemilihan motor stepper (lihat gambar di bawah).

 

(1) Pilihan sudut langkah

Berdasarkan jumlah fasa motor, terdapat tiga jenis sudut langkah: 1,8° (dua fasa), 1,2° (tiga fasa), 0,72° (lima fasa). Tentu saja, sudut langkah lima fasa memiliki akurasi tertinggi, tetapi motor dan drivernya lebih mahal, sehingga jarang digunakan di Tiongkok. Selain itu, driver stepper arus utama saat ini menggunakan teknologi penggerak subdivisi, di bawah 4 subdivisi, akurasi sudut langkah subdivisi masih dapat dijamin, jadi jika hanya mempertimbangkan indikator akurasi sudut langkah, motor stepper lima fasa dapat digantikan oleh motor stepper dua fasa atau tiga fasa. Sebagai contoh, dalam penerapan semacam ulir untuk beban sekrup 5mm, jika digunakan motor stepper dua fasa dan driver diatur pada 4 subdivisi, jumlah pulsa per putaran motor adalah 200 x 4 = 800, dan ekuivalen pulsa adalah 5 ÷ 800 = 0,00625mm = 6,25μm, akurasi ini dapat memenuhi sebagian besar persyaratan aplikasi.

(2) Pemilihan torsi statis (torsi penahan)

Mekanisme transmisi beban yang umum digunakan meliputi sabuk sinkron, batang filamen, rak dan pinion, dll. Pelanggan pertama-tama menghitung beban mesin mereka (terutama torsi akselerasi ditambah torsi gesekan) yang dikonversi ke torsi beban yang dibutuhkan pada poros motor. Kemudian, sesuai dengan kecepatan putaran maksimum yang dibutuhkan oleh mesin bunga listrik, berikut dua kasus penggunaan berbeda untuk memilih torsi penahan motor stepper yang sesuai ① untuk aplikasi dengan kecepatan motor yang dibutuhkan 300pm atau kurang: jika beban mesin diubah menjadi torsi beban poros motor yang dibutuhkan T1, maka torsi beban ini dikalikan dengan faktor keamanan SF (umumnya diambil sebagai 1,5-2,0), yaitu, torsi penahan motor stepper yang dibutuhkan Tn ②2 untuk aplikasi yang membutuhkan kecepatan motor 300pm atau lebih: atur kecepatan maksimum Nmax, jika beban mesin diubah menjadi torsi beban poros motor yang dibutuhkan T1, maka torsi beban ini dikalikan dengan faktor keamanan SF (biasanya 2,5-3,5), yang menghasilkan torsi penahan Tn. Lihat Gambar 4 dan pilih model yang sesuai. Kemudian gunakan kurva momen-frekuensi untuk memeriksa dan membandingkan: pada kurva momen-frekuensi, kecepatan maksimum Nmax yang dibutuhkan pengguna sesuai dengan torsi langkah hilang maksimum T2, maka torsi langkah hilang maksimum T2 harus lebih dari 20% lebih besar dari T1. Jika tidak, perlu memilih motor baru dengan torsi yang lebih besar, dan periksa serta bandingkan lagi sesuai dengan kurva torsi-frekuensi motor yang baru dipilih.

(3) Semakin besar angka dasar motor, semakin besar torsi penahannya.

(4) sesuai dengan arus nominal untuk memilih penggerak stepper yang sesuai.

Sebagai contoh, arus nominal motor 57CM23 adalah 5A, maka Anda harus memilih arus maksimum yang diizinkan oleh penggerak (driver) yang lebih dari 5A (harap perhatikan bahwa ini adalah nilai efektif, bukan nilai puncak). Jika Anda memilih penggerak dengan arus maksimum hanya 3A, torsi keluaran maksimum motor hanya akan mencapai sekitar 60%!

5. Pengalaman aplikasi

(1) masalah resonansi frekuensi rendah motor stepper

Subdivision stepper drive adalah cara efektif untuk mengurangi resonansi frekuensi rendah pada motor stepper. Di bawah 150 rpm, subdivision drive sangat efektif dalam mengurangi getaran motor. Secara teori, semakin besar subdivisi, semakin baik efeknya dalam mengurangi getaran motor stepper, tetapi dalam situasi aktual, peningkatan subdivisi hingga 8 atau 16 baru memberikan efek peningkatan yang maksimal dalam mengurangi getaran motor stepper.

Dalam beberapa tahun terakhir, telah banyak driver stepper anti-resonansi frekuensi rendah yang beredar di dalam dan luar negeri, seperti produk seri DM dan DM-S dari Leisai, yang menggunakan teknologi anti-resonansi frekuensi rendah. Seri driver ini menggunakan kompensasi harmonik, melalui kompensasi pencocokan amplitudo dan fase, yang dapat mengurangi getaran frekuensi rendah motor stepper secara signifikan, sehingga menghasilkan operasi motor dengan getaran dan kebisingan rendah.

(2) Dampak pembagian motor stepper terhadap akurasi posisi

Rangkaian penggerak subdivisi motor stepper tidak hanya dapat meningkatkan kelancaran pergerakan perangkat, tetapi juga dapat secara efektif meningkatkan akurasi pemosisian peralatan. Pengujian menunjukkan bahwa: Pada platform gerak penggerak sabuk sinkron, motor stepper dengan 4 subdivisi, motor dapat diposisikan secara akurat pada setiap langkah.