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. Rser=0 V2 24 V1 V3 X1 U1 L1 R1 1Meg R2 5k6 C1 U2 R3 2.2 X2.TRAN.5 UIC.ic I(L1) =.5 L2 C2 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.
Obr. 2. Řídicí elektronika a krokový motor Obr. 3. Průběhy napětí na kondenzátorech C1 a C2 (20V/div.)
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.)
80V V(N003,N004) 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. 70V V(N003,N004) I(L1) 60 60V 50V 40V 30 30V 20V 10V 0V -10V - -20V -30V - -40V - -50V -60 454ms 456ms 458ms 460ms 462ms 464ms 466ms 468ms 470ms 472ms 474ms 476ms 478ms 480ms Obr. 7. Průběh napěti na kondenzátoru C1 a proudu vinutím L1 simulace
13V V(n006) I(L1) 60 11V 9V 7V 30 5V 3V 1V -1V -3V -5V - -7V -9V - -11V - -13V -60 454ms 456ms 458ms 460ms 462ms 464ms 466ms 468ms 470ms 472ms 474ms 476ms 478ms 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 ). 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.
R4 Rser=0 V2 24 500 L3 V1 V3 X1 K1 L1 L3.6 L1 U1 R1 1Meg R2 5k6 C1 U2 R3 2.2 X2.TRAN.5 UIC.ic I(L1) =.5 L2 C2 Obr. 9. Schéma zapojení se zohledněním vířivých proudů. 30 - - I(L1) V(N004,P001)*I(R5) -V(N002)*I(R4) - -0.2W 452ms 456ms 460ms 464ms 468ms 472ms 476ms 480ms 484ms 488ms 492ms 496ms 500ms 5.3W 4.8W 4.3W 3.8W 3.3W 2.8W 2.3W 1.8W 1.3W 0.8W 0.3W Obr. 10.a. Grafický výstup simulace pro vyhodnocení ztrát vířivými proudy. 56V V(N004,N005) V(n003) I(L1) 48V 40V 30 32V 24V 16V 8V 0V -8V - -16V -24V - -32V - 444ms 446ms 448ms 450ms 452ms 454ms 456ms 458ms 460ms 462ms 464ms 466ms Obr. 10.b. Grafický výstup simulace pro vyhodnocení ztrát vířivými proudy - pokračování.