Gépészet | Felsőoktatás » Dr. Nagy Lóránt - Működtető, beavatkozó eszközök

3. MŰKÖDTETŐ, BEAVATKOZÓ ESZKÖZÖK 3.1 Általános áttekintés A mechatronikai eszközöket (pl. szelepvezérlőket, árnyékolásvezérlőket, aktuátorokat) valamilyen szerkezet − vagy más néven hajtás − mozgatja. A munkavégző eszközt a hajtás közvetlenül, vagy áttételen keresztül működtetheti. A mozgató eszközök egyik legfontosabb csoportosítási módja a működtető segédenergia szerinti osztályozás. Eszerint − pneumatikus; − hidraulikus; − villamos hajtásokat különböztetünk meg. A felhasználó szempontjából célszerű, ha a munkavégző eszközt egyetlen segédenergia működteti, a gyakorlatban azonban a vegyes megoldások (pl. villamos-pneumatikus) is elterjedtek. Ezt a mellékmozgásoknál (pl bizonyos munkadarab befogó szerkezeteknél) a pneumatikus hajtás egyszerűsége indokolja. A hajtások ipari alkalmazásainál egyenes vonalú (transzlációs) és forgó (rotációs) mozgások fordulnak elő. A pneumatikus és hidraulikus

hajtások alapvető mozgató eleme a munkahenger, amely egyenes vonalú mozgást végez. Ha ebben az esetben forgó mozgásra van szükségünk, ez csak fogasléc⇒fogaskerék közbeiktatásával (forgatóhenger) lehetséges. A villamos motorok alapvetően forgó mozgást végeznek (kivétel a jelenleg ritkábban alkalmazott lineáris motor) amelyet csak fogaskerék⇒fogasléc átalakítással lehet egyenes vonalú mozgássá alakítani. A hajtások felhasználhatóságának és minőségének fő jellemzői: − löket, elfordulási tartomány; − sebesség, szögsebesség; − erő, forgatónyomaték (a névleges, ill. az indítóérték); − dinamikai tulajdonságok. A fejezet további részeiben a különböző segédenergiájú rendszerek felépítését vizsgáljuk alapjaiban. 3.11 A pneumatikus és a hidraulikus rendszer A pneumatikus és a hidraulikus rendszerek sok tekintetben hasonlóságot mutatnak. Mindkét esetben (és ez eltérés a villamos rendszerhez képest) a

működtetéshez szükséges energiát a helyszínen, pneumatikus-, vagy hidraulikus tápegységekben állítják elő. A működéshez szükséges nyomást pneumatikus rendszernél motorral hajtott kompresszor, a hidraulikusnál szivattyú szolgáltatja. A pneumatikus rendszer jó működésének feltétele, hogy a légnyomás minél állandóbb, egyenletesebb legyen. A pneumatikus, ill. hidraulikus vezérlések blokkvázlatát a 31 ábrán rajzoltuk fel A pneumatikus és a hidraulikus rendszerben a végrehajtó szervek feladatát elsősorban munkahengerek, ill. pneumatikus, vagy hidraulikus motorok látják el A tápegységekben Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.1 Érzékelők Vezérlő Energiabevezetés Pneumatikus vagy hidraulikus Vezérlőszelepek, útváltók Beavatkozó szerv Munkahengerek, motorok Végrehajtó szerv 3.1 ábra A pneumatikus, vagy hidraulikus vezérlés blokkvázlata előállított energiát különböző vezérlő

szelepeken keresztül juttatjuk el a végrehajtó szervekhez. A szelepeket különböző érzékelő szervek (pozícióérzékelő reed-relék, pneumatikus jeladók) vezérlik A vezérlő szelepek tehát a pneumatikus-, ill hidraulikus rendszer beavatkozó szervei. A pneumatikus, ill. a hidraulikus rendszer között alapvető különbség van abban, hogy amíg a levegő összenyomható, a hidraulikus folyadék gyakorlatilag nem. A levegő összenyomhatósága hátrányos tulajdonság. Ebből adódóan pneumatikus rendszereknél a munkahenger adott helyzetben tartása, a mozgásban lévő elemek adott pozícióban történő megállítása nehéz feladat. Másrészt a levegő összenyomhatósága korlátozza a megengedhető mozgási sebességet is. A hidraulikus rendszerekben alkalmazott nagyobb nyomás miatt kis méretekkel is nagy az elérhető állítóerő, másrészt a hidraulikus hajtással egyszerű módon megoldható a mozgás sebességének szabályozása. További előny, hogy

a folyadék összenyomhatatlansága lehetővé teszi a kívánt pozícióba vezérelt, terhelés alatt álló rendszer helyben tartását a hajtó elemekbe bezárt munkafolyadékkal, további mechanikai rögzítő elemek nélkül. 3.12 A villamos rendszer A különböző mechatronikai rendszerekben (szelepvezérlők, aktuátorok, NC szerszámgépek, robotok, számítógépek és egyéb számítógép-vezérlésű eszközök stb.) a villamos szervóhajtások és annak végrehajtó elemei, a villamos szervomotorok jól beváltak. A szervóhajtások minőségi és egyéb jellemzői: a dinamikai tulajdonságokat befolyásoló nagy értékű M/J (nyomaték- / tehetetlenségi nyomaték) viszony; a visszacsatolásokból adódó (pozícionálási) pontosság; az egyszerű forgásirány-váltási (reverzálási) képesség; a megbízhatóság; a karbantartási igénytelenség; a kis zajszint, valamint az integráltság és a darabszám növekedése miatt csökkenő ár szólnak a villamos

rendszerek alkalmazása mellett. Érzékelők Villamos-energia bevezetés Léptetőmotor Vezérlő Teljesítményelektronikai átalakító Beavatkozó szerv Villamos (szervo)motor Végrehajtó szerv 3.2 ábra A villamos vezérlés blokkvázlata 3.2 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc ω, α A 3.2 ábra egy villamos vezérlés blokkvázlatát mutatja A vezérlés nyílt hatásláncú A vezérlő az érzékelőkről begyűjtött információk és egy huzalozott kapcsolás, vagy számítógépes vezérlő esetén egy EPROM-ben tárolt program alapján dönt a teljesítményelektronikai átalakítónak (beavatkozó szervnek) küldött parancsokról. A teljesítményelektronikai átalakító kimenete vezérli a villamos (szervo) motort. Ha például egy α pozícióba akarunk beállni, akkor erre a célra egy léptetőmotor megfelelő. A léptetőmotort ugyanis a gyártó által megadott határok között üzemeltetve a forgórész szögelfordulása a

léptető impulzusok számával arányos. A vezérlő egységnek azonban nincs visszajelzése az aktuális pozícióról Váratlan esemény esetén (pl. ha egy megszorulás miatt a terhelőnyomaték nem várt értékben megnövekszik) a léptetőmotor lépést téveszt, nem a kívánt pozícióba áll be. Feltételezve, hogy ez a léptetőmotor egy NC vezérlésű eszterga előtolását vezérli, a lépéstévesztés következményeként a hajtás elrontja a munkadarabot. Második esetként gondoljuk végig, hogy mi történik akkor, ha a léptetőmotor egy számítógép hajlékony-, vagy merevlemezes tárolójának a fejmozgató motorja. A 3.3 ábrán egy villamos szabályozás blokkvázlata látható Figyeljük meg, hogy most a villamos szervomotor érzékelt jelei (az i áram, és általában az ω szögsebesség valamint az α pozíció) mint ellenőrző jelek vissza vannak csatolva a szabályozóba. A visszacsatolások száma adja a szabályozási hurkok számát. A rendszer

tartalmaz egy parancsadót (alapjel képzőt), amely a szabályozni kívánt értéknek megfelelő nagyságú jelet állít elő. A szabályozó értékítéletet alkotó szerve (a különbségképző) a kívánt alapjelet és az ellenőrző jelet hasonlítja össze egymással. Tartalmaz továbbá egy szabályozó erősítőt, amely a megfelelő jelszintre növelésen kívül gondoskodik a szabályozási kör gyors és lehetőleg lengésmentes működéséről, valamint a szabályozási hibák minél kisebb értékre csökkentéséről. A szabályozási feladatokat az áramhurkot kivéve ma már általában egy mikroszámítógép látja el, vagyis a szabályozás digitális. A szabályozó kimeneti jele a végrehajtó szerv (egy teljesítményelektronikai átalakító) bemeneti jele. A beavatkozó szerv alakítja át a szabályozó erősítő kimeneti jelét a motor meghajtására alkalmas teljesítményű és formájú jellé. A meghajtáshoz szükséges teljesítményt tehát be

kell, és át kell vezetni ezen a szerven. A motort működtető tipikus teljesítményelektronikai átalakítók a következők: hálózatvezetett áramirányítók, tranzisztoros- és tirisztoros inverterek; szaggatók. Kijelzések Egyéb érzékelők Alapjel képző Ellenőrző jelek Szabályozó α ω i Villamos-energia bevezetés Végrehajtó szerv Teljesítményelektronikai átalakító Villamos (szervo)motor i Beavatkozó szerv ω α ω, α Érzékelők Visszacsatolások 3.3 ábra A villamos szabályozás blokkvázlata Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.3 Parancsadó vezérlőszerv Vezérlőjelek Erősítő és jelformáló szerv xr Ellenőrző jelek Végrehajtó szerv Beavatkozó szerv xb xv xz Vezérelt jellemző Zavaró jellemző k Módosított jellemző Beavatkozó jel Végrehajtó jel Rendelkező jel A visszacsatolt szabályozó rendszerekben leggyakrabban használt végrehajtó szervek az egyenáramú

szervomotorok, elektronikus kommutációjú motorok, frekvenciaváltóról táplált aszinkron motorok. Vezérelt berendezés x xm Érzékelő szervek VEZÉRELT BERENDEZÉS VEZÉRLŐBERENDEZÉS 3.3 ábra A vezérlési vonal blokkvázlata, szervei és jelei Alapjelképző szerv Különbségképző szerv xa xe Erősítő és jelformáló szerv xr Ellenőrző jel Végrehajtó szerv Beavatkozó szerv xv xe Érzékelő szerv xb 3.5 ábra A szabályozási kör blokkvázlata, szervei és jelei Összeállította: Dr. Nagy Lóránt Szabályozott szakasz Szabályozott jellemző Zavaró jellemzők xz xs xm xs SZABÁLYOZÓBERENDEZÉS 3.4 Módosított jellemző Beavatkozó jel Végrehajtó jel Rendelkező jel Alapjel Alapérték A szabályozás kört a vezérlési lánccal összehasonlítva: ha egy pozíciószabályozásnál egy megszorulás (pl. a vezérlésnél már említett nyomatékigény-növekedés) lép fel, akkor a szabályozás a rendszerre még

megengedhető korlátok között megnöveli a motor áramát mindaddig, amíg a kívánt pozíciót eléri. A vezérléssel szemben a szabályozás tehát megkísérli a váratlan esemény hatásának kiküszöbölését. A 3.3 ábrán egy vezérlés-, a 35 ábrán pedig egy szabályozás funkcionális blokkvázlatát részletesebben is felrajzoltuk Az ábrákon megfigyelhetők a vezérlések , ill szabályozások „szerkezetei egységei” vagyis szervei, valamint az egyes elemek elhelyezkedése, egymáshoz kapcsolódása Mint az az 33 és a 35 ábrák alapján látszik, a vezérlések, ill a szabályozások több szerve azonos szerepet lát el A közösen megtalálható szervek: az érzékelő-, az erősítő és jelformáló- (a szabályozások esetén a vezérléstől eltérő funkciója miatt szabályozó erősítőnek is szokták nevezni), a végrehajtó-, a beavatkozó szerv. A szervek az ábrákon feltüntetett jelekkel (ill. a berendezésekben jellemzőkkel) kapcsolódnak

egymáshoz autvg MA szervo.doc SZABÁLYOZOTT BERENDEZÉS A vezérlések, ill. a szabályozások esetén az értékítéletet alkotó elemek (a vezérlésekben a parancsadó vezérlőszerv, a szabályozásokban a különbségképző szerv) szerepe eltérő: a vezérlések esetén a parancsadó az érzékelőkön keresztül meggyőződik a vezérelt berendezés, és a vezérlő jelek állapotáról, és azok állapotkombinációja, valamint bekövetkezési sorrendje (tehát nem a vezérelt jellemző állapota) alapján, logikai úton dönt. A vezérlés a vezérelt jellemzőre nézve tehát nyitott, ezért vezérlési vonalnak is szokták nevezni. Villamos rendszernél a döntést érintkezős-, ill. elektronikus logikai áramkörök, vagy − a memóriájukban tárolt információk alapján − számítógépek végzik A szabályozások esetén ezzel szemben az értékítéletet végző különbségképző szervben összehasonlításra kerül egymással az alapjelképzővel

előállított alapjel és a szabályozott jellemzővel arányos, a szabályozott berendezésből visszacsatolt ellenőrző jel. A visszacsatolással tehát a szabályozott jellemzőre nézve zárt szabályozási hurok alakul ki. 3.2 Beavatkozó és végrehajtó szervek feladatai és felosztása A végrehajtó és beavatkozó szervek feladata a szabályozó-, vagy teljesítményerősítő által kiadott Xv parancs végrehajtása. Ennek teljesítéséhez a kívánt teljesítményszintű Xb beavatkozó jelet, vagy Xm módosított jellemzőt kell előállítaniuk. A fő feladatok tehát egy beavatkozásra alkalmas jellemző (pl. elmozdulás, gyújtásszög, átkapcsolási helyzet stb) és a beavatkozáshoz elegendő teljesítményszint előállítása (kihasználva pl. a mechanikus-, ill félvezető kapcsolók teljesítményerősítését). Minden esetben végrehajtó szervet alkalmazunk akkor, ha a végrehajtó jel és a módosított jellemző nem azonos fizikai mennyiség. Legyen

például a szabályozott jellemző egy szoba hőmérséklete, amelyet egy radiátorszelep, mint beavatkozó szerv nyitásával és zárásával (módosított jellemzővel) befolyásolunk. A radiátorszelepet egy végrehajtó szerv (villamos szervomotor) mozgatja, amely a szabályozó erősítő villamos jelét mechanikai elmozdulássá alakítja át. Működési módjuk alapján szakaszos és folytonos működésű beavatkozó szervek különböztethetők meg. A vezérléstechnikában alkalmazott végrehajtó szervek általában szakaszos működésűek, legtöbbször kétállásúak. Kétállású beavatkozó szervek pl a mágneskapcsolók, ill. a relék (mivel csak ki- és bekapcsolt állapotuk lehetséges) A szabályozástechnikában folytonos működésű beavatkozó szerveket alkalmazunk. Ezek jellemzője, hogy a két véghelyzet között tetszőleges közbenső helyzetet is elfoglalhatnak. Ilyen pl a előző példában említett radiátorszelep 3.3 Mágneskapcsolók és relék A

mágneskapcsolók és relék elektromechanikus szerkezetek. Mozgórészüket a gerjesztőtekercse(ke)n átfolyó áram hatására kialakuló mágneses erőhatás rugóerő ellenében mozdítja el Az alaphelyzetbe visszaállítást rúgó végzi Az álló- és mozgórészhez rögzített, tőlük elszigetelt érintkezők végzik az áramkör zárását, vagy nyitását. 3.31 Mágneskapcsolók A mágneskapcsolóknak általában egy gerjesztőtekercsük, egy vagy több főérintkezőjük, valamint néhány – a segédáramköröket működtető – segédérintkezőjük van. A gerjesztőtekercs méretezésétől függően egyenáramról, vagy váltakozóáramról működtethetők (a két Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.5 esetben a menetszám nem azonos, tehát áttérés esetén a tekercset cserélni kell!). A főérintkezők feladata a nagyáramú terhelőkör nyitása-, vagy zárása. A főérintkezőket az áramnem (váltakozó áramú, vagy

egyenáramú), a névleges feszültség, a névleges áram, az alkalmazási csoport (AC1AC23, ill. DC1DC23), az időegység alatt megengedhető kapcsolások száma, a garantált villamos- és mechanikus élettartam, az induktív terhelés megengedett mértéke, valamint a fő- és segédérintkezők száma szerint csoportosíthatjuk A főérintkezők száma függ az áramnemtől. Az egyenáramú mágneskapcsolók egy- vagy két, míg a váltakozó áramúak három főérintkezőpárral készülnek. Az áramnem közötti különbségek, valamint az induktív terhelés megengedett mértéke a kikapcsoláskor rendszerint kialakuló ív oltásának problémáival függenek össze. A váltakozó áramú ív oltása mindig könnyebb feladat mint az egyenáramúé, mert az ív minden félperiódusban kialszik és csak az újragyulladását kell megakadályozni. Ez utóbbit befolyásolja a teljesítménytényező (pl tiszta induktív terhelés esetén a 90°-os fázistolás miatt az ív árama

akkor csökken zérusra amikor a feszültség éppen maximális értékű, vagyis a visszagyújtás miatt legkedvezőtlenebb). Az egyenáramú ívet csak az ívfeszültség tápfeszültség fölé emelésével (az ív 3.1 táblázat Mágneskapcsolók kapcsolóképességei az alkalmazási csoportok szerint I kapcsolt áram; Ie névleges áram; U bekapcsolás előtti feszültség; Ue névleges feszültség 3.6 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc darabolásásával, hűtésével, elfúvásával) lehet eloltani, ezért általában az egyenáramú mágneskapcsolók tartozéka valamilyen ívoltó szerkezet. A viszonyok egyértelművé tétele, valamint kapcsolók kiválasztásának megkönnyítése érdekében a mágneskapcsolókat alkalmazási csoportokba sorolják, amelyek közül a legfontosabbak főbb jellemzőit a 3.1 táblázatban foglaltuk össze. A mágneskapcsolók névleges árama az érintkezők geometriai méreteitől és az alkalmazott

érintkező-nyomástól, feszültsége az érintkezők között nyitott állapotban mérhető távolságtól függ. A megengedhető értékeket katalógusadatok tartalmazzák A mágneskapcsolókra megadott mechanikai élettartam a villamos terhelés nélkül garantált kapcsolási játékok (egy be- és kikapcsolás) száma. A mechanikus élettartam 106107 nagyságrendű. A villamos élettartamot befolyásolják az érintkező melegedése és fogyása. A gyártók ezekkel összefüggően általánosan korlátozni szokták az óránkénti, vagy a rövid időre megengedhető kapcsolások számát. (A megengedett érték függ az alkalmazási csoporttól is: pl. ha az AC1 módban megengedett érték 1000, akkor ez az érték AC4-nél már csak 250.) 3.32 Relék A reléknek egy vagy több gerjesztőtekercsük és több, általában kis terhelhetőségű érintkezőjük van. A reléket érintkezőik fajtája, vagy alkalmazásuk szerint csoportosíthatjuk Az érintkezők fajtája szerint

megkülönböztetünk: − Nyitó-, vagy nyugalmi áramú érintkező: az érintkező a relé nyugalmi (a gerjesztőtekercs áram nélküli) állapotában zárt; − Záró-, vagy munkaáramú érintkező: az érintkező a relé nyugalmi állapotában nyitott; − Váltó érintkező: a mozgó érintkező nyugalmi állapotban az egyik, gerjesztett állapotban a másik érintkezővel létesít kontaktust; − Késleltetve nyitó-, vagy záró: a mozgó rész elmozdulása közben késleltetve nyit, vagy zár. Az alkalmazás szerint megkülönböztetünk: − Jelösszegző: több, egymástól független gerjesztő tekerccsel rendelkezik. Csak akkor húz be, ha a tekercsek gerjesztésösszege eléri a megszólalási értéket; − Erősítő: a relé gerjesztési teljesítménye lényegesen kisebb, mint az érintkezői által kapcsolható teljesítmény. Az ilyen relék általában sok érintkezővel bírnak; − Érintkező-sokszorozó: akkor alkalmazzuk, ha egy időpillanatban több,

egymással galvanikusan kapcsolatba nem hozható helyen kívánunk beavatkozni; − Jeltároló: a gerjesztés megszűnésekor megőrzi megelőző állapotát; − Időrelé: elektromechanikusan (pl. szinkron motorral forgatott óraszerkezettel) vagy elektronikus úton méri az időt, és a beállítható érték elérésekor kapcsol ki, vagy be; − A különleges relék speciális célra kifejlesztettek A relék közé sorolható segédkapcsolók a mágneskapcsolókhoz állnak legközelebb. Különbség azonban, hogy összes érintkezőjük azonos terhelhetőségű és nyitó-, záró- vagy váltó érintkezőkkel rendelkeznek, amelyek közül néhány késleltetett nyitású vagy zárású is lehet. A segédkapcsolók fő feladata a mágneskapcsolók gerjesztő tekercsének kapcsolása és segédérintkezőik felhasználásával különböző logikai műveletek (pl. az öntartás) megvaló- Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.7 sítása. Névleges

feszültségük a mágneskapcsoló feszültségével azonos értékű A technika fejlődésével a relék mérete egyre csökken. A vezérlő-, szabályozó és elektronikai alkalmazásokban történő felhasználásra fejlesztették ki a nyomtatott áramköri lapra ültethető kártyareléket és reed-csöves reléket. 3.3 Fékek és féklazítók A technológiai folyamat igényei szerint forgatott mechanikai rendszer mozgási energiával rendelkezik, amelynek nagysága arányos a rendszer J tehetetlenségi nyomatéká1 val valamint a forgatás ω szögsebességének négyzetével: W = ⋅ J ⋅ ω 2 . A meghajtó motor 2 kikapcsolásakor a rendszert csak a súrlódási nyomatékok lassítják, ezért csak viszonylag hosszú idő alatt lassul le. (Ezt nevezik szabad kifutásnak) Ha ez nem engedhető meg, a lassításra féket kell alkalmaznunk. Fékek alkalmazását biztonságtechnikai okok is szükségessé teszik. Tételezzük fel például, hogy egy darumotor segítségével terhet

emelünk és valamilyen okból megszűnik a motor táplálását biztosító hálózati feszültség, és ezzel együtt a motor nyomatéka is. Ha ilyen esetben a biztonsági fék nem lép működésbe, akkor a terhet a nehézségi erő megengedhetetlen sebességig gyorsíthatná. Ráadásul a fékezés megindítását nem bízhatjuk a darukezelőre, mert az esetleges kései reakció balesetekhez vezethetne. Hasonló problémák adódnak teherés személyszállító liftek üzemeltetésénél és egyéb helyeken is A biztonsági okok tették szükségessé a munkaáramú fékezés mellett az ún. féklazító üzemmód használatát. A két üzemmód lényegét egy fékmotor alapján hasonlítjuk össze A fékmotor egy elektromágnesesen működtetett fékkel egybeépített villamos motor. A 36a ábrán felrajzolt munkaáramú fékezés esetén alaphelyzetben egy rúgó a fékbetéttel ellátott, motortengellyel együtt forgó fékezőjármot ellöki a gerjesztetlen elektromágnest

tartalmazó, álló fékezőtárcsától. Ha a tekercset gerjesztjük, az elektromágnes a jármot a rúgóerő ellenében magához húzza, vagyis a motor lefékeződik. Ezzel szemben a 36b ábrán felrajzolt féklazító üzemmód lényege, hogy nyugalmi állapotban a mechanikus, súrlódáson alapuló fék Fékbetét Áll Állórész Forog Elmozduló járom Fékbetét Áll Forgórész Forgórész Rúgó Rúgó Elmozduló járom Állórész Tekercs Motor a) Tekercs Forog Légrés Motor b) 3.6 ábra Fékmotorok elvi felépítése a) munkaáramú fékezés b) féklazító üzemmód 3.8 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc befékezett állapotban van, a fékpofák szorításához szükséges erőt rugóerő biztosítja. Most a fékezés csak akkor szűnik meg, ha az elektromágnest gerjesztjük. Ez nyilván csak akkor történhet meg, ha a meghajtó motor már kellő nyomatékkal rendelkezik. Ezért féklazítót a hajtás forgatómotorjával

összehangoltan, legtöbbször a motorral azonos tápforrásról működtetik. Ha valamilyen ok miatt megszűnik a motor nyomatéka (az egyik nyilvánvaló ok a tápfeszültség megszűnése) a féklazítás is megszűnik és így a rendszer automatikusan befékeződik. 3.5 Szervomotorok és szervorendszerek Ebben pontban az egyik villamosmotorok egyik legfontosabb szerepkörét: a szervomotor-üzemet és a legelterjedtebb szervomotorok jellemzőit fogjuk tanulmányozni. 3.51Villamos hajtások szabályozásának általános kérdései A szervomotorok csaknem minden esetben valamilyen szabályozott hajtás végrehajtó szervei. A leggyakoribb szabályozott jellemzők: az áram, a nyomaték, a fordulatszám (szögsebesség), valamint a pozíció Ezért mielőtt egyes motorok tanulmányozását megkezdenénk, összefoglaljuk szervomotoros hajtások szabályozásával kapcsolatos legfontosabb alapfogalmakat. 3.511 A szervomotoros hajtások időállandói Ha a terhelőnyomaték

változásának zavaró hatásától eltekintünk, akkor a szervomotoros hajtások nem állandósult (átmeneti, vagy más szóval tranziens) állapotban kéttárolós tagnak tekinthetők. A motorok egyik energiatárolója az armatúraköri induktivitás (az 1 armatúratekercsben tárolt mágneses energia W = ⋅ La ⋅ I a2 ), amelynek megfeleltetett 2 L időállandó az ohmos-induktív jellegű armatúrakör Tv = a értékű villamos időállandója Ra (az armatúrakörre kapcsolt feszültségugrás hatására létrejövő árambeállás időállandója). Ha a motor szögsebességének változását vizsgáljuk, a másik energiatároló a forgó részek J tehetetlenségi nyomatéka (az ω szögsebességgel forgó, J tehetetlenségi nyomatékú mechanikai rendszerben tárolt mechanikai energia: 1 ω W = ⋅ J ⋅ ω 2 ). Az armatúrakörre kapcsolt feszültTm< 4 Tv 2 ségugrás hatására létrejövő szögsebesség-változásnak AM megfeleltetett időállandó, a továbbiakban

Tm-el jelölt, ún. elektromechanikai időállandó Tm >> Tv A két időállandóból adódóan az új helyzetre történő beállás (az átmeneti függvény) lengéses, vagy Tm > 4 Tv lengés nélküli (aperiodikus) lehet (3.7 ábra) A szabályozásokban törekedni kell a lengések elkerülésére, t amihez teljesülnie kell a Tm ≥ 4 ⋅ Tv feltételnek. Ezen 3.7 ábra Egyenáramú szervomotor átmeneti függvényei túlmenően a gyors beállás feltétele a lehető legkisebb Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.9 villamos és elektromechanikai időállandó. Általánosan elmondható, hogy az előbb vázolt követelményeket szervomotoroknál úgy elégítik ki, hogy a Tm ⋅ Tv szorzat minimalizálására törekednek. 3.512 A szabályozott villamos hajtások általános felépítése A jelenleg alkalmazott legtöbb szabályozott hajtás ún. alárendelési elv alapján készül. Ennek az elvnek az a lényege, hogy a szabályozott rendszer

több szabályozó hurokra oszlik, melyeket alárendelnek egymásnak. A rendszernek több lényeges előnye van: a szabályozott hurkok stabilitása a hurok bemenetén levő szabályozóval viszonylag könnyen biztosítható, maguk a szabályozók azonos és állítható P (arányos-), I (integráló-) és a zajok kiemelése miatt ritkábban alkalmazott D (differenciáló) elemekből állnak, amelyek könnyen egységesíthetők bármilyen szabályozókra és ezért tipizálhatók. A szabályozó elemek karbantartása egyszerű, és a meghibásodott elemek cseréje sem ütközik akadályokba. Ezt az általánosan elterjedt, és a (szervo)hajtásokban gyakran alkalmazott szabályozási struktúrát a 3.8 ábrán mutatjuk be. Az alárendelési (kaszkád) elven működő szabályozás mindig tartalmaz egy legbelső áramszabályozó hurkot, amely alá van rendelve (jelen esetben) a fordulatszám-szabályozó huroknak. Amíg a szögsebesség hibajel elég nagy ahhoz, hogy a

szögsebesség-szabályozó telítésbe kerüljön, addig az áram alapjel állandó és a maximálisan megengedett értékű (áramkorlát). A hajtott motor tehát állandó, maximális árammal üzemel pl. indítás, fékezés, terhelésfelvétel közben, vagyis a változás ideje a lehető legrövidebb lehet. Az így kialakított áramszabályozás előnye más áramkorlátozási eljárásokkal szemben az, hogy a rendszer azonnal, és nagyon érzékenyen reagál a legkisebb árameltérésre is (pl. különböző meghibásodások esetén). POZÍCIÓ-SZABÁLYOZÓ FORDULATSZÁM-SZABÁLYOZÁSNAK ALÁRENDELT ÁRAMSZABÁLYOZÁS MOTOR és az ÉRZÉKELŐK ISZM Fordulatszám moduláció ISZM Áram- korlát (szögsebesség) teljesítményÁram Pozícó szabályozó ik szabályozó erősítő érzékelő Előírt szabályozóωk pozíció ia ωa M γa PI PI P Főáramkör ωe ie γe ie Szervomotor Áram visszacsatolás ω e Szögsebesség -visszacsatolás Analóg γ e tachogeneráto

Forgórész pozíció-visszacsatolás Pozícióadó (pl. inkrementális jeladó) 3.8 ábra Az alárendelési elven működő háromhurkos szabályozó blokkvázlata Végül (de nem mindig) a szabályozó tartalmazhat egy pozíciószabályozó hurkot, amelynek a fordulatszám-szabályozó hurok alá van rendelve. A pozíciószabályozó 3.10 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc hurok állítja elő a fordulatszám-szabályozó hurok alapjelét. Három szabályozó huroknál többet általában nem használnak. A szabályozási hurkok közül az áramszabályozó huroknak kell lennie a leggyorsabbnak, ezért jelenleg ezt a hurkot legtöbbször még analóg szabályozókkal oldják meg. Az áramszabályozó jóságának egyik meghatározó eleme az áramérzékelő Áramérzékelőként nagyon gyakran Hall-szondás érzékelőket használnak (egy áramváltó gerjesztésegyensúlyát egy Hall-szonda segítségével szabályozzák); az érzékelő az egyen

komponens mérésétől egészen 10.50 kHz-ig használható Az érzékelt jelet összehasonlítjuk az áram alapjellel, és a hibajel kerül az áramszabályozó bemenetére. Az áramszabályozó Y i átviteli függvényét úgy kell megválasztani, hogy minimális legyen a szabályozott i áram és az i a áram-alapjel közötti eltérés. Ez a szokásos T v villamos időállandójú motorokat feltételezve olyan PI típusú szabályozóval oldható meg, amelynél az integrálási időállandó 1.5 ms (szervohajtásokhoz tartozik a kisebb érték), vagyis a zárt áramszabályozó hurok átviteli függvényének törésponti frekvenciája kb. 1 kHz Az áramszabályozó kimenete a feszültség-alapjel, amelyet háromszögjellel komparálunk, majd formálunk az ISZM előállításához. A formált jelek a teljesítménytranzisztorok meghajtó és védelmi áramköreinek bemeneti jelei A helyesen beállított áramszabályozó hurok a külső fordulatszám-szabályozó hurok számára

egytárolós tagnak számít T I = 1.5 ms időállandóval A fordulatszámszabályozás blokkvázlatát a 39 ábrán rajzoltuk fel A fordulatszám-szabályozókban leggyakrabban szintén PI típusú szabályozókat alkalmaznak. Az erősítés mértékét és az integrálás meredekségét az alkalmazás igényei határozzák meg. Szögsebesség- Áramszabályozó szabályozó ωa ωe - PI ia 1 1 +s. TI i mt c.Φ m - 1 J.s ω 1 s α Szögsebesség-visszacsatolás 3.9 ábra A fordulatszám(szögsebesség)-szabályozás blokkvázlata Nagyobb erősítéshez nagyobb sávszélesség és gyorsabb működés tartozik, de a fázistartalék csökkenése miatt növekszik a hajtás lengéshajlama. Az integrálási erősítés növelése csökkenti a szögsebesség-hibát állandósult állapotban. A beállításnál mindenképpen el kell kerülni a lengésekkel történő beállást A fordulatszám- és a leglassúbb pozíciószabályozási hurkokban már ma is igen nagy számban

alkalmaznak mikroszámítógépeket, vagyis digitális úton megvalósított P és I szabályozókat. Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.11 ω ωs Rosszul beállított ω Ideális ωs Jól beállított Jól beállított Rosszul beállított t t a) b) 3.10 ábra Szögsebesség időfüggvények a) alapjel ugratás-; b) terhelés ugratás esetén A beállítást fordulatszám alapjel-ugratással (3.10a ábra) és terhelésugratással (b ábra) vizsgálhatjuk, az ábra bemutatja a helyesen és a rosszul beállított fordulatszámszabályozó esetén kapott szögsebesség válaszfüggvényeket. SzögsebességPozíciószabályozó szabályozó ωa αa αe - P 1 1 +s. TI ω 1 s Aktuális pozíció α Pozíció-visszacsatolás 3.11 ábra A pozíció-szabályozás blokkvázlata A pozíciószabályozás lehet követő, ill. pontról-pontra pozicionálás A követő szabályozásnál igény, hogy az aktuális pozíció előre megjósolhatóan

kövesse az előírtat, és kiküszöbölje a terhelésváltozások hatását. A pontról-pontra pozícionálásnál általában nem előírt az a mód, ahogy a hajtás beáll a kívánt pozícióba, de követelmény a legrövidebb beállási idő, és sebességváltoztatási időfüggvény A szabályozási módszertől függetlenül a pozíciószabályozási hurok szokásos blokkvázlata a 3.11 ábrán látható Ebben a fordulatszám-szabályozó hurkot egységnyi erősítésű, egytárolós taggal közelítettük. A pozíció-szabályzó általában egyszerű arányos szabályozó, a felnyitott hurok amplitúdó jelleggörbéje 23 Hz frekvenciánál metszi a szögsebesség tengelyt. 3.513 A szervomotorokkal szemben támasztott követelmények A villamos szervomotorok olyan villamos gépek, amelyeknél a jó szabályozási tulajdonságokat az igényeknek megfelelő szerkezeti megoldásokkal érik el. A szervomotorok bemenő jele a motorra kapcsolt feszültség, vagy áram, kimenő

jele pedig szögelfordulás, vagy mechanikai szögsebesség. 3.12 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc A szervomotorokkal szemben támasztott követelmények: − a motor a szögelfordulást, vagy az új szögsebességre való beállást minél gyorsabban hajtsa végre. Ehhez az szükséges, hogy a motor időállandói (Tv és Tm) kicsik legyenek; − a fordulatszámmal arányos szögsebesség széles tartományban legyen változtatható (az nmax/nmin arány, az ún. átfogás szervomotoroknál szokásos értéke: 1001000, szemben a hagyományos gépekkel, ahol ez az érték 10100); − a motor nagy indító-, és fékezőnyomatékkal rendelkezzen (egy szervomotornál az Imax/In, vagy az ezzel arányos Mmax/Mn arány értéke 310 szemben egy hagyományos géppel, ahol ez az arány 1,53); − a motor ω (M ) jelleggörbéje lehetőleg lineáris legyen; − a forgásirányváltás egyszerűen legyen megoldható; − vezérlő feszültség nélkül a motor

álljon le. A szervomotornál az előbb felsorolt igények teljesítése a fő cél − vagyis nem az elektromechanikus átalakítás −, ezért a szervomotorok hatásfoka gyakran roszszabb, mint a hagyományos villamos gépeknél megszokott érték. 3.52 Egyenáramú szervomotorok 3.521 Az egyenáramú (szervo)motor tranziens üzemre érvényes helyettesítő vázlata és feszültségegyenlete Egyenáramú (szervo)motoros hajtásokban a fordulatszám-, vagy a pozíciószabályozó változó kapocsfeszültséggel táplálja a motort. Az átmeneti jelenségek miatt ezekben esetekben a helyettesítő vázlatban már nem hanyagolhatjuk el az egyenáramú gép armatúraköri induktivitását (3.12 ábra) ω(t) R L mt(t) m(t) ui(t) Φ = áll. 3.12 ábra Egyenáramú szervomotor helyettesítő vázlata Vizsgálatainkat az ilyen hajtásokban gyakori, terheléstől független fluxusú (állandómágneses gerjesztésű-, ill. kompenzált egyenáramú) gépekre végezzük Az armatúrakör

feszültségegyenlete az armatúrára U nagyságú feszültségugrást kapcsolva (R az armatúrakör ohmos ellenállása, L pedig az induktivitása): U = ui (t ) + ia (t ) ⋅ R + L ⋅ Összeállította: Dr. Nagy Lóránt d ia (t ) . dt autvg MA szervo.doc (3.1) 3.13 Az indukált feszültséget beírva: U = c ⋅ Φ ⋅ ω (t ) + ia (t ) ⋅ R + L ⋅ d ia (t ) , dt (3.2) 1 z⋅ p a gép tekercselésétől függő állandó. ⋅ 2π a A c gépállandóval a motornyomaték m(t) időfüggvénye: ahol c = m (t ) = c ⋅ Φ ⋅ ia (t ) = k M ⋅ ia (t ) , (3.3) ahol k M = c ⋅ Φ a gép nyomaték-állandója. Az egyenáramú szervomotor mozgásegyenlete és annak megoldása A motornyomaték a terhelőnyomatékra és a rendszer gyorsítására fordítódik: m (t ) = c ⋅ Φ ⋅ ia (t ) = k M ⋅ ia (t ) = mt (t ) + md (t ) = mt (t ) + J ⋅ dω , dt (3.4) ahol J a rendszer tehetetlenségi nyomatéka, md az ún. dinamikai nyomaték A minőségi vizsgálat és

egyszerűség kedvéért tételezzük fel továbbá, hogy a teljes nyomaték a gyorsításra fordítódik, vagyis mt (t) = 0. Ekkor (33)-ból a motorJ dω áram: ia (t ) = , amit behelyettesítve (3.2)-be: ⋅ c ⋅Φ d t U = c ⋅ Φ ⋅ ω (t ) + J ⋅ R d ω (t ) J d 2 ω (t ) . ⋅ + L⋅ ⋅ c ⋅Φ dt c ⋅Φ dt (3.5) Ezt az egyenletet c⋅ Φ -vel végigosztva: J ⋅ R L d 2 ω (t ) J ⋅ R d ω (t ) U ⋅ ⋅ + 2 ⋅ + ω (t ) = = ωs . 2 2 2 2 dt c ⋅Φ c ⋅Φ R d t c ⋅Φ (3.6) ahol ω s az U kapocsfeszültséghez tartozó üresjárási fordulatszám. (36)-ban az L R J ⋅R hányados pedig a rendszer T m c2 ⋅Φ 2 elektromechanikai időállandója. Az időállandókkal a (36) egyenlet: hányados az armatúrakör T v villamos-, a d 2 ω (t ) d ω (t ) U Tm ⋅ Tv ⋅ + Tm ⋅ + ω (t ) = = ωs . 2 dt dt c ⋅Φ (3.7) A (3.7) egyenlet Laplace-transzformált alakja (s-el jelölve a Laplace operátort): s 2 ⋅ Tm ⋅ Tv ⋅ ω ( s ) + s ⋅ Tm ⋅ ω ( s ) + ω (

s ) = ωs . s (3.8)-ból kifejezve a szögsebesség Laplace-transzformáltját: 3.14 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc (3.8) ω (s) = ωs 1 , ⋅ 2 s s ⋅ Tm ⋅ T v + s ⋅ Tm + 1 (3.9) ami egy kéttárolós arányos tag egységugrás függvényre adott válasza. A (39) egyenlet alapján a 313 ábrán felrajzoltuk a terheléstől független fluxusú egyenáramú motor hatásvázlatát. m t( t ) U U − ui( t ) + 1 ui( t ) − ia( t ) R b.(1 + s⋅ Tv) c⋅ Φ −m ( ) m ( t) d t + 1 ω ( t) s⋅ J c⋅ Φ 3.13 ábra Állandó fluxusú egyenáramú motor hatásvázlata Első közelítésként azt mondhatjuk, hogy az armatúrakör villamos időállandója 0,02.0,15 s között változik (ahol a nagyobb érték vonatkozik a nagyobb teljesítményű gépekre Mint már említettük, az állandómágnesek felhasználásával nagyobb M /J viszony érhető el, ami előnyös tranziens üzemben működő szervomotorok építése esetén.

(3.9)-et visszatranszformálva az időtartományba:  α2 α1 α ⋅t  ω (t ) =ω s ⋅ 1 + ⋅ e α 1⋅t − ⋅ e 2  . α1 − α 2  α1 − α 2  (3.11) ahol α1, α 2 az s 2 ⋅ Tm ⋅ Tv ⋅ ω ( s ) + s ⋅ Tm ⋅ ω ( s ) + ω ( s ) = 0 karakterisztikus az egyenlet ω i gyökei: Tm − Tm ± Tm2 − 4 ⋅ Tm ⋅ Tv α1, 2 = . 2 ⋅ Tm ⋅ Tv ωs ω (t ) (3.12) Ha a négyzetgyök alatti rész negatív ( Tm < 4 ⋅ Tv ), a beállás lengő, egyébként i (t ) t 3.13 ábra Szervomotor időfüggvényei aperiodikus beálláskor aperiodikus. Szervomotoroknál csak a lengésmentes beállás elfogadható, ennek feltétele, hogy: Tm ≥ 4 ⋅ Tv . (3.13) legyen. Aperiodikus beállás esetén az ω (t ) és az ia (t ) időfüggvényeket a 313 ábrán rajzoltuk fel. Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.15 3.522 Egyenáramú szervomotorok szerkezeti kialakításai Szervomotoroknál a Tm ≥ 4 ⋅ Tv feltétel betartása

mellett arra kell törekednünk, hogy a két időállandó értéke a lehető legkisebb legyen. Ezért a Tm ⋅ Tv szorzatot együtt kell minimalizálni. (36) és (37) definícióit felhasználva a szorzat: Λ⋅N2 J ⋅R L J ⋅R J ⋅Λ , Tm ⋅ T v = 2 ⋅ = ⋅ = 2 2 2 2 2 R c ⋅Φ R k ⋅ N ⋅Φ k ⋅Φ 2 (3.14) 1 z⋅ p = c N ⋅ N arányos az armatúra tekercselés menetszámával, Λ az ar2π a matúra-vezetőkkel kapcsolódó tér mágneses vezetőképessége. (3.14) alapján a szervomotorok gyors működésének feltételei: ahol c = Állandómágnesek Kommutátor Hornyolt, huzaltekercses forgórész 3.15 ábra Hornyolt forgórészű, állandómágnes gerjesztésű szervomotor nagy l i / D viszonnyal a) a forgórész tehetetlenségi nyomatéka legyen kicsi. Mivel J = m ⋅ r2 , a forgórész sugarát a lehető legkisebbre kell választani. Ezért a hagyományos építésű szervomotoroknál a teljesítményt a hossz növelésével érik el úgy, hogy az li /D ≥ 4 A

motor hosszú, csőszerű kinézetű (rúd-, vagy csőmotornak is szokták nevezni). Egy ilyen szervomotor felépítését mutatja a 3.15 ábra b) az armatúra-vezetőkkel kapcsolódó tér Λ mágneses vezetőképessége legyen kicsiny. Ezt úgy érik el, hogy az armatúra vezetőket nem ágyazzák vasba (vasmentes forgórész). Ennek a módszernek az előnyei: a villamos és az elektromechanikai időállandó egyidejű csökkentésén kívül (a forgórész tehetetlensége is csökken a tömeg miatt!) kicsi lesz a kommutáló menetek induktivitása és ezzel együtt a reaktancia-feszültség is. Így elhagyható a segédpólus, vagy a kommutáció szempontjából a névlegeshez képest lényegesen nagyobb áramok engedhetők meg. 3.16 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc Forgórész kosár Kefetartó Állandómágnesek Csapágy Tengely Kommutátor 3.16 ábra Kosárforgórészű, állandómágnes gerjesztésű szervomotor c) A hornyolás hiánya a

nyomatékot a kerület mentén még egészen kis fordulatszámoknál is rendkívül egyenletessé teszi. Sajnos a vas hiánya miatt a légrés és így a mágneses kör gerjesztésigénye is megnövekszik, a termikus időállandó pedig csökken. További probléma, hogy mivel az armatúratekercselést rögzítő műgyanta sokkal rosszabb hővezető mint a vastest, romlik a hőelvezetés és így csökken a forgórész termikus időállandója. Az elv felhasználásával többféle típusú szervomotor készül A 3.16 ábra egy ún kosárforgórészű szervomotor felépítését mutatja A 317 ábrán fényképfelvételeket láthatunk a motor egy lehetséges kiviteléről. A kosárszerűen feltekercselt armatúrát műgyantával merevítik, az állandómágnes a kosáron belül helyezkedik el. Forgórész kosár Tekercs-bekötések Keferugó spirál Kommutátor 3.17 ábra Kosárforgórészű egyenáramú szervomotor forgórésze a kefetartó pajzzsal Összeállította: Dr. Nagy

Lóránt autvg MA szervo.doc 3.17 Tárcsaforgórész (Nyomtatott áramkör) 1 D 2 É DD É 3 4 Állandó mágnes 5 Kefetartó Forgórész tárcsa 3.18 ábra A nyomtatott áramkörös forgórészű motor szerkezeti felépítése A nyomtatott áramköri tárcsa részei: 1-belső hegesztőfül; 2-belső evolvens, egyben kommutátor; 3-a vezető aktív része (tekercsoldal); 4-külső evolvens; 5-külső hegesztőfül Gyakori a szervomotorok között a forgórész tárcsaszerű kialakítása, és ezzel együtt a hasznos fluxus axiális iránya is. Két motortípus terjedt el: a nyomtatott áramkörös forgórészű tárcsamotor és a tekercselt forgórészű tárcsamotor A nyomtatott áramkörös forgórészű motoroknál az armatúravezetőket nyomtatott áramköri technikával készítik Mivel a lapon kevés a hely, mindig a nagyobb feszültséget adó hullámos tekercselést alkalmazzák és a nyomtatott áramkör sokszor többrétegű. A technológia kényes része

az oldalak kívül és belül történő összeforrasztása. A nyomtatott áramkör egyben kommutátorként is Huzeltekercselésű Műgyantaforgórész Állandó mágnes Kefe Kommutátor 3.19 ábra A huzaltekercseléses tárcsaforgórészű motor szerkezeti felépítése 3.18 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc használt. A motor szerkezeti felépítését a 318 ábra mutatja A huzaltekercseléses forgórészű tárcsamotorok szerkezeti felépítése a 3.19 ábrán látható. A gép axiális fluxusú, az armatúra tekercselemek és a mágnesek is körcikkszerűek d) a szervomotor elektromechanikai időállandóját csökkenti, ha nagy a gép fluxusa. Ilyen szempontból, és az armatúrareakció közömbösítésére is előnyös nagy koercitív erejű mágnesek alkalmazása. 3.523 Egyenáramú szervomotorok jellemző adatai A szervomotorok villamos időállandója ms, elektromechanikai időállandója pedig 10.100 ms nagyságrendű Az előző pontban

tárgyalt, különböző típusú egyenáramú szervomotorok jellemző adatait foglaltuk össze a 3.3 táblázatban 3.3 táblázat Egyenáramú szervomotorok jellemző adatai Mérték egység Hornyolt forgórészű motorok Kosár forgórészű motorok Maximális nyomaték Ncm 0,1520000 Max. fordulatszám 1/min Tengelyteljesítmény Jellemző paraméter Tárcsaforgórészű motorok NYÁK forgórész Huzaltekercses forgórész 0,02517,1 11516240 25035000 15008000 330011000 40009000 350010000 W 0,222000 0,0726 709000 15013500 Névleges nyomaték Ncm 0,02525000 0,018,5 142850 244300 Névl. fordulatszám 1/min 10006000 15006000 30004800 15006000 48,5 2,56 5,58,2 810,2 Túlterhelhetőség Forgórész inercia (J) Kgcm2 0,02.6 ⋅10 5 2 ⋅10 −5.0,06 0,373 0,45500 Villamos időállandó ms 0,810 ≈0 ≈0 ≈0 Elektromechanikai időállandó ms 330 661 315 1020 Termikus időállandó ms 6006500 2,540 50150 110900

Teljesítmény/tömeg W/kg 30100 5090 50160 90160 3.523 Egyenáramú szervomotorok fordulatszám-szabályozása A szervomotorok esetén a fordulatszám változtatása a motorra jutó kapocsfeszültség változtatásával történik. A 320 ábrán az egy-, két- és négynegyedes IGBT tranzisztoros szaggató főáramkörének kapcsolását rajzoltunk fel. A hálózati diódás egyenirányító híddal Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.19 egy közbensőköri pufferkondenzátort töltünk és a motorra jutó feszültséget szaggató kapcsolással, impulzus-szélesség modulációs (ISZM) módszerrel változtatjuk. K K Id Töltőellenállás L1 L2 L3 M Id Töltőellenállás Ui L1 L2 L3 Ud 3F2U6Ü M Ud 3F2U6Ü D1 a) K Ui b) Id Fékcsopper Töltőellenállás Rf L1 L2 L3 Ui Ud c) M 3F2U6Ü 3.20 ábra Szaggatós egyenáramú hajtás (szabályozás ISZM-el) a) egynegyedes; b) kétnegyedes; c) négynegyedes Az ISZM alapfrekvenciája

a jelenleg alkalmazott térvezérlésű- (FET) és szigetelt vezérlőelektródájú bipoláris (IGBT) tranzisztorok esetén 5.20 kHz Az armatúraáram simításához így külön simító fojtótekercs legtöbbször nem szükséges, a táplálás feszültséggenerátoros jellegű Az alkalmazott hídkapcsolás négynegyedes üzemet biztosít Fékezéskor a viszáramdiódák működnek, melyek megemelik a közbenső egyenáramú kör feszültségét (a és b ábrák). A fékezési energiát vagy ellenálláson fékcsopper segítségével disszipálják (c ábra), vagy egy másik, hálózati kommutációs áramirányító segítségével visszatáplálják a hálózatba. A 3.21 ábrán egy ISZM szaggatós egyenáramú hajtás áramszabályozó hurkának egy kicsit részletesebb felépítését rajzoltuk fel Figyeljük meg, hogy a vezérlés nem függ a forgórész helyzetétől ISZM Áram moduláció szabályozó korlát + 1 ua ia ie PI + Áramérzékelő M - ie = 1

Áram-visszacsatolás 3.21 ábra Impulzus-szélesség modulációs áramszabályozó hurok felépítése 3.20 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc Mivel több helyen fogunk hivatkozni rá, vizsgáljuk meg egy kissé részletesebben a főáramkörökben szereplő elektronikus kapcsolóelemeket és vezérlésüket! A kis- és közepes teljesítményű szervomotorok szabályozását végző ISZM áramszabályozó körökben ma már szinte kizárólagosan feszültségvezérelt (kisebb feszültségek esetén FET-, közvetlenül a hálózatról táplált főáramkörök esetén pedig a FET és a bipoláris tranzisztorok előnyös tulajdonságit kihasználó IGBT-ket használunk kapcsoló elemként. (FET: Field Effect Transistor és IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor.) A feszültségvezérlés nagy előny, mert a lassú tirisztorokhoz képest elmaradnak a drága és nagyméretű oltókörök, a bipoláris tranzisztorokhoz képest pedig a viszonylag

nagyteljesítményű meghajtó áramkörök. Kisebb feszültségeknél zajvédelmi okokból, nagyobb feszültségeknél pedig a többnyire számítógép-vezérelt teljesítményelektronika leválasztására a tranzisztorokat optocsatolókon keresztül vezéreljük úgy, ahogy azt a 3.22 ábrán felrajzolt blokkvázlat mutatja A 3.22 ábrában szaggatott vonallal jelöltük az izoláció határvonalát A szigetelési szint szokásos értéke 1500.2500 V, amit az alkatrészek elhelyezésénél, vagyis a nyomtatott áramkör tervezésénél figyelembe kell venni. Hasonló szigetelési problémák lépnek fel egy hídág vezérlésekor a hídág negatív és pozitív sínhez kapcsolódó meghajtóinak elkészítésénél. Mivel ezeket a tranzisztorokat legtöbbször egyetlen teljesítmény-modulba építik be, célszerű a meghajtókat is egyetlen nyomtatott áramköri lapon a modul közvetlen közelében, vagy magukon az elemeken elhelyezni, ügyelve az említett szigetelési Holtidő

3.22 ábra A FET, vagy IGBT meghajtó blokkvázlata Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.21 problémákra. A vezérlő jel átvitele a főáramköri oldalra és az esetleges hibajel visszajuttatása onnan az ismertetett megoldásban optocsatolókkal történik. Az ilyen célokra használt optocsatolók azonban lényegesen gyorsabbak (késleltetési idejük kisebb, mint 1 µs; átviteli sebességük 1 Mbit/s körüli érték) és lényegesen jobb közös módusú zavarvédettséggel rendelkeznek (≈10 kV/µs feszültségváltozási sebességgel szemben érzéketlenek), mint a hagyományosak. A mikroszámítógéphez illesztésre tervezett információelektronikai oldalon helyezkedik el a hibatároló, valamint az azonos hídágban elhelyezkedő tranzisztorok egymáshoz képesti késleltetését biztosító ún. holtidő (dead-time) generátor A hibatárolót (ami rendszerint egy D-tár) a processzor oldalról a hídengedélyező jellel tudjuk

meghajtás-engedélyezésre állítani, a tiltás jellel pedig törölni. Főáramköri oldalról az IGBT hibája esetén a tárolót az OCS2 optocsatolón keresztül a védelmi áramkör törli. Ez úgy történik, hogy hiba, vagy a hídág tiltása esetén a T1 tranzisztor logikai 0 állapotba húzza a közös hiba-jelvezetéket (amelyre az összes további meghajtó fel van fűzve), és így tiltja az többi meghajtó működését is. A hibát LED-dióda jelzi ki szelektíven, továbbá a hiba jelvezetékkel a processzor megszakítási rutinját is aktivizálhatjuk A dead-time generátor biztosítja, hogy azonos hídágban elhelyezkedő tranzisztorok esetén a bekapcsolni kívánt tranzisztort csak a még vezető tranzisztor kikapcsolása után bizonyos késleltetéssel (dead-time) tudjuk bekapcsolni. A holtidő értéke 13 µs, melynek kívánt értékét pl. monostabil multivibrátorral tudjuk beállítani Olyan alkalmazások esetén, amelyek nem igényelnek ilyen késleltetett

bekapcsolást (pl. a kétfázisú vezetésekkel dolgozó elektronikus kommutációjú motorok), a holtidő-generátor ki is hagyható a kapcsolásból. A főáramköri oldal az IGBT meghajtó- és védelmi áramkörből áll. Lényeges, hogy vezérlés nélkül (amikor az OCS1 LED nem sugároz) az IGBT ne kapcsolhasson be, vagyis a gate negatív feszültséget kapjon. Ezt az alaphelyzetben az R1, R2 bázisosztóval kinyitott T1 tranzisztor biztosítja, ami meghajtás-engedélyező bemenetet a negatív tápfeszültséghez húzza. A végfokozat egységnyi feszültségerősítésű, nagy áramerősítésű tényezőjű komplementer emitterkövető. Bekapcsolás-vezérlés esetén OCS1 tranzisztora kinyit, T1 lezár, így R3 a pozitív tápfeszültséghez húzza a bázisokat. Ekkor juthat szerephez a meghajtás-engedélyező bemenet (lásd a védelmi áramkört), melynek ÉS kapcsolatos vezérlésével a meghajtófeszültség csökkenthető, ill. szükség esetén a meghajtás akár

tiltható is A különböző áramú tranzisztorok meghajtói csak az RG meghajtó ellenállásban és a végfokozatban különböznek egymástól, nagyobb áramoknál további áramerősítő fokozatokat kell beiktatnunk. Az RG ellenállás értékét az IGBT és a főáramkör több, (elsősorban tranziens üzemre jellemző) paramétere befolyásolhatja. Megválasztásánál első közelítésben a katalógusértékből célszerű kiindulni. Általános szabály, hogy az ellenállás növelése növeli a be- és a kikapcsolási időket, és így a kapcsolási veszteségeket is Ugyanakkor a nagy du/dt, di/dt, az EMI problémák, és a kedvezőtlen oszcillációk kiküszöbölése érdekében az RG-t növelni célszerű. 3.22 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.23 ábra A FET, vagy IGBT szaturációs feszültségét figyelő védelmi áramkör blokkvázlata A védelmi áramkör blokkvázlatát az 3.23 ábrán rajzoltuk fel A védelem az IGBT vezetési

(szaturációs) feszültségét érzékeli Ez helyesen működő tranzisztornál 23 V közötti értékű. Bekapcsolt állapotban a vezetési feszültséget a KOMPARÁTOR1 összehasonlítja a referenciaértékkel, és hiba esetén tiltja a meghajtást. A figyelést a bekapcsolás alatt „bénítani” kell, ami egy 12 µs-ra állított multivibrátorral oldható meg Ha a hiba a bekapcsolás után is fennáll, KOMPARÁTOR2 is átbillen, és az R1-R3 feszültségosztó osztásának megfelelően kb. 8 V-ra csökkenti az UGS feszültséget (ez a névleges áram környékére korlátozza az áramot). Ha a zárlat 67 µs után is fennáll, a KOMPARÁTOR3 is átbillen, ami kikapcsolja a tranzisztort (fontos az R2/(R2+R3) osztásviszony!), és hibajelet küld az információelektronikai oldalra (letiltja a hibatárolót). A nagyfeszültségű oldal tápellátását nagyfrekvenciás transzformátorok biztosítják, amelyeket 100.500 kHz-es négyszögfeszültségről táplálunk Minden egyes

tranzisztorhoz külön oszcillátor, transzformátor és tápegység tartozik a nagyfeszültségű oldalon. A megoldás előnye a rendkívül kis csatolás az egyes meghajtók között, ami a zavarmentes üzem egyik alapfeltétele 3.53 Elektronikus kommutációjú motorok A teljesítményelektronika fejlődése lehetővé tette az egyenáramú gépek legkényesebb alkatrészének, a kommutátornak és a kefének elektronikus elemmel történő kiváltását. A mechanikus kommutáció hátrányai: − a karbantartásigény és az ebből adódó korlátozott élettartam (pl. kefekopás miatt); − a nagy teljesítményt a forgórészbe egy csúszó kontaktuson (kommutátoron és kefén) keresztül kell átvezetni; − villamos zajok keletkezése (hatás más elektronikus, pl. mikroszámítógépes berendezésekre); Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.23 − szikrák keletkezése (pl. robbanásveszélyes környezet); − a kommutációból adódó

terhelhetőségi korlátok (szeletfeszültség, ill. reaktancia feszültség); 3.531 A mechanikus kommutációból adódó terhelhetőségi határok n n max n* 3,0 nr 2,0 Mezőgyengítés: Pm mechanikai teljesítmény állandó 1,0 n sz ~nn Φn, M n A fluxus, és a névl. nyomaték állandó M* M 1,0 M n 3.23 ábra Egyenáramú, mechanikus kommutátorú motorok terhelhetőségi határai Φ =Φn ⋅ Mint előző tanulmányainkból ismeretes, az egyenáramú gép kommutációból adódó terhelhetőségi határait a kommutátor szeletei között mérhető, ún. szeletfeszültség maximális értéke és a kommutáció lefolyását befolyásoló reaktanciafeszültség határozza meg A szeletfeszültség maximális értékének korlátázásával egy villamos ív kialakulását és fennmaradását kívánjuk megakadályozni. Az egyenáramú ív fennmaradási feszültsége kb 35 V, ezért a kommutátor szeletfeszültségére megengedhető érték is U szm ≈ 35 V maximálisan.

Ennek elérésekor a gép fluxusát a n sz , n (3.15) hiperbolikus összefüggés szerint kell csökkenteni (3.23 ábra, mezőgyengítési tartomány) Az nsz fordulatszám jó közelítéssel megegyezik, vagy valamivel nagyobb a gép névleges fordulatszámánál nsz =(1.1,3) ⋅ n n A másik korlátozó tényező a reaktanciafeszültség. A reaktanciafeszültség az U re = cre ⋅ I a ⋅ n (3.16) összefüggés szerint a fordulatszámmal arányos, megengedhető értéke 3.6 V, amelyet nr fordulatszámnál érünk el Ennél nagyobb fordulatszámon a megengedhető armatúraáram értékét az n I ameg = I amax ⋅ r (3.17) n összefüggés szerint mérsékelni kell. A 323 ábrán bejelöltük azt az nr fordulatszámot, amely felett az áramot csökkenteni szükséges. 3.24 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc Az nsz és az nr fordulatszámok közül az nr a nagyobb. Ez azt jelenti, hogy a fordulatszámot növelve gép hiperbolikusan csökkentett fluxus

mellett még a névleges árammal terhelhető az n r fordulatszám eléréséig. A gép mechanikai teljesítménye ebben a tartományban: Pm = M ⋅ ω = c ⋅ Φ ⋅ I an ⋅ ω = c ⋅ Φ n ⋅ I an ⋅ ω sz ⋅ ω = állandó. ω Ennél nagyobb fordulatszámoknál a terhelhetőség másodfokú hiperbola szerint csökken. Az 3.23 ábrába vastag vonallal jelöltük be egy kompenzált gép terhelhetőségi határának változását. 3.532 Az elektronikus kommutáció elve Az elektronikus kommutációjú motor működésének megértéséhez vizsgáljuk meg először egy kétpólusú egyenáramú gép működését! A mechanikus kommutátor szerepe, hogy megfordítja a forgórészen elhelyezkedő armatúratekercsben az áram irányát, amikor az a semleges vonalon áthalad. Így az armatúratekercselésben mindig ez lesz az árameloszlás, csak a tekercsben folyó áram nagysága változik a terheléstől függően (3.25a ábra) Látható hogy a armatúratekercselés

gerjesztésének tengelye merőlegesen áll a pólusgerjesztés (fluxus) mágneses tengelyére (pszeudostacionárius tekercs). A semleges vonalon áthaladáskor történő áramirányváltásnak a nyomatékképzés szempontjából van döntő szerepe. A b ábrán megrajzoltuk egy semleges vonal felett elhelyezkedő, áramtól átjárt vezetőre ható erőt Ha nem fordítanánk meg az áram irányát a semleges É É b) F Ia + F Kommutátor Θa Semleges vonal D z armatúra mágneses tengelye Θp F a) D c) n Θa Θp A gerjesztőtekercs mágneses tengelye Ui 3.25 ábra Az egyenáramú gép a) az armatúraáram-eloszlás egy kétpólusú gépnél; b) az armatúravezetőre ható erő; c) az armatúra és a gerjesztőtekercs jelképi jelölése a gerjesztési irányokkal motoros üzemben vonalon történő áthaladáskor, akkor a semleges vonal alatti, és a feletti vezetőkre ható ellentétes irányú nyomatékok kiegyenlítenénk egymást. Összeállította: Dr. Nagy

Lóránt autvg MA szervo.doc 3.25 Bizonyítható, hogy a nyomatékképzés szempontjából az a ábrán felrajzolt gerjesztéskép a legkedvezőbb, ezért ezt egy elektronikus kommutációjú gépnél is célszerű megtartani. Egyszerűsítsük tovább a gép felépítését úgy, hogy a gép gerjesztését a szervomotoroknál szokásosan állandómágnesek adják (ilyenkor természetesen elvesztjük a mezőgyengítés lehetőségét), amelyek az elméleti vizsgálat kedvéért pólusosztás szélességűek (3.26a ábra) Tételezzünk fel továbbá, hogy az armatúrán mindössze három: U, V és W-vel jelölt fázistekercset helyeznek el. Vizsgáljuk a továbbiakban csak az U fázistekercset, amely a jelölt pillanatban a semleges vonalban (az északi és a déli főpólus határán) áll, és éppen árammentes, ill. áramirányváltás zajlik benne A tekercs Ψ fluxuskapcsolódása a semleges vonalban (amikor az U tekercs vezetői semleges vonalban helyezkednek el) éppen

maximális Az indukált feszültség éppen polaritást vált, mivel pl. a jobboldali, 1-el jelölt vezető a forgásiránynak megfelelően az északi főpólus alól a déli főpólus alá kerül át. A kommutátor a semleges vonalon áthaladáskor megcseréli az áramirányt, így az 1-es vezető árama negatív lesz A vezetőkeret továbbfordulásakor a vezetőkeret által átfogott fluxus csökken, zérussá válik abban a B É A B V Semleges vonal A ωt A ωt A ωt A ωt A ωt b) 1 B U n ψ A A B W c) ui a) D A ωt = 0 B d) W1 V2 ia É A 1 Semleges B vonal U2 B A n e) U1 m D V1 Pb g ) W2 ωt = 0 A B f ) 3.26 ábra Az elektronikus kommutációjú motor származtatása a) térbeli elrendezés (külső forgórész); b) az indukció a forgórész szögelfordulásának függvényében; c) az U tekercs fluxus-kapcsolódása d) az U tekercsben indukálódó feszültség; e) a tekercsben folyó áram; f) a belső teljesítmény és a nyomaték; g)

térbeli elrendezés (belső forgórész); pillanatban, amikor a vezetőkeret a semleges vonalra merőlegesen áll, majd negatív irányban 3.26 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc növekszik egészen addig, amíg az 1-es vezető ismét a semleges vonalba (a B-pontba) nem ér. A B pontban a vezető a déli pólus alól ismét átkerül az északi pólus alá (az indukált feszültség polaritást vált), a kommutátor megcseréli az áramirányt, a fluxuskapcsolódás pedig nőni kezd. Az indukció (b ábra), a fluxuskapcsolódás (c ábra), az indukált feszültség (d ábra), és az armatúraáram (e ábra) változását az időfüggvényeken követhetjük nyomon W1 V2 É δ n U2 1 B Ia Ui U1 D W2 V1 Ψ 3.27 ábra A fluxuskapcsolódás, az indukált feszültség és az armatúraáram fázishelyzete Ahhoz, hogy az elektronikus kommutálást könnyebben, az álló géprészen végezhessük, a gépet ki kell fordítani. Így az állandómágnes

főpólusok a forgórészre, a legtöbbször három tekercselemből álló armatúra-tekercselés az állórészre kerül (g ábra). A g ábra az a ábra A helyzetének megfelelő (áram-kommutálási) pillanatban mutatja a kifordított álló és forgórészt. Ha a forgórész a jelölt irányban forog, az időfüggvények azonosak lesznek a kifordítás előttiekkel. Figyeljük meg, hogy a legkedvezőbb nyomatékképzési helyzetben az indukált feszültség és az armatúraáram időfüggvénye fázisban van, és 90°-al siet a Ψ fluxuskapcsolódáshoz képest. A 327 ábrában a fázishelyzeteket vektorosan is felrajzoltuk Ideális (veszteségmentesnek feltételezett) esetben írható, hogy a gép armatúrájába bevezetett teljesítmény teljes mértékben mechanikai teljesítménnyé alakul át: Ui ⋅ Ia = M ⋅ω . Ebből a gép nyomatéka: M= Ui ⋅ Ia , ω (3.18) vagyis a 3.26d és e ábra alapján a belső teljesítmény, és egy adott fordulatszámon a nyomaték is

konstans úgy, ahogy azt az f ábrán felrajzoltuk Könnyen belátható, hogy az áramkommutálás pillanata a kifordított esetben forgórész helyzetéhez kötődik, így azt a forgórész helyzetétől függően kell vezérelni. Mivel a gerjesztő- és az armatúratekercs elhelyezkedése szempontjából ez egy szinkron gép felépítése, a motor szinuszos indukált feszültségű, szinuszos armatúraáramú változatát gyakran szinkron Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.27 szervomotornak is szokták nevezni. Különbség azonban, és fontos tudni, hogy az elektronikus kommutációjú-(szinkron szervo-) motor elengedhetetlen tartozéka egy forgórész helyzetérzékelő Ha tehát az adott armatúra-tekercselem (továbbiakban fázis) áramát a forgórész helyzetétől függően úgy kapcsoljuk ki és be, hogy az indukált feszültség és áram fázisban (vagy generátoros üzemben ellenfázisban) legyen, akkor az elektronikus kommutáció az

egyenáramú géppel megegyezően a armatúragerjesztést a pólus gerjesztési tengelyére merőlegesen úgy rögzíti, hogy a legnagyobb nyomatékot kapjuk. Valóságos esetben az egyes fázistekercsek hornyokba osztottak. Az 328a ábrán megmutatott esetben egy fázistekercs két (1-el és 2-vel jelölt, 30° villamos szöggel eltolt) horonyban helyezkedik el Mivel a mező a rajzolt forgásirányban később éri el a 2-es hornyot, az 1-es horonyban elhelyezkedő tekercselem indukált feszültsége 30°-al siet a 2-es horonyban elhelyezkedőhöz képest (b ábra). A tekercselemek soros kötése miatt az eredő indukált feszültség a c ábra szerinti. Az átmenet a pólussarú szélén a lekerekítések miatt soha nem ugrásszerű, ezért a c ábrába vastagabb vonallal berajzoltunk egy valóságoshoz közelebb álló alakot, amely (mint látjuk) trapézhoz hasonló alakú. Az indukált feszültséget tehát befolyásolja a tekercselés eloszlási tényezője, a pólussarú alakja

és a horonyferdítés A gyakorlatban trapéz-, ill. szinuszos indukált feszültségű gépek terjedtek el ui 30o ui1 ωt ui2 b) É ui 2 30o 150 o U 1 30o n U c) 60o ia D ωt ui1 + ui2 120 o a) ωt ia d) 3.28 ábra Az indukált feszültség és az armatúraáram időfüggvénye két horonyba osztott fázistekercs esetén a) a térbeli elrendezés; b) a tekercsekben indukálódó feszültségek; c) az eredő indukált feszültség; d) a tekercsben folyó áram 3.28 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc A tekercselemekben a valóságban − a nyomatéklüktetés elkerülése érdekében − villamos 180° helyett csak 360°/m szögben kapcsoljuk be az áramot (ahol m az armatúra fázisainak száma) úgy, ahogy három fázistekercs esetén azt a d ábrába berajzoltuk. A be- és kikapcsolást a forgórészen elhelyezett mágneses-, vagy optoelektronikus érzékelő vezérli 3.533 Az elektronikus kommutációjú motorok csoportosítása Az

elektronikus kommutációjú motorokat az indukált feszültség és armatúraáram időfüggvényének alakja szerint szokták csoportosítani. A gyakorlatban három motortípus terjedt el: − trapéz indukált feszültség és „négyszögletes” armatúraáram; − szinuszos indukált feszültség és „négyszögletes” armatúraáram; − szinuszos indukált feszültség és szinuszos armatúraáram. A „négyszögletes” armatúraáramú motoroknál helyzetadóként általában 3.8 pólusra mágnesezett mágnesgyűrűt, helyzetérzékelésre egyszerű (villamosan 60°, vagy 120°-ra elhelyezett) Hall-szondát alkalmaznak. Mivel ez az adó-érzékelő rendszer fordulatonként csak hat impulzust szolgáltat, a fordulatszám-szabályozás javítására külön optoelektronikus (inkrementális) jeladót is beépítenek. (Ilyen felépítésű a 343 ábrán felvázolt gép) A szinuszos indukált feszültségű, szinuszos áramú motorok rendelkeznek a legjobb dinamikai

tulajdonságokkal, de egyben a legbonyolultabb felépítéssel és szabályozással. A jó dinamikai tulajdonságok miatt ezeket a motorokat szinkron szervomotoroknak szokták nevezni. A továbbiakban egy kissé részletesebben megvizsgáljuk a jelenleg legolcsóbb és legelterjedtebb megoldást, a trapéz indukált feszültségű és „négyszögletes” armatúraáramú gép működését. 3.533 Trapézmezős gép négyszög armatúraárammal A 3.29 ábrán a trapéz vonali feszültségű, négyszögáramú, csillagkapcsolású motor időfüggvényeit a forgórész szögelfordulásának függvényében rajzoltuk fel A csillagkapcsolású motort háromfázisú tranzisztoros hídról tápláljuk (a ábra). Feltételeztük tehát, hogy a gép vonali indukált feszültségei (b ábra) trapéz alakúak, amelyeknek megfelelő, az állandómágnes pólusok által az armatúrába indukált fázisfeszültségek láthatóak a c ábrán. Az adott fázishoz tartozó felső tranzisztorokat akkor

kell bekapcsolni, amikor az adott fázisfeszültsége a legnagyobb, az alsókat pedig akkor, amikor a legkisebb. Például az első 120°-os részben az V-fázis indukált feszültsége a legnagyobb (ezért az TVF-t kell bekapcsolni), a negatív oldalon az első 60°-os részben a W-fázis a legnegatívabb (ezért az TWA-t kell bekapcsolni) és így tovább. Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.29 Ie IU U TVF TUF a) Ue TVA TUA 0 60 UWU 240 UV UVW 300 IUA -UVW UUV -UWU IV 360 Ue IUF IVA UVW -UUV ωt ωt UiU I WF I WA V UWU UVW UiW IVF UU UUV UW W 120 180 UiV c) IW TWA UUV b) d) TWF Ie ωt Ue ωt Ue.Ie ωt I WA UWU e) Pb m f) g ) IU ωt 3.29 ábra A trapéz vonali feszültségű, négyszögáramú elektronikus kommutációjú motor időfüggvényei a) a teljesítményelektronika kapcsolása; b) a vonali feszültségek; c) a fázisfeszültségek; d) a tranzisztorok vezetési tartományai motor üzemben; e) a két

sorbakapcsolt fázisra kapcsolt feszültség; f) a belső teljesítmény és a nyomaték; g) az U fázis valóságos árama 3.30 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc Az adott tranzisztorok ki- és bekapcsolását a forgórész helyzetadóról kapott jellel vezéreljük. Az egyes tartományokban (hat 60°-os rész) vezető tranzisztorokat jelöli a d ábra Az e ábrán megrajzoltuk a motortekercsekre kapcsolt feszültségek burkológörbéjét, jelölve, hogy melyik két fázistekercs bekapcsolásából származik. Az ábra alapján látható, hogy a motorra kapcsolt vonali feszültség állandó és értelemszerűen a hidat tápláló egyenfeszültséggel egyezik meg. A d ábra alapján az is megállapítható, hogy az egyenáramú körből a motorba befolyó Ie egyenáram, és így végül a motorba jutó belső teljesítmény is állandó értékű. Ideális gépet feltételezve egy adott fordulatszámon a belső teljesítmény állandósága az egyes

szakaszokban azonos értékű nyomatékot jelent, amelynek nagysága (pl. a 60°-tól a 120°-ig terjedő elfordulási szakaszra felírva): M= Pb U UV ⋅ I VF U e ⋅ I e k U ⋅ Bδ m ⋅ ω ⋅ I e = = = = k U ⋅ Bδ m ⋅ I e , ω ω ω ω (3.19) ahol kU egy a gép tekercselésére jellemző állandó, Bδm a maximális légrésindukció, Ie pedig a közbenső körben folyó egyenáram. Mivel Bδm az állandómágneses gerjesztés miatt állandó, a nyomaték az egyenáramú körben folyó Ie egyenárammal arányos ugyanúgy, mint egy állandómágneses gerjesztésű egyenáramú gépnél. Valójában az armatúrakör induktivitásai miatt a kommutációk nem zajlanak pillanatszerűen. Csak az U-fázisra egy a valóságoshoz közelebb álló áramképet rajzoltunk fel a g ábrán. 3.535 Négyszögáramos elektronikus kommutációjú motorok szabályozása A 3.30 ábrán egy négyszögáramos elektronikus kommutációjú motor szabályozókörének felépítése látható

Figyeljük meg a 38 ábrán megadott blokkvázlattól eltérően a főáramkör vezérléséhez a forgórész szöghelyzetének ismerete szükséges POZÍCIÓ-SZABÁLYOZÓ FORDULATSZÁM-SZABÁLYOZÁSNAK ALÁRENDELT ÁRAMSZABÁLYOZÁS MOTOR és az ÉRZÉKELŐK ISZM Fordulatszám moduláció ISZM Áram- korlát (szögsebesség) teljesítményÁram Pozícó szabályozó ik szabályozó erősítő érzékelő Előírt szabályozóωk pozíció ia ωa M Szervoγa motor PI PI P Főáramkör ωe ie γe ie Áram visszacsatolásγf Analóg ωetachogeneráto Szögsebesség -visszacsatolás γe Forgórész pozíció-visszacsatolás Pozícióadó (pl. inkrementális jeladó) 3.30 ábra Alárendelési elven működő háromhurkos szabályozó blokkvázlata négyszögáramos elektronikus kommutációjú motor esetén Részletesebben mutatja az egy négyszögáramos motor áramszabályozó körének felépítését a 3.31 ábra, amelyet a különbségek megértésére célszerű a 321 ábrával

összevetni Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.31 Az összehasonlításból kiderül, hogy amíg a kommutátoros egyenáramú gépnél a forgórész szöghelyzetről a főáramkörbe nem szükséges pozíció-visszacsatolás (mert az armatúraáram forgórész pozíciótól függő kapcsolgatását a kommutátor végzi), addig az elektronikus kommutációjú gép tekercseiben az áramok ki- és bekapcsolását, ill. az áramirány-váltást pozícióérzékelő elemek és pozíció dekódoló áramkör segítségével kell vezérelnünk Id ISZM Áram- moduláció szabályozókorlát ia ie - PI TUF TVF TWF T IGBT meghajtó TUA VA és védelem TWA DEKÓDOLÓ POZÍCIÓ- ua - γ Áram visszacsatolás TUF TWF M TUA Forgórész pozícióérzékelő TVF ie 3~Y TWA TVA Elektroniku ISZM inverter kommutációj motor 3.31 ábra Elektronikus kommutációjú motor áramszabályozó köre Amikor a gép féküzemben dolgozik, a visszáramdiódákon

keresztül a teljesítményt visszavezetjük az áramforrásba (ha az áramforrás pl. akkumulátor, ha az a visszatöltést megengedi), vagy fékcsopper segítségével fékellenálláson disszipáljuk A 3.32 ábrán az elektronikus kommutációjú motor féküzemének egy lehetséges változatát mutatjuk be Azt az esetet vizsgáljuk, amikor a gépet motoros üzemben egy akkumulátorból tápláljuk, amely tehát képes az ellentétes irányú áram fogadására is Az a ábra a fékezési üzem első fázisát mutatja Azt a pillanatot ragadtuk ki, amikor a helyzetérzékelő által szolgáltatott pozíciónak megfelelően csupán egy alsó tranzisztort kap bekapcsoló jelet. Mint a kialakuló áramútból látható, az áram egy kis impedanciájú úton záródik (a közbezárt két tekercs rövidrezárt) és így gyorsan növekszik. Az árammal arányosan hasonlón gyorsan növekszik a fékezőnyomaték is (dinamikus fékezés). A fékezési energia ebben a szakaszban a tekercsekben

tárolódik. A fékezés b ábrán felrajzolt második fázisában egyik tranzisztor If Vezérlő elektronika Ue Vezérlő elektronika If Motor Motor b) a) 3.32 ábra Elektronikus kommutációjú motor fékezése a) energia tárolás mágneses energia formájában a tekercsekben; b) visszatáplálás a tápforrásba 3.32 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc sem kap meghajtó jelet, így a tekercsek induktivitásában tárolt energia tölti az akkumulátort (a motorossal ellentétes irányú töltőáramot hajt át az akkumulátoron). 3.536 A mechanikus és az elektronikus kommutáció összehasonlítása A 3.33 ábrán összehasonlítottuk a hagyományos egyenáramú gépek és a kefenélküli gépek terhelhetőségi határait (lásd ezzel kapcsolatban az 3.531 pontban tett megjegyzéseket) n Teljesítményelektroni feszültséghatárolás nmax Áram határolás nmax Elektronikus kommutációjú (kefenélküli) gép eletfeszültség és a

eaktanciafeszültség miatti korlát Hagyományos egyenáramú gép Szeletfeszültség miatti korlát M 3.33 ábra A hagyományos és az elektronikus kommutációjú egyenáramú motorok terhelhetőségi határainak összehasonlítása Az elektronikus kommutációjú motornál kommutátor és a kefék, a mechanikus kommutáció hiánya miatt jóval nagyobb a mechanikailag megengedhető maximális fordulatszám. A maximális fordulatszámot – amelynek nagysága 30000.40000 1/min szemben a mechanikus kommutációjú gépek 1000020000 1/min értékével − a forgórész mágnesek centrifugális erővel szembeni rögzítése korlátozza. Lényeges különbség, hogy a többi részen a terhelhetőséget elsősorban nem a kommutáció és a szeletfeszültség, (vagyis lényegében a mechanikus kommutáció), hanem a teljesítményelektronika feszültség- és áramkorlátai határozzák meg. 3.537 A forgórész helyzetérzékelés Az elektronikus kommutációjú motoroknál szükséges

forgórész pozícióérzékelő érzékelési elve − mágneses, vagy − optoelektronikus lehet. Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.33 Helyzetérzékelés mágneses érzékelőkkel A mágneses teret érzékelő félvezetők jelenleg leggyakrabban a Hall-effektus kihasználásán alapulnak. A Hall-generátorok vékony félvezető lapkák (334a ábra) Ha a mágneses erővonalakra merőlegesen elhelyezett lapka két szemközti oldalán egy áramgenerátorral Iv állandó értékű vezérlő áramot kényszerítünk keresztül, akkor a szonda másik két oldaláról levehető ún. Hall-feszültség a mágneses tér indukciójával arányos: U H = k HALL ⋅ I v ⋅ B , amelyben kHALL egy anyagtól és a lapka d vastagságától függő álllandó. Iv Schmitttrigger HALL cella B UH Erősítő d a) b) 3.33 ábra Hall érzékelős pozícióadó a) a Hall cella működési elve; b) nyitott kollektor-kimenetű jeladó blokkvázlata A gyakorlati

felhasználás megkönnyítésére a 10100 mV nagyságrendű Hall-feszültséget szolgáltató Hall-szondák jelét erősítik és kimeneti jelformálóval is ellátják. Egy ilyen, open kollektoros kimenetű Hall-generátoros érzékelő blokkvázlatát rajzoltunk fel a b ábrán. Helyzetérzékelés optoelektronikus érzékelőkkel Elfordulás-, vagy helyzetérzékelők készíthetők optoelektronikai eszközökkel is. Az optoelektronikai érzékelők a fénysorompó elvet, vagy a fényvisszaverődés elvét használva működhetnek. A nagy felbontású optoelektronikus érzékelőkben rendszerint a fénysorompó Fényérzékelők Pozicionáló impulzus Index Az elektronikát hordozó lap LED Lencse Blende a) b) Inkrementális jeladótárcsa 3.35 ábra Inkrementális jeladó működési elve a) a jeladótárcsa; b) a jeladó felépítése 3.34 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc elvet alkalmazzák. A fénysorompó elv lényege, hogy a

fénysugárzási utat valamilyen fényt át nem eresztő anyaggal megszakítjuk vagy a fényt átengedjük. A fénysugár útját megszakító tárcsa a fényt áteresztő szerves üvegből készül, amelybe lézersugárral égetik bele a fényt át nem eresztő részeket. A tárcsa alapvetően kétféle kialakítású: inkrementális- és abszolút kódú jeladókat különböztetünk meg. Az inkrementális jeladó kódtárcsájába (3.35a ábra) egyenletes kiosztásban Z számú, fényt át nem eresztő, sugárirányú vonaldarabot égetnek. A tárcsán ezen kívül egy helyen ún pozícionáló (index) jelet is elhelyeznek. A tárcsát fénysugárzó diódával egy optikai lencsén és blendén keresztül világítják meg. A tárcsán keresztülhaladó fény a fényérzékelő elemekre (amelyek fotótranzisztorok, vagy fényelemek lehetnek) esik. Forgásirány 90° Áll Forgásirány A jel B jel Egyszeres kiértékelés Négyszeres kiértékelés Forgásirány C

(pozícionáló) jel t1 t2 t 3.36 ábra Inkrementális jeladó jelfeldolgozott kimeneti jelei A jelfeldolgozó elektronika a fényérzékelők jeleiből rendszerint két – A-val és B-vel jelölt, egymáshoz képest 90°-al eltolt – négyszögjelet állít elő, amely fordulatonként Z periódusú jelet (egyszeres kiértékelésnél Z impulzust) szolgáltat (3.36 ábra) Egyszeres a kiértékelés, ha csak A-jel felfutó élénél képzünk impulzust, négyszeres, ha az A és B jel minden fel és lefutó élénél. A tárcsa egy helyzetében C-vel jelölt pozicionáló impulzus is keletkezik. Az inkrementális jeladóval úgy lehet elfordulást mérni, hogy egy adott kiindulási helyzethez (amely pl. a C impulzus által rögzített abszolút helyzet lehet) képest egy fel/le számlálóval megszámoljuk az érzékelőről beérkező impulzusokat. Ha pl az A csatornáról egyszeres kiértékelésnél N számú impulzus érkezett, akkor az elfordulás a kiinduláshoz képest:

∆α = 360 ! ⋅N . Z (3.20) A két eltolt, A és B csatorna jelére a forgásirány meghatározása érdekében van szükség. Figyeljük meg pl. hogy az A csatorna jelének felfutó élénél (t1 időpont) a B csatorna jele ← forgáskor logikai nem, forgáskor (t2 időpont) pedig logikai igen. Ezt kihasználva (pl egy D-tár felhasználásával) a forgásirány-jel meghatározható. (Helyzetérzékelésnél ez kerül a pozíciószámláló fel/le bemenetére.) Az inkrementális jeladóval csak közvetve (számláló segítségével, ezért késleltetve) tudjuk meghatározni a tárcsa pillanatnyi helyzetét. Az abszolút kódadók tárcsáinak gyűrűire a térbeli helyzetet valamilyen kódolással (gyakran ún. Gray kóddal) közvetlenül írják fel, ezért Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.35 3.37 Abszolút jeladó kódtárcsája egy adott pillanatban a gyűrűkön lévő információt leolvasva és pl. egy EPROM-ban tárolt adatok

segítségével dekódolva a szöghelyzet azonnal megkapható. A módszer hátránya, hogy annyi érzékelő elem szükséges, ahány gyűrű hordozza az információt. Az érzékelő bonyolultsága tehát az elérni kívánt szögfelbontással nő. Egy abszolút kódadó tárcsáját mutatja a 3.37 ábra Az inkrementális és abszolút kódadókkal nagy pontossággal tudjuk meghatározni a szögelfordulást, ill. a pillanatnyi pozíciót Nagyságrendileg egy kb. 4 cm átmérőjű tárcsa segítségével fordulatonként kb. 104 impulzus állítható elő. 3.538 Az elektronikus kommutációjú motorok szerkezeti felépítése A elektronikus kommutációjú motorok belső-, vagy külső forgórészűek lehetnek (3.38 ábra). Mivel a külső forgórészűek forgórészének a tehetetlenségi nyomatéka a nagyobb ( J = m ⋅ r 2 !), ezeket általában állandó sebességű alkalmazásokban használják. Erre példák: a különböző légfúvó és ventilátor motorok, az adathordozók

és multimédiás eszközök diszkmeghajtó motorjai (floppy-motor, winchester-motor, CD drive) stb. Ugyanezen okok miatt a változó fordulatszámú, tranziens üzemben működő szervomotorok általában belső forgórészűek. Az elektronikus kommutációjú motorok pólusrendszere állandómágnessel gerjesztett. Jelenleg a gépekbe gyakorlatilag ferrit és ritkaföldfém (SmCo, NeFe) tartalmú mágneseket építenek, amelyek mágnesezési karakterisztikái a 3.39 ábrán láthatók A ferrit mágneseket kb. 10 kW-ig, a ritkaföldfém mágneseket pedig kb 100 kW teljesítményig alkalmazzák Forgó mágnes Forgó, lágyvas póluskoszorú Forgórész Forgó mágnes Forgórész Álló tekercselés Lemezelt vastest Álló tekercselés a) Lemezelt vastest b) 3.38 ábra A külső és belső forgórészű gép vázlatos felépítése a) külső forgórészű; b) belső forgórészű 3.36 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc B, T 1,4 1,3

RITKAFÖLDFÉM-Co SmCo5 NEODYMIUM Nd-Fe ALNICO5 AlNiCo FERRIT H, kA/m -800 -600 -400 -200 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,00 3.39 ábra Elektronikus kommutációjú motorokban alkalmazott állandómágnes-anyagok lemágnesezési görbéi A legolcsóbb ferrit mágnesek alkalmazása kefenélküli motorokban megköveteli a külső forgórészű felépítést. Az első, nagyon gyakori alkalmazási példa 340 ábrán felrajzolt (és pl PC-kben alkalmazott) hűtő ventilátor. A forgórészen egy lágymágnesből készült, csésze alakú, tengelyhez rögzített koszorú hordozza a gyűrűmágnest A mágnest ragasztóval (Loctite) rögzítik a műanyag ventilátorlapátokat is hordozó csészéhez. A felépítést olcsóbbá teszi, hogy a forgórészt gyakran csak egy oldalon csapágyazott. A motor elektronikája (amely egy cél-IC) motorba épített nyomtatott áramköri lapkán helyezkedik el. A 3.41 ábra szintén egy külső forgórészű motort mutat, amely

„fújó” típusú, és háztartási szellőztető, szárító, légkondicionáló berendezésekbe kerülhet beépítésre Eredetileg ezt a feladatot egy külső forgórészű aszinkron motorral oldották meg, az elektronikus kommutációjú motor ennek a jó hatásfokú kiváltására szolgál. A teljesítményelektronika a motor végén kerül beépítésre, a szállított levegő a motort is hűti. Hasonló felépítésű az autók levegő-kondicionálását végző motor. Lemezelt állórész vastest Forgórész Lágyvas koszorú Állórész tekercselés Tengely Mágnes Állórész 3.40 ábra Külső forgórészű kefenélküli motor hűtő ventilátorként Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.37 Forgórész fúvóventilátor az agy részbe épített állandómágnessel Állórész a motor végére épített működtető elektronikával 3.41 ábra Elektronikus kommutációjú motor fúvóventilátor alkalmazások számára A számítógépek

adattároló: „hard” diszk-hajtásaiban (a winchesterek) két „motor” üzemel. Az egyik egy határolt elmozdulású „merülő tekercses aktuátor”, ami tulajdonképpen az állandómágneses kefenélküli motorok egyik típusa. Felépítésében tartalmaz egy rögzített állandómágnest, és egy elmozduló tekercset arra a karra rögzítve, amelynek végén az író/olvasó fej is elhelyezkedik (3.42 ábra) Az elmozduló tekercs flexibilis vezetékkel csatlakozik környezetéhez Vezérlő elektronika Elmozduló tekercs Olvasófejek 3.42 ábra Merev-lemez (Hard-Disk) fejmozgató motorja A fix-drive lemeztárcsáit forgató „diszk-motor” szokásos felépítését 3.43 ábra mutatja Mint az ábrából látható, ez is egy külső forgórészű motor, amelynek forgórésze az adattároló tárcsákat hordozza. Az egyedüli, gyakorlatban bevált építési alak erre a célra egy permanens mágneses forgórész, amely az alumíniumból készült diszk-megfogó szerkezet

belső részébe van beépítve. Az állórész a tengelyhez, az pedig egy stabil vázhoz rögzített A motorokba gyakran egy, vagy több IC-be összeintegrált vezérlő-, érzékelő- és teljesítményelektronikai elemet építenek, ezért pl. a pozícióérzékelésre legtöbbször nem szükséges külön Hallérzékelő 3.38 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc Csapágyfedél Golyóscsapágy Lemezelt állórész a tekercseléssel Acélgyűrű Mágnesgyűrű A mágnessel együttforgó, alumínium diszkhordozó-agy Stabil építési bázisrész (váz) Tengely 3.43 ábra Elektronikus kommutációjú diszk-meghajtó (winchester) motor felépítése A 3.43 ábrán felrajzolt keresztmetszetű elektronikus kommutációjú motor felépítése attól a különbségtől eltekintve megegyezik a szervomotorokéval, hogy szervomotoroknál a 3.521 pontban elmondottaknak megfelelően az li/D viszony 4 körüli érték A forgórész helyzetadó egy 2p pólusra

körcikkszerűen felmágnesezett gyűrű alakú ferritmágnes, a helyzetérzékelő pedig három Hall-szonda. Igényesebb (nagy pontosságú, szinuszmezős) szervomotoroknál a forgórész helyzet- (és egyben fordulatszám-) jeladó rezolver, vagy inkrementális jeladó. Állórész vastest Armatúra tekercselés Fordulatszám érzékelő Állandó mágnes HALL érzékelő Fordulatszám jeladó-tárcsa Forgórész helyzetadó mágnesgyűrű 3.43 ábra Elektronikus kommutációjú motor felépítése Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.39 Elektronikus kommutációjú motoroknál is javíthatjuk a szervo-tulajdonságokat vasmentes állórész tekercselés alkalmazásával, vagyis az állórész induktivitásának csökkentésével. Egy ilyen motor felépítését a 3.45 ábra mutatja A motor állórész koszorúja lemezelt, de a belső felületen hiányoznak a hornyok. A légrés növekedése miatt a légrésindukció maxiVasmentes állórész

tekercselés É D D Lemezelt állórész koszorú É Állandómágnes gerjesztésű forgórész 3.45 ábra A vasmentes állórész tekercselésű elektronikus kommutációjú motor keresztmetszete mális értéke csökken, ill. nagyobb gerjesztések szükségesek A hornyok hiánya miatt több rezet tudunk elhelyezni, a rézveszteség csökken. Ha az állórész tekercselés teljesen egyenletes, állórész reluktanciahatás semmilyen formában sem lép fel, és a motor által szolgáltatott nyomaték a kerület mentén rendkívül egyenletes. Nagy fordulatszámú motoroknál a vasveszteségek tovább csökkenthetők, ha a lemezelt állórész koszorú helyett ferritgyűrűt használunk Vannak olyan alkalmazások, amelyek esetén az axiális fluxusú, ún. kefenélküli tárcsamotorok felhasználása nagyon előnyös Ezeknek a motoroknak a forgórésze általában egy peremezett acéltárcsa, amelynek egyik oldalára rögzítik a szinterelt ferritmágnesből, vagy Forgórész

járom Fordulatszám jeladómágnes D Forgórész pólusmágnes É Állórész fázistekercs Fordulatszám érzékelő tekercselés Állórész járom Hall jeladó 3.46 ábra Axiális légrésű elektronikus kommutációjú motor szerkezeti felépítése 3.40 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc ritkaföldfémből készült pólus-mágneseket (3.46 ábra) A tárcsa belső peremére rendszerint 50.100 pólusúra mágnesezett, ferritből készült fordulatszám-jeladó mágnest is elhelyeznek A jeladómágnessel szemben, a nyomtatott áramkörön helyezkedik el az a tekercselés, amelyben a fordulatszámmal arányos feszültség indukálódik. A fő előnye ezeknek a motoroknak az alacsony ár; a lapos, kis vastagságú kivitel; a nagyon egyenletes, lengésmentes üzem. A légrés a mágnesek és az állórész póluskoszorú között igen nagy, ezért nagy a szórási fluxus is, és viszonylag kicsi a légrésindukció Ez többnyire nem jelent

problémát, mert a nyomatékigény rendszerint nem túl nagy Annak ellenére, hogy a motorokat általában kis fordulatszámokon (kb. 1000 1/min) alkalmazzák, az állórész koszorúban keletkező örvényáramú veszteség viszonylag nagy lehet. Ezért ezt a motortípust nagyobb teljesítményekre nem készítik. Az állórész tekercselés készülhet nyomtatási technikával közvetlenül a nyomtatott áramköri lapra, vagy a külön tekercselt, körcikkszerű tekercseket ragasztják fel a NYÁK felületére Tipikus alkalmazási területe a floppy-diszk meghajtó motorok 3.6 Léptetőmotorok A 3.47 ábrán egy kétfázisú léptetőmotor keresztmetszetének vázlatát rajzoltuk fel A léptetőmotorok állórészének kiálló pólusain helyezik el az egyenárammal gerjesztett „fázistekercseket” (jelölésük: a1-a2 és b1-b2). A fázisok idővezérelt ki-be kapcsolása diszkrét helyzeteket felvevő „léptetett” mágneses mezőt és ezekhez kapcsolódó forgórész

pozíciókat hoz létre. Ennek előnye, hogy a lépések felezett lépés a1 II számolásával egy tűréshatáron belül ismerjük a forgóegész lépés egész lépés rész helyzetét. A léptetőmotorok ezzel a módszerrel II II II D vezérlések esetén is lehetővé teszik a visszacsatolás b1 nélküli pozícionálást. A léptetőmotorok rendszerint É két-, öt-, vagy újabban háromfázisúak. A forgórész É II II aktív, vagy passzív attól függően, hogy gerjesztjük-e IV D b2 vagy sem. Ha a forgórész aktív, akkor a gerjesztést D állandómágnes adja. É A léptetőmotor vezérlése bipoláris-, vagy uniIV III III IV poláris lehet. Bipoláris vezérlésnél minden időpil- egész lépés egész lépés lanatban mindkét fázistekercs be van kapcsolva, a III III a2 felezett lépés tranzisztoros kapcsolókból kialakított híd a tekercsek 3.47 ábra Kétfázisú, bipolárisan kapcsaira kapcsolt feszültség polaritását (és ezzel vezérelt motor léptetési

helyzetei együtt a fázistekercsek áramirányát is) cserélgeti. Unipoláris vezérlésnél ezzel szemben a tekercseket vagy ki-, vagy bekapcsoljuk, a polaritás változatlan. Bipoláris vezérlésnél több kapcsoló elem alkalmazása árán jobb a tekercsek kihasználtsága szemben az unipoláris vezérléssel, ahol egy adott időpillanatban a tekercselés fele nincs bekapcsolva. Egy kétfázisú motor lehetséges vezérlési módjaihoz tartozó kapcsolásokat és a vezérlés idődiagramját táblázatos formában a 3.48 ábrán mutatjuk be Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.41 A 3.47 ábrán vázlatos keresztmetszetével ábrázolt kétfázisú léptetőmotort bipolárisan vezéreljük. A forgórész aktív, fogainak (mágneses pólusainak) számát Zr-el jelölve: Zr = 2 A 3.48a ábrán megadott 1 lépésnél a T1-T2 és T3-T4 tranzisztorok bekapcsolásával az állórészen a megadott mágneses pólusok alakulnak ki, melyek eredője az I-el

jelölt irányba mutat, ezért a forgórész a megadott módon áll be. Az ezt követő léptetéskor (T3-T4 ki-, T7T8 bekapcsolásával) a b fázisban az áramirány megcserélődik, és így az új eredő gerjesztés irányának megfelelően a forgórész a II-helyzetbe áll be és így tovább. A léptetéseket végigkövetve a forgórész sorra az I ⇒ II ⇒ III ⇒ IV ⇒ I . helyzeteket veszi fel, vagyis 90°-ként lépked. A léptetőmotor egész-lépésszögét az α= 360° . Zr ⋅ m (3.21) összefüggés alapján számíthatjuk, amelyben Zr a forgórész fogainak száma, m pedig a fázisszám (ebben a konkrét esetben m = 2 és Zr = 2, vagyis α = 90°). Igényesebb esetekben a lépésszöget a forgórész Zr fogszámának és m fázisszámának növelésével csökkentik. T5 T1 + T3 R - R a2 a1 b2 b1 T2 T6 T1 - T2 BE KI T3 - T4 BE KI T7 T8 T4 T5 - T6 BE KI T7 - T8 BE KI Lépés 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a) R R + -

a1 a2 T1 c2 b1 d2 c1 b2 d1 T2 T3 T4 b) T1 BE KI T3 BE KI T4 BE KI T5 BE KI Lépés 3.48 ábra Kétfázisú léptetőmotor a) bipoláris- és b) unipoláris vezérlése A lépésszög csökkentésére gyakran alkalmazott módszer az ún. lépésfelezés is Mint már szó volt róla, egészlépéses bipoláris vezérlésnél a forgórész az I ⇒ II ⇒ III ⇒ IV helyzeteket veheti fel. I-ből II-be úgy jut, hogy a b fázisban megcseréljük az áramirányt Ha ezzel szemben közbenső lépésként T3-T4 kikapcsolásával először csak megszüntetjük a b tekercs áramát, akkor a forgórész az egyedül gerjesztett a fázis mágneses tengelyébe, az I’ irányba áll be, vagyis a lépésszög az eredeti (egész lépéses) érték fele: 45° lesz. (A lépésfelezéses és az egészlépéses üzem kombinálásával a forgórész által elfoglalható helyzetek rendre: I ⇒ I’ ⇒ II ⇒ II’ ⇒ III ⇒ III’ ⇒ IV ⇒ IV’ ⇒ I .) 3.42 Összeállította:

Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.61 A léptetőmotor nyomaték−lépésfrekvencia jelleggörbéi A léptető motor működése szempontjából talán legfontosabb jelleggörbéket egy ötfázisú léptetőmotor esetén a 3.49 ábrán rajzoltuk fel, az a ábra a nyomaték jelleggörbéket mutatja a lépésfrekvencia függvényében Az ábrán az 1 jelleggörbe a motor gyorsítási tartományának határgörbéjét, az ún. üzemi frekvencia határgörbét ábrázolja Ha a munkapont erre a határgörbére esik, akkor a forgórészt lépéstévesztés nélkül sem gyorsítani, sem lassítani nem tudjuk (Md = 0). Az ezen határgörbén kívül eső tartományban a motor nem képes lépéstévesztés nélkül üzemelni, ezért kiesik szinkronizmusból és leáll. Azt a terhelés nélküli legnagyobb frekvenciát, aminél a terheletlen motor még képes lépéshiba nélkül üzemelni, maximális üzemi frekvenciának nevezzük, amelynek jelölése f Ü0m. C M B 2 A Jt1>0

Gyorsítási tartomány 1 Mh Üzemi frekvencia 3 Mt a) Jt = 0 Indítási tartomány f1 Jt f2 f3 fÜ0m fI0m Maximális indítási f, kHz Maximális üzemi b) Jt1 f, kHz fI0m 3.49 ábra Ötfázisú léptetőmotor nyomaték−lépésfrekvencia jelleggörbéi a) a nyomaték−lépésfrekvencia jelleggörbék; b) a járulékos tehetetlenségi nyomaték jelleggörbe J t = 0 esetben a 2-es, J t1 > 0 esetben a 3-as számmal jelölt görbe ún. indítási határgörbe a gyorsítási határgörbe által határolt területet két részre − az ún. indítási (felfutási) és a gyorsítási tartományra − osztja. Az indítási tartományban a léptető motor lépéstévesztés nélkül végrehajt minden indítási és leállítási parancsot. Ha például a motorra f1 frekvenciájú vezérlőimpulzusokat kapcsolunk, akkor ennél a frekvenciánál a terhelőnyomaték, járulékos tehetetlenségi nyomaték nélkül ( J t = 0 ), egészen MB-ig növelhető anélkül, hogy a

motor lépést tévesztene. Ezen a frekvencián az M dmin = M BC nyomaték az a Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.43 minimális dinamikai nyomaték, ami a forgórész gyorsításához és leállításához szükséges. Ha a tehetetlenségi nyomatékot megnöveljük ( J t1 > 0 ) ugyanezen a frekvencián a rendszer gyorsításához és leállításához már nagyobb dinamikai nyomaték szükséges ( M dmin = M AC > M BC ) ahhoz, hogy ne legyen lépéstévesztés (3-as görbe). Megfordítva, adott nagyságú terhelő- és tehetetlenségi nyomatékhoz megadható az a maximális frekvencia, amivel a motor még lépéstévesztés nélkül indítható (Mt és J t = 0 esetén ez f3 , Mt és J t1 esetén pedig f2). A 3.49b ábrán a lépésfrekvencia függvényében a maximálisan megengedhető külső tehetetlenségi nyomaték változásának jellegét adtuk meg, amivel a motor még lépéstévesztés nélkül indítható (Mt = 0). A gyorsítási

tartományban − a megadott külső tehetetlenségi nyomaték és vezérlőfrekvencia mellett − a motor továbbra is lépéstévesztés nélkül üzemeltethető. Különbség az indítási tartományhoz képest, hogy ebben a tartományban a motor már nem képes lépéstévesztés nélkül elindulni és leállni, a forgórész folyamatosan, ugrások nélkül forog. Ezért ahhoz, hogy a gyorsítási tartományba jussunk (pl. a 350a ábrán megadott B pontba) először az indítási tartományba eső f1 frekvenciával kell elindítanunk a motort, majd meghatározott frekvenciaváltoztatási sebességgel át kell vezérelnünk a gyorsítási tartományba (A ⇒ B). A megengedett frekvenciaváltoztatási sebességet a rendelkezésre álló dinamikai nyomaték (az a ábrában függőlegesen vonalkázva) és a hajtás tehetetlenségi nyomatéka szabja meg. Mivel a dinamikai nyomaték változása közel lineáris, az ideális léptetési-frekvenciaváltoztatás a mozgásegyenlet megoldása

alapján M Gyorsítási tartomány Indítási tartomány a) Mt A B J =Jt1 f1 f2 f f Tm f2 b) f1 Gyorsítás Lassítás t 3. 50 ábra A léptetőmotor sebességváltoztatása a) a rendelkezésre álló dinamikai nyomatékok; b) a lépésfrekvencia időfüggvénye 3.44 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc f (t ) = f 1 + ( f 2 − f 1 ) ⋅ (1 − e − t Tm (3.22) ) alakú (b ábra) lehet, ahol Tm az elektromechanikai időállandó. Hasonló módon a gyorsítási tartományban üzemelő motor léptetését megszüntetve lépéstévesztés nélkül nem tud megállni. Ezért most ellentétes sorrendben a lépésfrekvenciát először meghatározott frekvenciaváltoztatási sebességgel az indítási tartományba eső pontig kell csökkenteni, és csak ezután szabad a továbbléptetést megszüntetni. A 3.51 ábrán − a valóságos viszonyok érzékeltetésére egy ötfázisú és egy kétfázisú − Berger-Lahr gyártmányú léptetőmotor

valóságos jelleggörbéit adtuk meg. M, Ncm Fordulatszám Jt, kgcm2 f, kHz (féllépés) f, kHz n, 1/min f, kHz (féllépés) 3. 51 ábra VRDM 566/50 LH típusú Berger-Lahr léptetőmotor nyomaték−lépésfrekvencia jelleggörbéi (Teljesítmény végfokozat: D 450, I/U: 1,9 A/35V) Mint azt 3.49a, 350a, valamint a 351a ábrákból láthatjuk, az üzemi frekvencia határgörbe a léptetési frekvencia függvényében közel lineárisan csökken Ez a − működési sebességet nagyobb lépésfrekvenciákon korlátozó − csökkenés a fázistekercsekben folyó áram (vagyis a gép fluxusának) csökkenésére vezethető vissza. Az áramcsökkenés két okra vezethető vissza: − a fázistekercs és a vezérlés Tv villamos időállandója miatt a léptetőimpulzus időtartama alatt a frekvencia növekedésekor egyre kevésbé vagyunk képesek az állandósult áramot elérni; Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.45 − a forgórész által az

állórészbe visszaindukált feszültség lépésfrekvenciával arányos növekedése. Tehát az átlagáram-csökkenés egyik oka, hogy a gerjesztőtekercs Tv = Lg / Rg villamos időállandójú. A tekercsre feszültséget kapcsolva az áram i (t ) = I áll. ⋅ (1 − e − t Tv (3.23) ). függvény szerint növekszik, ahol Iáll. a tekercsben állandósult állapotban kialakuló áram A frekvencia növekedésével a bekapcsolási idő csökken, és így előfordul, hogy az áram még kikapcsoláskor sem éri el az állandósult értéket, vagyis az áram középértéke csökken. Ez a csökkenés mérsékelhető a tekercsekkel sorba kapcsolt ellenállással (lásd a 3.48 ábrát), vagyis a villamos időállandó csökkentésével A másik ismert módszer az áramnövekedési idő csökkentésére az ún. forszírozás Ennek lényege, hogy addig, amíg az áram el nem éri a kívánt értéket, lényegesen nagyobb (a 3.52 ábrán U1) feszültséget kapcsolunk a tekercsre, majd

a kívánt állandósult érték elérésekor a feszültséget a névleges (U2) értékre mérsékeljük. A forszírozás gyakorlati megvalósítására a b ábra mutat be módszert. (A forszírozás alatt T1 és T2 utána csak T2 van bekapcsolva) A megoldás hátránya, hogy két tápfeszültséget igényel. U U1 U1 i I áll. = U1 Rg Védődiód U2 u(t) I áll. = U2 U2 Rg i(t) Tv T1 Tekercs i T2 t b a) 3.52 ábra Az áramnövekedés gyorsítása forszírozással a) a forszírozás működési elve; b) gyakorlati megvalósítása Az áram gyors felfutását és állandó értéken tartását impulzus-szélesség modulációval (ISZM, vagy angol nevén PWM) is elérhetjük (3.53 ábra) A módszer lényege az, hogy egy csopper segítségével lényegesen nagyobb feszültséget kapcsolunk a tekercsre mindaddig, amíg az áram el nem éri a kívánt értéket. Ekkor a feszültséget kikapcsoljuk, aminek eredményeképpen az áram csökken A feszültség rákapcsolást az

impulzusidő alatt a kapcsolás minden esetben megismétli, amikor az áram egy meghatározott érték alá csökken. A módszer egy gyakorlati megvalósítását az a ábra mutatja A kapcsolás csak egy tápfeszültséget igényel. A T1 tranzisztor a léptetőimpulzus teljes hossza alatt be van kapcsolva, a T2 3.46 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc +U T1 D2 ia Schmitttrigger C D1 i u +U i t i R2 T2 u R1 t c) a) b) 3.53 ábra Áramszabályozás impulzus-széleség modulációval (ISZM) a) gyakorlati megvalósítás; b)a feszültség és az áram időfüggvénye; c) oszcilloszkóp-felvétel az időfüggvényekről tranzisztor végzi az áramcsopperelést. A tekercs áramát az R1 ellenálláson érzékeljük, amelyet mint ellenőrző jelet egy Schmitt-trigger hasonlít össze az állítható alapjellel. A b ábrán a tekercsre kapcsolt feszültség és áram időfüggvényét rajzoltuk fel, míg a c ábra oszcilloszkóp-felvétel az

időfüggvényekről. Kis és közepes teljesítményű léptetőmotoroknál kedvező, ha a feszültséggenerátoros táplálás helyett áramgenerátorost használunk. Erre mutat egy megoldási lehetőséget a 353 ábrán felrajzolt kapcsolás, amelyben az áramgenerátor szerepét a T2 tranzisztor látja el. A tekercsen átkényszerített áram nagysága: I= U Z − U BE , R (3.24) ahol R a T2 tranzisztor emitterellenállása. Az áramgenerátoros, állandó árammal táplálás hatását kétfázisú gépnél a nyomatéki jelleggörbékre a 7.28d ábra mutatja A d ábrán látható, hogy pl. 1 Ncm terhelőnyomatéknál az üzemi határfrekvencia maximális értéke 650 Hz-ről 850 Hz-re növekszik. Az áramcsökkenés másik oka a forgórész által az állórészbe indukált feszültség növekedése. Ugyanis ha a fázistekercset egy adott feszültségről tápláljuk (feszült+U D2 +U D1 i Léptetőimpulzu T1 D T2 Ube i UZ R Tekercs 3.53 ábra Léptetőmotor

fázistekercsének áramgenerátoros táplálása Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.47 séggenerátoros táplálás), a tekercs ohmos ellenállására a frekvencia növekedésével még állandósult állapotban is csak kisebb feszültség jut, így az áram csökken: I áll. = UT −Ui . R (3.25) A nem aktív-, vagyis a reluktancia forgórészű léptetőmotoroknál a forgórész kisebb feszültséget indukál vissza az állórész tekercsbe, mint aktív forgórésznél, ezért a nem aktív forgórészű motorok nagyobb határfrekvenciákig működtethetők. 3.62 A léptetőmotorok szerkezeti felépítése A bevezetőben beszéltünk a léptetőmotorok lehetséges álló- és forgórész kialakításairól. Most néhány konkrét felépítést mutatunk be. 3.621 Kétfázisú léptetőmotorok A többfázisú léptetőmotorok állórészén a fázisszámnak megfelelő vagy kétszer annyi vezérlőtekercs található. Forgórészük lehet aktív −

azaz állandómágneses − vagy reluktancia-forgórész A hagyományos aktív forgórészű gépek viszonylag nagy nyomatékot (15 Nm) adnak, de határfrekvenciájuk (fÜ0m<1000 Hz) alacsony. A reluktancia-forgórészű gépek nyomatéka kisebb (1.2 Nm), és kisebb − néhány tized fok lépésszög − mellett, nagyobb táp-, ill határfrekvenciákra alkalmazhatók (fÜ0m ≈ 2500 Hz). A később tárgyalt hibrid léptetőmotorok egyesítik az aktív és a reluktancia-forgórészű gépek előnyeit. Nagy nyomaték mellett a határfrekvenciájuk nagy (fÜ0m = 15002500 Hz), és lépésszögük kicsi (α < 1,8°). A gépeket aktív forgórészes, induktor típusú léptetőmotoroknak is nevezik A gyakorlati megoldások egy jelentős részénél az állórész fázisok pólusait és tekercseit az axiális (tengely) irányában eltolják, és az így eltolt részekből egy 2., 3, 3, 5 állórészt alakítanak ki az első mellett (3.55 ábra, ún multistack eljárás) Az

állórészek tehát teljesen azonos felépítésűek, de egymástól fél pólusosztásnyira elfordítva helyezkednek el. Fázisok Elfordítások τp/2 τp 0 1. 2. 3. 3. 5. Fázistekercs Fázistekercs Forgórész fogak Fázistekercs 1. fázis 2 fázis 3 fázis Forgórész 3.55 ábra Többfázisú, multistack léptetőmotor felépítése Nagyobb teljesítményű léptetőmotoroknál gyakori, hogy a tengelyirányban eltolt gépekben (fázisokban) nem az álló, hanem a forgórészeket fordítják el (pl. két fázisnál 90° 3.48 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc villamos szöggel). Általában a tekercselést olyan áramirányokkal készítik, hogy minden fognak egy pólus felel meg Minden impulzus hatására a forgórész egy fél horonyosztásnyit lép A állórész-egység fázistekercs B állórész-egység fázistekercs D É DD Állandómágnesből készült (aktív) kettős hengeres forgórész D É É D É É É D D É D É D

É É D D Körmös pólusok D D Állórész b) Állandómágnes forgórész a) 3.56 ábra Kétfázisú körmös állórész pólusú léptetőmotor felépítése a) az összeszerelt motor; b) kiemelt állandómágneses forgórész A 3.56 ábrán a kétfázisú gépeknél nagyon gyakori, két állórészű motort láthatunk Az a ábra az összeszerelt motort, a b ábra a kiemelt kettős forgórészt mutatja. A 90-os eltolás nem az állórészen, hanem a két különálló állandómágnes gyűrűből álló forgórész megfelelő mágnesezésével és eltolásával történik. A forgórész bárium-ferritből készül, ami éles pólushatárokkal mágnesezhető. Mindegyik különálló állórész-egység egymásba tolt körmös pólusokból áll, amelyeket egy-egy szolenoid-tekercs gerjeszt. A lemezből kialakított körmök számával tudjuk a lépésszöget egyszerűen befolyásolni. Egy adott, gerjesztőtekercsben folyó áramiránynál a tekercs egyik feléhez kapcsolódó

póluskörmök északi pólusok, a másik feléhez kapcsolódóak pedig déliek. Az ilyen típusú motoroknál szokásos lépésszögek: α = 22,5; 18; 15; 11,25; 9; 7,5; 6°. A 3.57 ábra aktív, tárcsaforgórészű, kétfázisú léptetőmotort mutat Az a ábrán a motor elvi felépítése, a c ábrán a hosszmetszete látható. A motor forgórésze axiálisan mágnesezett ritkaföldfém-mágnes egy vékony hordozótárcsa felületén. (b ábra) Ebből adódódik a forgórész rendkívül kis tehetetlenségi nyomatéka, valamint a viszonylag nagy forgórész átmérőből adódó nagy nyomatéka. Ezek eredményeként rendkívül kedvező a motor M/J állandója, gyorsulása, vagyis a dinamikai jellemzői. Egy különleges mágnesezési eljárás nagy pólusszámok kialakítását teszi lehetővé a forgórész tárcsán, amellyel kisebb lépésszögek (6; 3,6; 1,8°) érhetők el, mint a előzőekben tárgyalt kétfázisú gépekkel. Az állórész Összeállította: Dr. Nagy

Lóránt autvg MA szervo.doc 3.49 B fázis B fázis A fázis É D A fázis a) É b) c) 3.57 ábra Kétfázisú, tárcsaforgórészű léptetőmotor felépítése a) elvi szerkezeti felépítés; b) a forgórész tárcsáról készült fényképfelvétel; c) hosszmetszet mágneses körét a lehető legrövidebbre tervezték, valamint jó minőségű, kis vastagságú lemezeléssel elérték, hogy a nagy lépésfrekvenciák (10 kHz) ellenére a vasveszteség kicsi és a nyomaték nagy maradt. A motor ideális olyan alkalmazásoknál, ahol gyors és precíz elmozdulásokat kell elvégezni egy egyszerű, nyitott hurkú hajtással 3.622 Többfázisú hibrid léptetőmotorok Az aktív forgórészű léptetőmotorok a reluktancia-forgórészű léptetőmotorokhoz képest nagyobb statikus nyomatékot és kisebb határfrekvenciát adnak. A működési sebesség (határfrekvencia) csökkenésének okát abban kereshetjük, hogy az aktív (állandómágneses) forgórész fluxusa

villamos csillapítást tétesít További jelentős hátrány az, hogy a villamos gerjesztés lemágnesezést okoz, ill a lépések alatt a mágnes munkapontja számottevően változik A hibrid léptetőmotorok kidolgozóit az a cél vezette, hogy olyan motort készítsenek, amelyben megvannak mind az aktív, mind a reluktanciamotorok előnyei, hátrányos tulajdonságaik nélkül. Az állandómágnes fluxusa a léptetés alatt „változatlan" (közelítőleg állandó) Ezek a léptetőmotorok az állandómágneses rotor miatt nagy nyomatékúak, de megtartják a reluktancia-forgórészű gépek nagy működési sebességét és kis lépésszögét. Az állandómágnes körének mágneses ellenállása a rotor elforgatásával nem változik Az állandómágnessel gerjesztett „pólusok fluxusa" − a különleges kialakítás és a mágnes kis permeabilitása (kis mágneses vezetőképessége) következtében − a fogazott sapkákon záródik, így lemágnesezést nem

okoz. A 3.58a és b ábrán egy ötfázisú, hibrid léptetőmotor felépítése látható a fluxusirányok bejelölésével. Ezeknél a motoroknál a lemezelt állórész 10 kiálló pólusból áll (c ábra), minden póluson 4 fogat alakítanak ki. Két-két átellenben lévő póluson helyezkedik el az ötfázisú tekercselés. A fázistekercsek által létrehozott erővonalkép radiális irányú (a ábra) A forgórész egy axiális irányban mágnesezett állandó mágnesből áll, amelynek két homlokoldalára lágymágneses anyagból készült serleget (sapkát) húznak (b és d ábra). A serleg külső felületét hornyolják, kiálló pólusokat alakítanak ki. Ebből adódik, hogy egy-egy serlegen a hornyolt pólussaruk azonos mágneses polaritásúak. A forgórész északi pólussaru- 3.50 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc ihoz képest a mágnes átellenes oldalán lévő déli pólussarukat 90°-os villamos szöggel tolják el (d és e ábra).

2 4 5 Fázistekercs 1 Fogazott forgórész sapka 3 D a) É b) Állandómágnes Állandómágnes D Forgórész tengely É Csapágy D É Fogazott lágyvas forgórész sapka c) d) e) 3.58 ábra Ötfázisú, hibrid léptetőmotor felépítése a fluxusirányok bejelölésével a) keresztmetszet; b) axiális metszet; c) állórész lemez; d) a forgórész elvi nézeti képe; e) a tényleges Berger-Lahr motorról készített fényképfelvétel A forgórész mágnes által létrehozott axiális irányú erővonalképet a b ábra mutatja. Mivel a gerjesztő tekercs és a mágnes által létrehozott fluxusok nem azonos irányúak, az armatúravisszahatás gyakorlatilag nem befolyásolja az állandómágnes munkapontját. Mint az az e ábrán megadott fényképfelvételből látható, a nyomaték növelése érdekében a tény- Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.51 leges ötfázisú motorba három ilyen „fogazott serleg − állandómágnes”

szerkezeti egységet helyeztek axiális irányban egymás mellé. Az ilyen típusú ötfázisú hibrid léptetőmotorok szokásos lépési szögei: α = 3,75; 3,6; 3; 2; 1,8; 0,9; 0,72; 0,45; 0,36°. 3.63 A léptetőmotorok vezérlése A modern, nagyteljesítményű, pozícionálási feladatokat ellátó, jelenleg legtöbbször ötfázisú léptetőmotorokat modern vezérlő- és teljesítményelektronikáról működtetik, és áramszabályozással, valamint különböző (többek között hőmérsékletvédelemmel) látják el. Egy ilyen vezérlő elektronika blokkvázlata látható a 3.59 ábrán 5fázisú vezérlő logika Vezérlőjelek Üzemkészség Védelmi és felügyeleti funkciók Végfokozat Áramszabályozó 3.59 ábra Léptetőmotor-vezérlő egység funkcionális blokkvázlata (Berger-Lahr) A 3.60 ábrán feltüntettük, hogy a valóságban a vezérlő kártya milyen bemeneti jeleket igényel. (A PWM/Boost bemenettel az áramot szabályozhatjuk) A be- és kimeneti

jelek és a teljesítményelektronika rendszerint galvanikusan elválasztott egymástól. Tápegység 5 fázisú léptetőmotor (VDRM 566/50 LNC) Léptető ipulzusok Léptetési irány Engedélyezés Teljesítmény kártya (D450) PWM/Boost Üzemkészség 3.60 ábra A léptetőmotor teljesítmény végfokozatának működtető jelei (Berger-Lahr) 3.52 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc Kapcsoló üzemű tápegység Féllépés 5-fázisú vezérlő logika K Egészlépés 1. fázis V Léptető impulzusok Léptetési irány Engedélyezés PWM/Boost Fázisáram alapjel K V 2. fázis K V 3. fázis K V 3. fázis K V 5. fázis Referencia Üzemkészség kapcsoló Álló helyzet Védő és felügyelő elektronika Zárlat, túlterhelés, túlmelegedés, alacsony feszültség 3.61 ábra A teljesítményvezérlő kártya blokkvázlatszerű belső felépítése (Berger-Lahr D450 típus) A teljesítményvezérlő kártya blokkvázlatszerű

belső felépítését a 7.39 ábra mutatja Az ábrán bejelöltük a legfontosabb funkciókat. 3.63 A léptetőmotorok alkalmazása Mint már volt róla szó, a léptetőmotorok esetén (ha a motor nem téveszt lépést) szabályozókör nélkül is viszonylag pontosan ismerjük az elfordulási pozíciót. Ez azt jelenti, hogy (nyitott hurkú) vezérléssel tudunk egy adott pozícióba beállni. Mivel nincs zárt szabályozási kör, természetesen szabályozási lengések sem lépnek fel. A 3.62 ábrán a léptetőmotoros és a hagyományos pozícionáló rendszerek egy összehasonlítását láthatjuk. Klasszikus esetben (első sor) a pozícionáló kör teljesen nyitott Bizonyos külső zavaró jelek (mechanikai nehézségek, kiesés szinkronból) és a technológiai folyamat igényei esetén szükség lehet egy forgás-felügyeletre (ami azonban nem visszacsatolás). Hiba esetén ez az ellenőrző rendszer optikai-, vagy hangjelzést szolgáltat és szükség esetén kikapcsolja a

rendszert. Léptetőmotoros pozícionáló szervorendszer esetén (harmadik sor) a léptetőmotorra pozícionáló jeladót építenek (3.63ábra), és visszacsatolt pozíciószabályozókört építenek ki Az ilyen rendszer beállási tulajdonságai a negyedik sorban felrajzolt hagyományos szervomotoros rendszerekével egyeznek meg. Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc 3.53 Léptetőmotor-rendszer Vezérlés (program) Egyszerű, olcsó, robusztus, karbantartásmentes. Teljesítmény kb. 1 kW-ig Teljesítmény elektronika Léptetőmotor forgásfelügyelettel Vezérlés Egyszerű, olcsó, robusztus, karbantartásmentes. Teljesítmény kb. 1 kW-ig Teljesítmény elektronika Léptetőmotoros pozíciószervorendszer Vezérlés Pozíciószabályozó Mint a léptetőmotor rendszer, de zárt pozíciószabályozókörrel a szervo rendszerek tulajdonságaival Teljesítmény elektronika Tachogenerátor Vezérlés (program) Pozíciószabályozó

Szervoerősítő Pozícióadó Hagyományos szervomotoros szervorendszer Pontos, megbízható, de költséges, bonyolult, nem mindig éri meg. Nagyobb teljesítmények esetén versenyképes. 3.62 ábra A léptetőmotoros és a hagyományos pozícionáló rendszerek összehasonlítása Léptető motorokat használnak az adatfeldolgozásnál, a mérés- és a szabályozástechnika berendezéseiben és a numerikusan vezérelt szerszámgépeken. Bizonyos esetekben léptetőmotorokkal oldják meg a pozicionálás, a digitál-analóg átalakítás feladatait Forgathat adószelszint, kontrolltranszformátort, vagy potenciométert. Használható egyszerű matematikai műveletek (összeadás, integrálás) végzésére is, mivel a beérkező impulzusokat megszámolja és összeadja. Alkalmas számlálók kijelzésére és impulzusok tárolására. A nagyobb nyomatékú, erőátviteli léptetőmotoJeladótárcsa rokat fogaskerék áttételek, vagy nyomatékerősítők segítségével

beavatkozó szervként használják. Megoldható vele retesz, tolózár, távkapcsoló működtetése, de legelterjedtebben programvezérlésű szerszámgépek Fotóérzékelő mellékhajtásaiban (pl. előtolás) alkalmazzák A léptetőmotorok alkalmazása tehát széleskörű. A teljesség igénye nélkül néhány fontosabb terület: robotok; CNC megmunkáló gépek, adatrögzítők fejmozga3.63 ábra Inkrementális jeladóval egybeépített léptetőmotor (Berger-Lahr) tó motorjai, X-Y írók; nyomtatók; regisztráló készülékek stb. A léptetőmotorok szokásos lépésszögei: 90°; 45°;°22,5°; 18°; 15°; 11,25°; 9°; 7,5°;6°; 3,75°; 3,6°; 3°; 2°; 1,8°;0,9°; 0,72°; 0,45°; 0,36°. 3.54 Összeállította: Dr. Nagy Lóránt autvg MA szervo.doc