Léptetõmotorok vezérlése
5 fázisú állandómágneses léptetõmotorok szerkezeti elvükbõl adódóan nagy felbontással, rezonanciaszegény, lágy futással és nagy dinamikával rendelkeznek. Ennek ellenére, az alkalmazásánál kívánatos lehet a természetes lépésszög további részekre való felbontása. Lehetõség van lépésosztásos technika alkalmazásával a fordulatonkénti 10000 lépés eléréséhez.
Ez a lépésosztásos technika "Minilépésben" és "Mikrolépésben", ezeken túlmenõen szinusz helyett lineáris alakú fázisáram változásban különbözik. Ez speciálisan csak az 5-fázisú állandómágneses léptetõmotorokra lett kifejlesztve.
A különbözõ módszerekkel végzett problémamegoldásnak három olyan fõ esete ismerhetõ fel, ahol a lépésosztásos technika alkalmazása a különösen jó megoldás koncepcióhoz vezet:
A felbontás és evvel a hajtás lehetséges kifinomultságának a növelése; pl.: a kívánt helyzet jobb megközelítésére, a feladatban többszörös elõreléptetések kivitelezése vagy, megvalósításához hogy amelyek önszabályozva állnak be a kívánt helyzetbe. Elõny: Lemondhatunk a drága hajtórendszerrõl.
Javulás a hajtás menet tulajdonságaiban; pl.: kisebb forgási sebességek elõállítása nagy állandójú (kvarc pontossággal), nyugodt lágyabb futás mellett, vagy az egyes lépésviszonyok javulása, a lépésosztás sorozat elõállításával.
Javulás a rezonancia viselkedésében. Az adott Motor-terhelés kombináció és a saját rezonanciahelyen történõ gerjedése teljes-, és osztott lépésû üzemen keresztül a lépésosztásnál erõsen legyengül. A rezonanciacsillapodási tényezõben azonban semmilyen emelkedés nem adódik. Mindössze a nagyobb frekvencián a rezonancia amplitúdója mozdul el. Ez sok esetben drága csillapítási hajtás megvalósítását nem teszi lehetõvé.
Mûködési elv
Egy 5 fázisú állandómágneses léptetõmotor lépésszög felosztása különbözõ módon valósítható meg. Alapvetõen az összes vagy egyes fázisok forgatónyomaték vektorait úgy kell megváltoztatni, hogy az állandó forgóvektor amplitúdója (lépésosztási szög) folytonos növekedésével álljon elõ. Az 5 fázisú motor különbözõ vezérlési lehetõségeit összehasonlítva, a lépésosztáshoz többféle megoldást tudunk kidolgozni. Átgondolva, hogy egy állandómágneses léptetõmotor a maximális kimeneti teljesítményt ad le ha az összes meglévõ fázis gerjesztett, és ennek technikai megvalósítása biztosan egyszerûbb, ha csak egy fázisú vektor áramváltoztatásán keresztül úgy változik meg mint az összest együtt, az itt leírt megoldást dolgoztuk ki. A megoldást a következõ megállapítások alapján jellemezzük:
A 4 fázis állandó, maximálisan gerjesztett
1 fázis lineárisan változtatott.
Egy vektordiagram alapján lépésosztásos üzemû 5-fázisú állandómágneses léptetõmotor kiválasztott megoldási útját vezethetjük le (3-1. ábra).
3-1. ábra. 5-fázisú állandómágneses
léptetõmotor vektordiagramja
A megvalósításkor minden lépésosztásnál az áramlépcsõ korrigált értékei kerülnek kiolvasásra, a gyûrûszámláló hasonló állásnál (cím) a PROM kiolvasásával. Ez képzi az a végfokozat alapjelét. Az 5-fázisú lépésosztásos motor üzemében az elõállított fázisáramok egymásközti kapcsolatukra áttekintést mutat a 3-2. ábra. A fázisokban mindkét polaritású áram elõfordul.

3-2. ábra
Ez arra utal, hogy kapcsolástechnikailag szükséges bipoláris végfokozat alkalmazása. Még mindig 4 fázis 100%-os
áramértéke van beállítva. Ez azt jelenti, hogy egy motor lépésosztásos üzemében ugyanaz a stabilitáskritérium uralkodik, mint a teljes lépésû üzemmódban az 5-H kapcsolásban. A végfokozatoknak képesnek kell lenniük, úgy a pozitív vagy negatív 100%-os áramértéknek a
állandó értéken való tartására
esetén, az áramnak +100%-tól -100%-ig és fordítva is gyors és pontos beállítására. Ez nagy dinamikát feltételez. A teljesítmény szempontjából kitûnik hogy a lépésosztás és a fél lépés áramértékei megközelítõen azonosak. Ez azt jelenti, hogy az adattáblán lévõ névleges fázisáram a lépésosztásnál is fennáll:
Egy fázisáram menetét a 3-2. ábra mutatja.
Bipoláris és unipoláris
léptetõmotorok
vezérléseA
3-3. ábrán egy bipoláris léptetõmotor tranzisztoros
vezérlésének a vázlata és mûködésének
a idõdiagramja látható. A bipoláris motoroknál
állórész-pólusként csak egy gerjesztõtekercs
szükséges, amelyre a léptetés irányától
függõen kétféle polaritással kapcsolható
a feszültség. Az 1-es szint az adott tranzisztorok bekapcsolt, a 0
érték pedig a kikapcsolt állapotát jelenti. Az állórészen
feltüntetett mágneses pólusok az 1.ütem gerjesztési
állapotának felelnek meg. A gerjesztõtekercs tranzisztoros
hídkapcsolás átlójában van. Az összetartozó
pnp-npn tranzisztorok (pl.: T1,
T5
vagy T2,
T6)
vezérlése azonos, de a pároké különbözõ.
Az állórész tekercselése alapján a léptetõmotorok
másik csoportját az unipoláris (bifiláris tekercselésû)
motorok alkotják. Ez esetben a póuspárok vasmagján
kettõs, bifilárisan készített középkivezetéses
tekercselés helyezkedik el. A feszültséget hol az egyik, hol
a másik tekercsre kapcsolják.

3-3. ábra.
A 3-4. ábrán ilyen felépítésû motor vezérlése látható. A léptetõmotorok vezérlésére, meghajtására speciális integrált áramköröket fejlesztettek ki, melyekkel a motorvezérlés két alapvetõ paramétere, a beállítási sebesség és a hatásfok optimálisan beállítható. Az elõzõekben bemutatott megoldások csak kis nyomatékú, lassú pozicionálásnál használatosak, mivel a fázistekercsek viszonylag nagy induktivitása következtében a léptet6oimpulzus be- és kikapcsolásakor indukálódó feszültség a gerjesztõáram fel- és lefutási meredekségét erõsen csökkenti. Így a motor léptetési gyakoriságának a növelésekor a gerjesztõáram átlagértéke, és ezzel a nyomaték is gyorsan csökken. Megoldást jelent a tápfeszültség növelése és soros áramkorlátozóellenállás használata. ekkor az indítónyomaték a meredekebben változó áram hatására nõ, azonban a hatásfok az ellenálláson disszipálódó energia következtében romlik. A bipoláris motoroknál a legjobb eredményt az állandó gerjesztõáramú vezérlés szolgáltatja, mely egyidejûleg nagy indítónyomatékot és gyors beállást eredményez.

3-4. ábra.
RendszerleírásAz
5 fázisú állandómágneses léptetõmotor
lépésosztásos üzeme speciálisan az erre tervezett
vezérlõben került alkalmazásra. Ez a vezérlõ
feloszlik, mint a blokksémán látható három
fõ részre:
vezérlõlogika
bipoláris lineáris végfokozat (fázisonként egy)
5 fázisú állandómágneses léptetõmotor
A blokkséma a 3-5. ábrán
mutatja a vezérlõlogika felépítését
a következõ funkcióval:
Gyûrûszámláló:
A gyûrûszámláló 8 bites elõre / hátraszámláló felépítésû. A megfelelõ visszavezetéssel Modulo 200-ig számol. A számláló vezérlése az impulzusbemeneten és az iránybemeneten keresztül történik. A RESET bemeneten keresztül engedi magát aszinkron módon alaphelyzetbe állítani. További vezérlõbemeneten keresztül engedi a számláló a Modulo 40-et,
Modulo 20-at és a Modulo 10-et (ennek megfelelõen 2000, 1000 és 500 lépést fordulatonként) kapcsolni. Ezáltal lehet másik lépésosztási szöget megvalósítani.

3-5. ábra.
Áramérték tárolás / fázisdekódolás:
A gyûrûszámláló 8 bites információ címen keresztül vezet 5 csak olvasható értéktárolóhoz (PROM-hoz). A PROM-okban van programozva a mindenkori számlálócímhez tartozó fázisonkénti megfelelõ áramérték. A programja segítségével fázisdekódoló funkciót is ellát. Mindegyik fázishoz egy saját PROM van hozzárendelve. Ezen kívül a program az 5 fázis egymáshoz képesti fáziseltolódását (3-5. ábra) és az áram polaritását valamint lehetséges korrektúraértéket veszi figyelembe. A PROM-ok 8 bites felépítésûek (0....255 értékig). Definícióval rögzítették, hogy 255-ös érték az egy irányban maximális áramértékét, a 128-as érték az áramérték 0, és 0 érték a maximális áramérték ellentétes irányának felel meg.
Digitális - Analóg átalakító (D/A):
Mindegyik fázis PROM kivezetése egy D/A átalakítóhoz vezet. Ennél fogva 5 átalakító szükséges. A D/A átalakító szimmetrikus pozitív és negatív feszültséggel vannak ellátva és a kimenetükön kétirányú áramforrás van felépítve. Az áram amplitúdója ezen kívül a referenciafeszültségtõl függ, amit a digitális áram beállítási funkcionális csoportjából nyer. Az egész 21 áramfokozat 10 pozitív, 10 negatív értékbõl és egy nulla áramértékbõl áll. Ez fokozatonként
számjegyváltozást eredményez. Az abszolút hiba körönként maximálisan
0.5 számjegy értékû.
Ez a maximális kvantálási hiba lépésenként
-ot eredményez
-os eltérést ami 5.3 szögmásodperc és ez a szabályszerûség általában elhanyagolható.
Puffer erõsítõk a végfokozat erõsítéséhez:
Ezek a Puffer erõsítõk az A/D átalakító által elõállított áramokat arányos feszültséggé alakítja át. Az erõsítõk kis ellenállású kimenettel rendelkeznek. A kimeneti feszültség képzi az alapjelet a végfokozat fázisáram-szabályzó köre számára. Igen nagy Slew-Rate-el rendelkezõ puffererõsítõt alkalmaznak, amelyek jó dinamikát garantálnak.
Digitális fázisáram beállítás:
Lépésosztásos üzemben egy motortekercselést a hagyományos teljes- vagy féllépéses üzemmel ellentétben, a maximális áram csak egy részével irányítjuk. A fázisáram beállítás mûszeres méréssel igen körülményes. Emiatt a fázisáram beállítás, együttesen az összes fázisra digitálisan történik. A fázisáram a logikai kártyán 16 fokozatú forgókapcsolón 0.2A-es ugrásonként maximálisan 2.8A-es értékig állítható be. Ennek a beállításnak az eredménye függ a gyûrûsszámláló alapállapotától, illetve a PROM mindenkori áram alapjelétõl.
Állóhelyzet felismerése és a Fázisáram csökkenése:
Egy motor álló állapotának a felismeréséhez, a logikai kártyán lévõ kapcsolást látva, az impulzustok lemaradását és áramcsökkenést idéz elõ. A csökkenés nagysága egy 10 fokozatú forgókapcsolón állítható be. A süllyedés abban a fokozatban megy végbe, ahol eléri a mindenkori áramérték 10%-át. Az áramcsökkenés mindegyik fázisra egyenletesen hat úgy, hogy semmilyen pozícióváltást nem engedélyez.
Motorimpedancia függvényében történõ motorfeszültség-vezérlés:
A bipoláris lineáris végfokozat végerõsítõ felépítésû. Ennél a koncepciónál a motor álló állapotában lép fel a végfokozat legnagyobb teljesítményvesztesége. Az álló állapotban veszteségére történõ csökkenése, a végfokozat üzemi feszültségét álló állapotból egy un. léptetõ frekvenciára csökkenti. A motornak szüksége van növekvõ fordulatszám mellett egy nagy üzemi feszültségre a fázisáram beállításához. Ehhez a folyamathoz tartozó szabályzó jellemzõként az ellen elektromotoros erõ lett választva. Ami a motor fázisával van összekapcsolva, egyenirányítva és szûrve. Mértékül szolgál a mindenkori szögsebességgel, illetve a mindenkori motorimpedanciával arányos. A nagyság függvényében az ellen elektromotoros erõ egy fázishasításos vezérlõn keresztül a hálózati modulban lévõ tirisztor-híd segítségével szabályozza a motorfeszültséget. Ez a szabályozás úgy lett méretezve, hogy elkerülhetõ a szükségtelen melegedés, másodsorban mindig olyan feszültség áll a rendelkezésünkre, ami garantálja az áramkör jó dinamikáját.
Számlálóimpulzus elõállítása többszörös inkrementáció alkalmazásával:
Egy 10000 lépés/fordulatonkénti felbontás megfelel a lépésosztás
-os szögnek illetve 2.16 szögmásodpercnek. Ez a nagy felbontás sok esetben nem szükséges. A szélsõségesen lágy, rezgésmentes mûködés alkalmazása azonban relatív durva felbontásnál is szükséges lehet. Ilyen esetekben adódik az a lehetõség, hogy a motort lépésosztásban mûködtetjük többszörös inkrementáció számlálására. Két többszörös inkrementáció között egy lépésosztás biztosan megállapított mennyiségén keresztül vezérli a motort. A vezérlõlogikába ez a lehetõség kerül alkalmazásra. A lépésosztás számláló impulzusonként megtett lépésosztás száma egy DIL kapcsolóval választható. A számláló impulzusszám kimenet frekvenciája evvel a tényezõvel kisebb a lépésosztási frekvenciánál. Ilyen tényezõk 2:1-tõl 50:1-ig,forgási szögnek megfelelõen
-tól
-ig beállítható impulzusonként. Érdekes az a lehetõség hogy hagyományos 2 fázisú lépésosztásos motorral
/lépésnél kitûnõ mûködési tulajdonság valósítható meg.
VégfokozatA
végfokozatnak két fõ funkciója
van:
Az áram irányának a vezérlése egy fázistekercsen keresztül
Áram amplitúdójának a szabályozása
A 3-6. ábra mutatja a bipoláris végfokozat blokkdiagramját. Ezt egy kettõs szimmetrikus energiaforrás látja el energiával. A végfokozat kimenete pozitív és negatív potenciálon keresztül vezérli a motor tekercselését. A motortekercselés egyik oldala felett egy kis ellenállású érzékelõ (érzékelõ-ellenállással) van a testel összekötve. Az érzékelõ ellenállás feszültségesése a pillanatnyi fázisáram mértékével arányos. Az érzékelõ ellenállás feszültsége egy visszacsatoláson keresztül a mûveleti erõsítõhöz jut. Ez azonosítja (összehasonlítja) a visszavezetett tényleges feszültséget az alapjellel, amit egy logikai áramkör állít elõ. A mûveleti erõsítõ kimenetén végfokozat tranzisztorokat vezérel meghajtó tranzisztorokon keresztül. A végerõsítõ lineáris invertáló egyenáramcsatolt áramszabályzóként üzemel. A veszteségi teljesítmény felosztása érdekében a mindenkori pozitív és negatív ághoz két végfokozat tranzisztort párhuzamosan kapcsolnak. Ezeket megfelelõen méretezett hûtõtesthez szerelik. Egy hõmérséklet figyelõkapcsolás védi a végfokozatot a (termikus) túlmelegedés ellen. Szabadonfutó (üresen járó) dióda védi a végfokozat tranzisztorokat a motortekercselés induktív visszahatásaitól és a fázisáram gyors leépítését is elõsegíti . A végfokozat tranzisztorok megfelelõ kapcsolásban rövidzár ellen védettek. A mûveleti erõsítõ és a teljesítmény tranzisztorok különbözõ tápfeszültséggel rendelkeznek. A motor feszültsége a mûveleti erõsítõre történõ visszahatása nélkül csökkenthetõ. Egy kapcsolás figyeli a végfokozat funkcióját. Hibát jelez, ha az áram névleges és tényleges értéke nincs összhangban.

3-6. ábra
További fejlesztés:
A lépésosztásos technika és alkalmazása még kezdeti fázisban van. A további fejlesztés a következõ két irányvonalban képzelhetõ el:
A jelenlegi rendszer finomítása: A korszerû teljesítmény FET-ek új rendszermegoldást kínálnak nagyfrekvenciás kapcsolt végfokozatokhoz. Lehetséges a lineáris végfokozatok elõnyeinek és hátrányainak helyettesítése.
Az 5 fázisú csillagkapcsolás alkalmazása: Az 5 fázisú léptetõmotorok unipoláris csillagkapcsolásban, 3-2-3 sorrendben vezérelhetõk. Még ebben a kapcsolásban is megvalósítható a lépésosztásos üzem, kedvezõ árú koncepció mellett jó tulajdonság várható el.
A lépésosztásos technika lehetõvé teszi 5 fázisú állandómágneses léptetõmotorral együtt új alkalmazási lehetõségek, tesznek lehetõvé kisebb teljesítményû egyenáramú hajtások területének az átkarolását. A megcélzott elõnyök, különösképpen a finom pozicionálás és a szuper lágy futás minél nagyobb jelentõséget kap. A széleskörû felhasználhatóság kiterjed az ipari méréstechnikán keresztül a fényszedésen át egészen az ûrtechnikáig, mikrohullámú technikától a gyógyászati berendezésekig.
Vissza