Stegmotorteknik. Så fungerar stegmotorn. Olika drivsätt. Terminologi

Stegmotorteknik Så fungerar stegmotorn Olika drivsätt Terminologi Stockholm Eksjö Oslo Tumstocksvägen 11 B Tel. +46 (0)8 446 37 70 Tel. +46 (0)381 120 70 Tlf. +47 23 37 22 20 S-187 66 Täby Sweden Fax. +46 (0)8 732 68 35 Fax. +46 (0)381 120 78 Fax. +47 22 68 96 14 elmotor@allmotion.se inggdalb@online.no

1 Stegmotorsystem, inledning Ett typiskt system baserat på en stegmotor, består av en motor och en drivenhet vilken innehåller en styrdel, ett effektsteg och en strömförsörjning. Styrdelen svarar för att varje motorfas förses med rätt ström nivå i rätt ögonblick och effektsteget matar strömmen som tas från en DC strömkälla. Drivenheten matas vanligen med pulser och en riktningssignal från en indexer eller något programmerbart styrsystem. Dessa genererar ett pulståg, där frekvensen bestämmer motorns hastighet och antalet pulser motorns position I de följande kapitlen använd en del stegmotor typiska termer. I Appendix 6.2 finns de vanligaste listade i bokstavsordning. Stegmotorer har en rad fördelar: Den enda helt digitala motorn. Mycket enkel att styra från alla digitala system Enkel och kostnadseffektiv Inget ackumulerande vinkelfel Borstlös Underhållsfri Står helt still vid noll hastighet Mycket högt vridmoment Hållmoment i stillestånd Kan aldrig överbelastas mekaniskt Kräver ingen återkoppling Reverserbar Olika fabrikat mekaniskt kompatibla Stegmotorns nackdelar Extremt känslig för yttre tröghetsmoment Ingen återkoppling av det verkliga mekaniska läget Känner ingen skillnad på olika belastning Kan kugga över och tappa position utan förvarning Klarar sällan varvtal över 1 500 rpm Begränsad dynamik Kan inte ge något extra startmoment Tappar moment i takt med ökande varvtal Har ett relativt högt ljud 1

2. Stegmotorteknologi Stegmotorn omvandlar digitala pulser till en inkrementell rotation av motoraxeln. Antalet inkrement eller steg är proportionell mot de genererade pulserna och rotationshastigheten är en funktion av de inmatade pulsernas frekvens. Dessa pulser alstras enkelt av mikroprocessorer, logikkretsar eller t.o.m. kontakter eller relä. Drivelektroniken fungerar som en fördelardosa, varje puls omvandlas till en sekventiell ström i respektive motorlindning. Oftast gäller att en puls vrider motorn ett steg. Vår enkla modell består av en rotor som är en permanentmagnet. Den har en Sydoch Nordpol och vrids i en stator med 4 poler. Runt varje statorpol finns en lindning av koppartråd. Antag att rotorn befinner sig som i 1a. När N1 och S1 magnetiseras vrids rotorn 90 och hamnar i läge 1b. Genom att rotera statorpolernas magnetfält, kommer rotorn att nå läge 1c och 1d. Dessa lägen är diskreta och stabila och motorn kommer att ha en stegvis rotation. Fig.1 Principen för en stegmotor 2.1 Stegmotorns uppbyggnad. Det finns i huvudsak 4 olika stegmotorkonstruktioner. Variabel Reluktans (VR) Permanet Magnet (PM) Hybrid (HY) 2, 3 och 5-fas Disc Magnet (DM) Om inget annat anges antar vi att det gäller 2-fas stegmotorer. 2

2.1.1 Variabel reluktans Den principiella uppbyggnaden framgår av figur 1. Fig. 2 Variabel reluktansmotor Statorn består av laminerade isolerade stålplattor och i vårt fall formade till sex poler A, A, B, B, C och C enl. fig.2. Koppartråd är lindad runt varje pol. Statorn är placerad i ett hölje som håller paketet på plats. Rotorn är gjord av mjukjärn och är försedd med ett antal tänder. Motoraxeln är fäst vid rotorn och lagrad i båda ändar. Genom att skicka ström genom lindningen kommer statorpolen att magnetiseras. Närmaste rotor tand attraheras till statorpolen. Om strömmen genom den första polen upphör och nästa statorpol magnetiseras, kommer rotorn att vridas ett steg. För att reversera motorn, körs sekvensen för respektive pol åt andra hållet. VR motorn kan uppnå hög hastighet men med ganska lågt moment. Denna motortyp används mycket sällan idag. 2.1.2 Permanent Magnet PM stegmotorn visas i fig. 3 och 4. Fig. 3 Principen för PM stegmotor 3

Fig.4 PM stegmotor uppbyggnad PM motorn har till skillnad från VR motorn, en rotor utan tänder men med integrerad permanent magnet. Observera från fig. 3 hur magneten är placerad. Statorn består av två plåthalvor av stål med utstansade tänder som böjts upp runt rotorn. Se fig.4. Motorn kallas Tin Can motor ( konservburks motor). Runt tänderna i vardera halva, sitter en rund spole med koppartråd. Precis som tidigare kommer rotorn att flyttas ett steg, när spolarna magnetiseras. Den enkla motorn i fig.3 har tre syd- och tre nordpoler i rotorn. Stegvinkeln blir 30. Genom att ha en än mer mångpolig magnet, kommer stegvinkeln att minska. PM stegmotorn lämpar sig för måttliga hastigheter, har högt moment och en god dämpning Kommersiellt tillverkas denna motor i stora antal. Vanliga diametrar är 10, 15, 20, 25, 36, 42 och 57 mm med stegvinklar mellan 7,5-18. PM motorn används i bläckstråleskrivare, datorer, luftkonditionering m.m. Priset ligger på endast 2-8$ vid stora volymer och nästan all tillverkning sker i Asien. 2.1.3 Hybrid Stegmotor 2-fas Precis som namnet antyder, är hybrid motorn en kombination av flera egenskaper. Den förenar VR motorns höga hastighet med PM motorn styrka och dämpning. Lindning Statorpol Fig. 5 Hybridmotorn uppbyggnad. Fig. 6 Stator 4

Hybridmotorer är enkelt uppbyggd av endast 5 huvudkomponenter. Den består vanligen av 8 st statorpoler, som är försedda med tänder. Runt varje statorpol finns 2 lindningar, vilket gör att polen, beroende på strömmens riktning, antingen kan bli syd- eller nordpol. Fig. 7 Rotorns uppbyggnad hos en hybridstegmotor Rotorn består av 2 laminerade kugghjulsliknande halvor. Inuti sitter en permanentmagnet vanligen av Neodym. De bägge halvorna är vridna, så att tänderna på ena sidan passar försänkningarna på den andra. Se fig.7! Ena halvan blir således nord- och den andra sydpol. Vanligen har rotorn 50 tänder. Funktionen är följande Stator 1,5 Stator2,6 Stator 3,7 Stator 4,8 Läge 1 Läge 2 Läge3 Fig. 8. Hybridstegmotorns stegförlopp 5

I läge 1 befinner sig Rotorns Sydpol mitt för Stator 1 och 5 (motstående i fig. 6) som nu är magnetiserad som Nordpol. Stator 3 och 7 är Sydpol och hamnar mitt för Rotorns Nordpol. I läge 2 har vi flyttat magnetfältet i Statorn genom att magnetisera Polerna 2+6 samt 4+8. Rotorn flyttar sig ½ tand vilket i detta fall motsvarar 1,8. Genom att rotera magnetfältet i statorn kommer rotorn att stegvis finna ett antal diskreta stabila lägen. Stegvinkeln blir 360 / z / f / p z= antalet tänder =50 p= antal rotor poler =2 f= antalet faser =2 d.v.s. 1.8 eller 200 steg. Hybridmotorn finns i ett antal standardiserade storlekar med s.k. Nema fläns. De flesta mått är ursprungligen i tum. Moderna hybridmotorer är inte runda utan kvadratiska. Vanliga flänsmått är 35, 39, 42, 56, 86 och 110 mm. Stegvinkeln är nästan alltid 1,8 men även 3,6 och 0,9 förekommer. Varje storlek finns oftast i 2-4 olika längder. Hybridmotorn tillverkas i stora antal och priset ligger då på 5-20$ för 35-56 mm stegmotorer. 86 och 110 mm stegmotorer används i mycket mindre antal. Viss tillverkning sker i USA och Europa, men det mesta sker i Asien och då främst Kina. Typiska användningsområden är printrar, medicinska analysinstrument, radiobasstationer, industriautomation etc. 2.1.4 Hybridstegmotor 5-fas Under 1970-talet fick tyska Berger Lahr patent på en 5-fas stegmotor som var överlägsen alla dåtidens 2- fas motor system. Motorn var starkare, inte behäftad med resonansproblem och hade en stegvinkel på endast 0,72 (anm. 500 steg och en kulskruv med 5 mm stigning gav 0,01 mm i upplösning). 1992 upphörde patentet. Berger Lahr, Oriental Motors och Sanyo Denki tillverkar fortfarande 5-fas motorer i större omfattning. Tack vara bättre drivelektronik har 2 fas stegmotorn idag nästan samma prestanda, men till en mycket lägre kostnad. Det finns dock ett antal tillämpningar för mätinstrument eller medicinteknik, där 5-fas motorns mycket mjuka och nästan resonansfria gång är helt nödvändig. Nackdelen är att antalet transistorer i drivsteget blir 10 eller 20 st vilket gör totallösningen dyr. 6

Betrakta följande s.k. vektordiagram (se vidare under kapitel 5). Varje vektor representerar momentet från resp. fas. Om man adderar M4, +M5, +M1 och +M2, får man en totalvektor av 4 faser. Denna vektor representerar momentet med längden A. Den 5:e fasen, M3, ger vid B summan av alla 5 faser. Men tillskottet är endast 4-5%! Därför kan man driva motorn med 4 faser och låta den 5:e verka bromsande. Detta ger en mycket jämn gång med en naturligt högre stegupplösning (0,72 istället för 1,8 ). B -M3 M1 M2 A M5 M2 M1 M5 M4 M3 -M4 Fig. 9. 5-fas stegmotorns vektordiagram av fasernas inverkan. 2.1.4 Hybridstegmotor 3-fas 3 fas stegmotorn är en nyare variant av hybridstegmotorer från vissa tillverkare. Tidigare fanns endast några japanska och tyska tillverkare av 3-fas stegmotorer. Numera finns även amt STEP-line i 3-fas utförande och med tillverkning i Kina har priserna nästan halverats. 3-fas stegmotorn har en rad fördelar Kräver endast 6 transistorer i drivsteget och kan använda samma drivmoduler som servomotorer eller frekvensomriktare. Har 1,2 stegvinkel (300 steg) Kan köras nästan ljudlöst Har betydligt jämnare gång än 2-fas stegmotorn men når inte riktigt 5-fas motorn. Tack vare att 2-fas stegmotorn tillverkas i många miljoner svarar den för 95% av antalet hybridstegmotorer. Men 3-fas stegmotorn kommer i framtiden att bli mer och mer utbredd. 7

2.1.5 Jämförelse mellan hybridstegmotor 2, 3 och 5-fas Typical internal connections 2 phase 3 phase 5 phase Monophoilar (Bipolar) Star type (Bipolar) RED Pentagon type (Bipolar) BLACK BLACK BLUE BLUE RED ORANGE WHITE BLUE RED Biphailar (Unipolar ) YELLOW WHITE BLACK YELLOW YELLOW Lead wire colors are shown in Sanyo standard version. ORANGE ORANGE RED BLACK YELLOW Fig.10. Inkoppling av 2, 3, och 5-fas stegmotorer (Sanyo Denki) Antal faser 2 3 5 Stegvinkel 1,8 1,2 0,72 Drivsätt Unipolär Bipolär Bipolär Bipolär Antal transistorer 4 8 6 10 Kopplingstyp Bifilär Monofilär Y-koppling Pentagon Antal statorpoler 8 12 10 Antal anslutningsledare 6 4 3 5 Momentförhållande (TG/TH) 0,707 0,707 0,866 0,951 Fig.11. Olika parametrar för 2, 3, och 5-fas stegmotorer 8

Hållmoment (TH) - Max moment(tg) = Moment rippel TG (2-fas) = 0,707xTH TG (3-fas) = 0,866xTH TG (5-fas) = 0,951xTH Det är mycket viktigt att välja rätt motortyp, för applikationer som kräver låga vibrationer och hastighetsvariationer. 2-fas 3-fas 5-fas?? g?? Th Tg?g?? Th Tg?g?? Th Tg? p x 0 90 180 270 360? p x 0 60 120 180 240 300 360? p x 0 36 72 108 144 180 216 252 288 324 360 Fig.12 Momentrippel med 2, 3 och 5-fas hybridstegmotorer Dynamic characteristic (2/3/5 (F/T curve using the same current) 3.5 Pull out torque(kgfcm) 3 0.3 Pull out torque(n m) 2.5 0.35 0.25 Driving power 5 phase current:3a (half step) excitation: load JL=0.937 10-4 (including couppling) 2 1.5 0.2 0.15 3 phase micro (half step) 1 0.5 0.1 0.05 2 phase micro (half step) 0 0 0.01 0.1 1 10 100 1000 Speed (s -1 ) Fig.13 Dynamisk karaktäristik 9

Fig. 14. Fördelen med 3 och 5-fas stegmotorer jämfört med 2-fas. Som framgår av fig. 10-14 har 5-fas stegmotorn klart bäst prestanda. Tittar man på prisbilden och även ljudnivån är 3-fas stegmotorn den mest ideala stegmotorn. 10

2.1.6 Disc Magnet Portescap i Schweiz tillverkar en stegmotor som skiljer sig från alla andra. Den största skillnaden är att den är axiellt magnetiserad. Se fig. 15! Fig.15 Disc Magnet stegmotor Rotorn består av en tunn magnetskiva av SamariumCobolt. Skivan är indelad i tårtbitar av syd- och nordpoler. Statorn är uppbyggd av laminerade poler. Runt hela statorn ligger en bananformad kopparlindning. Motorn fungerar precis som alla 2 fas stegmotorer men har 2 unika egenskaper. Tack vare skivans ringa vikt och avsaknaden av järn gör att motorn blir extremt dynamisk. Motorströmmen kan kortvarigt fördubblas och motorn ger nästan dubbla momentet. Varvtal upp till 5-10 000 rpm är också möjliga. En järnlös rotor innebär också bättre linjäritet. Vid s.k. mikrostegning blir stegen jämnt fördelade och en hög positionerings noggrannhet kan uppnås. DM motorn ligger i gränslandet mellan steg- och servomotorer. Motorn finns med diameter 10, 16, 32, 39, 52, 65 och 105 mm. Om det inte vore för det höga priset skulle denna motor användas mycket mer. 11

3 Moment och hastighetsprofil Innan vi går in på hur stegmotorn drivs måste tre viktiga begrepp nämnas. 3.1 Moment 3.1.1 Hållmoment Alla stegmotorer har ett s.k. hållmoment (Eng=Holding torque, Tys=Haltemoment) när motorn står still. Om man matar maximalt tillåten ström genom motorlindningarna blir detta det högsta moment som stegmotorn kan prestera. I databladet anges alltid hållmomentet, men man skall veta att det praktiska vridmomentet vid drift är ca 20% lägre. 3.1.2 Restmoment Även om stegmotorn är helt strömlös, har den ett visst hållmoment. Detta kallas restmoment (Eng=Detent torque, Tys=Resthaltemoment). En VR motor har nästan inget restmoment, medan en Hybridmotor kan ha 10% av hållmomentet. Disc Magnet motorer finns i utförande med restmoment på 3-4% av hållmomentet. Detta restmoment är mycket besvärande vid s.k. mikrostegning, om man samtidigt vill ha en hög upplösning med litet stegfel. Se avsnitt 5.3. 3.2 Momentkurva Vi skall nu bekanta oss med den s.k. moment kurvan för en stegmotor. Det är en graf som visar momentet som en funktion av stegfrekvensen. M (Nm) Pull out Pull in=start-stopp frekvens Fig. 16. Momentet som funktion av stegfrekvensen f steg/sek 12

En stegmotor har en s.k. start-stopp frekvens eller ett pull-in moment. Det är den maximala stegfrekvens, som stegmotorn momentant kan hoppa igång vid. Som framgår av fig. 16 sjunker start-stopp frekvensen med ökande belastning. Observera att kurvan avser en obelastad stegmotor och om ett yttre tröghetsmoment (svängmassa) adderas, sjunker start-stopp frekvensen betydligt. Men stegmotorer klarar mycket högre frekvenser! I fig. 16 anges också det s.k. pull-out moment d.v.s. det maximala moment en stegmotor kan leverera vid olika frekvenser, givet att den accelereras upp till sin arbetsfrekvens. Observera att det angivna momentet är det absolut maximala en stegmotor kan lämna vid en given frekvens. Det finns inget extra startmoment. Skulle momentetbehovet, även kortvarigt överskrida kurvan, kommer motorn ofelbart att tappa sin synkronism. 3.3 Hastighetsprofil Betrakta en typisk hastighetsprofil i fig. 17. Stegmotorn kan genom att direkt starta med frekvensen f 1, tjäna in tiden mellan 0 och t 1. Detta är mycket intressant vid korta snabba rörelser, t.ex. matningar med 120 per förflyttning. Typisk start-stopp frekvens är 200-1 000 Hz. Om vi vill nå frekvensen f 2 måste en accelerations ramp användas. Stegmotorn ökar linjärt sin hastighet under tiden t 1 till t 2 från frekvensen f 1 till f 2. Ofta användes samma ramp också för retardationen. Stegfrekvens (Hz) f 2 f 1 tid (sek) 0 t1 t2 t4 t5 Fig.17. Hastighetsprofil. 13

4 Drivning av stegmotorer. En stegmotor har vanligen 4, 6 eller 8 anslutnings ledare. I detta avsnitt använder vi hybridmotorn som referens, eftersom den är vanlig och används i många tillämpningar. Fig. 18 Hybridstegmotor Som vi tidigare noterat från fig. 18 har hybridstegmotorn 8 poler med två lindningar runt varje pol. Dessa lindningar är internt ihopkopplade, så att motstående poler hänger ihop. Från motorn erhålls alltså 4 lindningar, i figuren angivet som A och A- samt B och B-. Vid tillverkningen bestäms om 1+3+5+7 skall kopplas i serie eller parallellt och bilda lindning A. På samma statorpoler finns A- som är lindad i mottas. Ut från motorn kommer alltså 4 lindningar, 2 för varje fas. Lindningarna kan kopplas på olika sätt beroende vilka prestanda man vill uppnå. O bservera att det nästan alltid är drivelektroniken som sätter gränserna och sällan motorn. Samma motor med olika drivning, kan ge 3 ggr högre vridmoment med optimal modern drivteknik. Sättet att ange varje lindning varierar från tillverkare och land. Vanliga sätt är Fas A = A+ och A- Fas 2 = B+ och B- Fas 1 = 1A och 1B Fas 2 = 2A och 2B 4.1 Unipolär drivning Detta är ett billigt och ganska primitivt sätt att driva en stegmotor. Det används idag endast på mycket små stegmotorer men också i USA, mest för att hålla nere kostnaden, då stegmotorpriserna är mycket högre än i Europa. Många japanska motorer avsedda för USA marknaden har oftast 6 ledare. 14

Fig. 19 Unipolär drivning I fig. 19 används beteckningen 1A och 1B för den ena fasen. Dessa två lindningar har kopplats ihop till ett mittuttag. Samma sak gäller för fas 2. Mittuttagen ansluts till + polen på ett nätaggregat med lämplig spänning. Ofta anges motorns spänning men den kan också beräknas genom att multiplicera R med I=nominell ström. De återstående ändarna förbinds via transitorswitchar som är anslutna till 0V. I tabellen betyder TILL att respektive transistor är sluten och ström flyter genom lindningen. Steg 1A 1B 2A 2B 1 TILL FRÅN TILL FRÅN 2 TILL FRÅN FRÅN TILL 3 FRÅN TILL FRÅN TILL 4 FRÅN TILL TILL FRÅN 5 TILL FRÅN TILL FRÅN Från tabellen kan vi dra ett antal slutsatser. Strömmen går bara åt ett håll genom lindningen (unipolär). Endast halva lindningen är inkopplad samtidigt Det 5:e steget är identiskt med det första. Under de 4 första stegen är motorns faskombinationer unika. Från och med steg nr. 5 blir motorn inkrementell. Vi kan inte avgöra om den gått 5 eller 405 steg. Efter 4 steg har vi gått 360 elektriska grader och eventuella vinkelfel nollställs. Att realisera ett sådant drivsteg är mycket enkelt och billigt. Observera att motorn blir spänningsstyrd. I databladet anges alltid en 6- ledarmotor med data för unipolär drift. Ibland kallas den också 4 fas stegmotor. De värden som är angivna för ström eller spänning och unipolär drivning avser varje lindning t.ex. 1B mätt mellan mittuttag och 1B s fria ände. 15

Vi väljer en godtycklig stegmotor. Motorn har 200 steg per varv. Värden vid unipolär koppling enligt databladet R = Fasresistans = 10 ohm I = Fasström = 0,5A. L = Induktans = 7,5mH. Ofta anges motorer för den amerikanska marknaden också med spänning. Detta är intressant vid spänningsdrivning men ointressant vid strömdrivning. I detta fall blir spänningen (spänningsfallet) 5V. Unipolär drivning har 2 besvärande nackdelar. Varje lindning har inte bara en viss resistans utan också en induktans. En induktans strävar efter att behålla sitt strömtillstånd. Detta är vid start givetvis noll. När lindningen kopplas till 5V stiger strömmen enligt I(t)=I*(1-e -t/(l/r) ) (ekv. 3:1) t=inkopplingstiden d.v.s. tiden mellan två pulser. Vi önskar köra med en hastighet av 5 varv per sekund. Detta motsvarar en stegfrekvens på 5x200 steg = 1 000 steg per sekund. Tiden mellan två pulser blir 1 ms. Om vi i ekvation 3:1, sätter in värden för t, R och L, finner vi att I=0,37A. Strömmen har nått upp till knappt 65% av nominellt värde, då den kopplas ur igen. Momentet sjunker följaktligen vid denna hastighet. Skulle vi öka till 2 000 steg per sekund blir t=0,5 ms. Strömmen I når ett slutvärde av 0,24A. Detta visar tydligt varför en stegmotor tappar moment med ökande hastighet. Eftersom endast hälften av motorns lindningar är inkopplade samtidigt utnyttjas motorn inte maximalt. Momentet kan aldrig bli mer än 70% av det maximala värdet. Hur skall man komma runt dessa svagheter? För alla motorstyrningar gäller att induktansens inverkan måste minimeras. Genom att införa s.k. L/R drivning kan man lura motorn att induktansen har minskat. Mellan mittuttaget och + kopplas ett effektmotstånd, ett för varje fas. Ett lämpligt värde är t.ex. 20 ohm. Nu är den totala resistansen 20+10=30 ohm. Vid 5V ger detta endast en fasström på 0,17A. Spänningen måste alltså ökas till 15V. Vi antar att hastigheten skall vara 1 000 steg d.v.s. t=1 ms. Dessa värden för t, L och R=30 sätts in i ekv. 3:1 och vi att finner I=0,49A. Motorns ström och därmed moment har ökat väsentligt. 16

Men vi har också skaffat oss en värmekälla! Genom varje 20 ohms motstånd flyter 0,5A. Förlusteffekten blir P=0.5 2 *20= 5W. Nätaggregatet måste leverera Pin=15*2*0.5=15W där 10W försvinner via motståndet. Dessa styrningar var vanliga fram till slutet av 1980-talet och har nästan helt ersatts av bipolära chopperdrivningar. 3.2 Bipolär linjär drivning Som namnet antyder kan strömmen gå åt bägge håll genom motorlindningarna. Vi kan nu inte använda en 6 ledar motor utan behöver endast 4 anslutnings ledare. 1A 1B 2A 2B Fas 1 Fas 2 Fig. 20 Bipolär linjär drivning (spänningsstyrning) Som vi ser är de två faserna kopplade i s.k. H-brygga. Om transistorswitcharna TR1 och TR4 leder, går strömmen genom lindningen från vänster till höger. Om TR3 och TR2 leder, går strömmen i andra riktningen. Därför namnet bipolär drivning. Man behöver 2 H-bryggor för varje stegmotor, totalt 8 transistorer. 3.2.1 Bipolär drivning - seriekoppling. Om vi använder vår motor enl. figur 20 har vi nu också möjlighet att utnyttja hela motorn. Vid unipolär koppling har denna motor R=10 ohm och I=0,5A. Förlusteffekten i fas 1 blir R*I 2 =10*0.5 2 =2,5W. 17

Vi kan även vid bipolär koppling tillåta samma förlusteffekt men nu i hela fasen 1 respektive 2. Eftersom vi har seriekopplat lindningarna är R=20 ohm. Den ström vi söker är 2 2 P=R* I s = 20* I s = 2,5 I s =0,35A. Det visar sig att strömmen vid bipolär seriekoppling jämfört med unipolär blir I s =I uni / 2. En annan mindre god nyhet är att induktansen vid seriekoppling inte fördubblas men väl 4-faldigas. L blir nu 30 mh. Stegsekvensen blir identisk med unipolär koppling, men med plus och minus för att visa vilket håll strömmen går. Steg 1A 1B 2A 2B 1 + - + - 2 + - - + 3 - + - + 4 - + + - 5 + - + - Med bipolär koppling har vi n u ett 30% högre moment eftersom hela motorn är inkopplad. R=20 ohm och I s=0,35 vilket innebär att spänningen skall vara 7V för att få rätt förhållande. I(t)=I*(1-e -t/(l/r) ) (ekv. 3:1) Vi kan återigen sätta in våra värden i ekv. 3:1 vid 1 000 Hz. Tänk på att L=30mH! R esultatet blir I s = 0,17A alltså endast 50% av nominell ström. Motorn har 30% mer moment än vid unipolär drivning, så momente t blir ungefär detsamma som vid denna koppling. Med endast 7V matningss pänning tappar motorn snabbt moment så fort hastigheten överstiger 1 000 steg per sekund. Man kan även här införa seriemotstånd och få samma värme bekymmer som tidigare. Hur kan man förbättra motorns prestanda ytterligare? 3.3 Bipolär chopper drivning Styrningar i exemplen hittills har varit linjära d.v.s. en transistorswitch kopplar in och ur faserna för varje steg. Som tidigare sagts gäller det att minimera induktansens inverkan. Om vi inför en konstant strömstyrning ökar våra möjligheter. 18

En chopper drivning (annat ord är switchad drivning) med konstant ström används nästan alltid för fasströmmar över 0,2-0,4A. Uppbyggnaden framgår av figur 21. Fig. 21. Chopperdrivning Idén med alla chopperstyrningar är att kunna leverera stora strömmar snabbt till motorns lindningar. Enligt tidigare resonemang vill vi minimera induktansens inverkan utan att använda resistanser. Vi konstaterade att 15V matningsspänning gav bättre resultat än 5V. Vi använder därför en ännu högre spänning t.ex. 24V i vårt exempel. Funktionen hos chopperstyrningen är följande. När S1 och S4 aktiveras kommer en ström att flyta genom lindningen. Från ohms lag ser vi att strömmen I s =24/20=1.2A. Detta är 3 gånger så mycket som motorn tål. I serie med switcharna ligger ett avkänningsmotstånd R som mäter strömmen genom faserna. Strömmen stiger vid inkoppling mot ett slutvärde på 1.2A. Eftersom vi har ställt in en omslagsnivå anpassat för motorn, bryts strömmen vid 0.35A. En induktans vill som tidigare sagts, behålla sitt strömtillstånd, så motorströmmen lagras i lindningen. Om endast S1 stängs av kan strömmen flyta genom S4 och dioden D1. Strömmen sjunker och när den nått ca 0.3A, kopplas åter S1 in och strömmen börjar stiga. Transistorerna kopplas in och ur med en hög icke hörbar taktfrekvens ofta ca 20kHz. Denna fr ekvens kallas switch- eller chopperfrekvens. Observera att denna frekvens inte har att göra med själva stegfrekvensen. Om motorn har stannat i ett visst läge kommer den aktuella faskombinationen att utsättas för 20 000 in och urkopplingar per sekund. Men motorn står likväl still. 19

I lindningen bildas en sågtandsformad ström enl. fig. 22. Över lindningen ligger antingen 24V eller 0V. Fig. 22. Strömrippel i motorns lindning. Ovanstående figur visar att rippelströmmen kan variera i motorns lindning. Den mellersta mätningen U ch och f ch, visar på högt strömrippel, vilket ger upphov till stor temperaturökning i stegmotorn. Den sista mätningen använder högre chopperfrekvens och är skonsammast för motorn. Om motorn har liten induktans skall helst 40 khz eller högre frekvens användas. Kvalitén på ett drivsteg kan variera mycket och framförallt med avseende på lågt strömrippel. Vad har vi vunnit? Genom att arbeta med hög spänning kan vi trots induktansen inverkan, snabbare trycka in ström i lindningarna. En snabb kontroll i ekv. 3:1 ger ett intressant resultat. Vi måste sätta strömmen till I=1.2A för att få rätt lutning på strömkurvan. Med dessa värden blir Is=0,58 Eftersom strömmen automatiskt stabiliseras vid 0.35A får vi vid 1 000Hz fortfarande 100% av nominell ström genom lindningen. Vid 2 000 steg per sekund når man fortfarande 0.35A och först därefter börjar momentet att sjunka. 3.3.1 Parallellkoppling Vår motor kan också levereras med 8 ledare. Vi har tidigare använt seriekoppling. Vad händer om vi kopplar dem parallellt? Även nu kan vi utnyttja hela motorn. Vid unipolär koppling har denna motor R=10 ohm och I=0.5A. Förlusteffekten i fas A blir R*I 2 =10*0.5 2 =2.5W. 20

Vi kan vid bipolär koppling tillåta samma förlusteffekt men i hela fas A respektive B. Eftersom vi har parallellkopplat lindningarna är R=5 ohm. Den ström vi söker är 2 2.5=5*I p p => I =0.7A. Det visar sig att strömmen vid bipolär parallellkoppling jämfört med unipolär blir I p =I uni * 2. En mycket glädjande sak är att induktansen fortfarande är 7.5mH. Observera att den inte minskar med en faktor 2. +Vcc Symbol för en transistorswitch A+ A- B+ B- A + A - B + B - GND Fig. 23. Parallellkoppling av stegmotorns lindningar. Vid parallellkoppling är det viktigt att lindningarna kopplas med rätt polaritet så att den positiva sidan på A förbinds med A enl. ovanstående schema. I Europa används nästan alltid parallellkoppling eller i vart fall en stegmotor med hög fasström. USA är av någon anledning mer förtjusta i seriekoppling. Vi har i alla exemplen använt exakt samma stegmotor men med olika drivsätt. Jämför vi vid 2 000 steg per sekund följande resultat Drivsätt Moment Unipolär 50% Unipolär L/2R 85% Bipolär serie 50% Bipolär serie L/2R 63% Bipolär serie konstant ström 95% Bipolär parallell konstant ström 100% * * Har 100% upp till ca 4 000 steg per sekund 21

Bipolär konstant ström drivning är klart effektivast. Om vi jämför serie- med parallellkoppling ser vi följande. Momentet för en parallellkopplad motor och drivspänning U, blir ungefär samma som för en seriekopplad motor och drivspänning 2*U. Om motorn är parallellkopplad matar vi in dubbelt så hög effekt som vid seriekoppling. Därför bli r givetvis uteffekten också dubbelt så hög. Vi har nu stu derat olika drivsätt och går in på begreppet stegvinkel. 5. Stegvinkel 5.1 Helsteg Detta är stegmotorns naturliga stegvinkel och alla eventuella fel korrigeras vid varje helsteg. Stegmotorn har som bekant inget adderande fel. Ofta ser man stegmotor tillverkare som uttrycker helsteg på olika sätt. För att förstå stegvinkeln används ofta ett s.k. vektordiagram. Fig. 24 a. Vektordiagram en fas till Fig. 24 b. Vektordiagram två faser till Som tidigare nämnts har stegmotorn 8 ledare och 4 lindningar. Två hör till A-fasen och 2 till B-fasen. Modellen i fig. 24 a kan vrida motorn 90. 22

I fig. 24 a matar man ström i en fas vilket kallas 1 fas drivning (1 phase on). Man kan också mata ström i bägge faserna och få ett resultat som i 24 b. Nu ställer sig emellertid rotorn inte mitt för någon pol utan mellan 2 poler och 90 förskjutet relativt 24 a. Observera att i 24 a blir momentvektorn 1 medan i 24 b samverkar båda momentvektorerna från respektive fas och resultanten blir 1* 2=1.4. 5.2 Halvsteg Genom att kombinera 24 a och 24 b får man en stegvinkel som är 45. Vi har alltså introducerat ett halvt steg och fördubblat upplösningen. En olägenhet är att man får ett starkt och ett svagt steg. När rotorn står mitt för polerna har den bara 70% av momentet jämfört när den står mellan polerna. Bra konstruerade drivsteg kompenserar för denna momentvariation. 5.3 Mini eller mikrosteg B+ B+ C E D F A+ ½ A+ Fig. 25 a Mikrostegning. Fig. 25 b Betrakta fig. 25a. Antag att B+ är magnetiserad till 100% och A+ = 0, då kommer rotorn att befinna sig i läge B+. Om både fas A+ och B+ nu magnetiseras till 100% hamnar den resulterande vektorn i läge C. Momentamplituden blir 1,4*B+ (eller A+). Vinkeln är 45. Genom att välja strömmen till 70% i både A+ och B+, blir resultanten vektorn D. Vi har i punkten D samma moment som i B+ men rotorn har vridit sig 45. I fig. 25b befinner vi oss i utgångsläget B+. Vi magnetiserar B+ till 100% och A+ till 50%. Rotorn har nu vridit sig endast 30. Momentamplituden blir 1,12*B+ (eller A+). Genom att välja strömmen till 89% i B+ och 44,5% A+, blir resulterande vektorn F. 23

Vi har i punkten F samma moment som i B+ men rotorn har vridit sig 30. Genom att styra strömmens amplitud kan vi skapa en roterande rörelse med väldigt små inkrement s.k. mikrosteg. I själva verket blir strömmen mer sinusformad ju fler mikrosteg vi använder. Vanligen används 4, 8, 16 eller 32 mikrosteg per fullsteg. Mer avancerade styrningar har ända upp till 256 mikrosteg. Praktiskt använder man i styrningen en förprogrammerad tabell av strömmens amplitud vid olika vinklar. Mikrostegning kan inte förbättra stegmotorns upplösning hur mycket som helst. En typisk hybridstegmotor har ett vinkelfel på +/- 5% av sitt helsteg. Det absoluta felet blir 5% av 1,8 d.v.s. 0,09. Detta är den bästa upplösning en stegmotor kan ha utan fel. Restmomentet (detent torque) är en mycket oönskad kraft vid mikrostegning. Om vi i fig. 25b tänker oss att A+ magnetiseras till endast 3%, kommer vi till ett läge då det momentet helt enkelt inte räcker, för att vrida rotorn ett mikrosteg. Restmomentet håller emot. Mikrostegning är ingen undermedicin för att uppnå en fantastisk upplösning. Mikrostegning är perfekt för att få en låg ljudnivå när stegmotorn används som en lågvarvig borstlös motor t.ex. i små pumpar. Mikrostegning med hög upplösning och god precision fungerar perfekt med Disc Magnet stegmotorer. All friktion förstör möjligheten att positionera med små steg. Alltså fungerar mikrostegning bäst för applikationer med t.ex. laser som projiceras via en spegel eller ett prisma. Stegmotorn skall inte ha någon växellåda. 6. Dämpning 6.1 Naturliga resonans frekvensen Efter att ha nått önskad position, kommer stegmotorn att svänga in runt detta läge. Frekvensen och amplituden beror på momentet och tröghetsmomentet. För en stegmotor gäller f = 1 M H x N 2 π J R + J L där M H är hållmomentet och N antalet rotor polpar. J R och J L tröghetsmomentet för rotorn respektive lasten. 24

En vanlig stegmotor t.ex. 103H7121 (size 23 med 41 mm längd) från Sanyo Denki har Polpar = 50 Hållmoment = 0,54 Nm Tröghetsmoment = 100 gcm 2 Den naturliga resonansfrekvensen f= 260 Hz. Amplituden bestäms i huvudsaken av förluster i systemet. Dessa består främst av friktion. Om motorn körs i helsteg vid denna frekvensen kommer ett hål att uppmätas i momentkurvan. Stegmotorns rotor kommer okontrollerat att gå några steg framåt och några bakåt. Det bästa botemedlet är att använda halv- eller mikrosteg men också att ha en stor del ren friktion. 6. Appendix 6.1 Vanliga frågor och svar 1. Varför blir stegmotorn så varm? Ström flyter genom motorn även när den står still. Virvelströmsförluster och järnförluster ökar också temperaturen. En stegmotor kan bli ända upp till 60-80 på mantelytan vilket är fullt normalt. 2. Hur kan man sänka temperaturen? Genom att använda ett drivsteg som sänker strömmen vid stillestånd. Eftersom momentet är störst i stillestånd påverkas funktionen sällan. 3. Kan man använda en liten stegmotor för att driva ett stort hjul som går mycket lätt? Man bör sträva efter att ha samma tröghetsmoment på lasten som motorns eget. Helst inte mer än 5 ggr motorns eget tröghetsmoment och aldrig över 10 ggr. Lösningen heter en växellåda som reducerar tröghetsmomentet med utväxlingen i kvadrat. Tänk på att stegmotorn håller koll på varje steg medan en stor skiva vill leva sitt eget liv. Stegmotorn får hela tiden försöka öka eller bromsa skivans hastighet. Detta kostar mycket effekt. 4. Kan man mäta hur mycket ström motorn drar vid olika belastning? En stegmotor känner ingen last. Det går inte att få ett svar på hur mycket moment som stegmotorn lämnar. Därför kan stegmotorn överbelastas utan att brinna upp. Den tappar helt enkelt sin synkronism, ungefär som en friktionskoppling. 25

6.2 Vanliga stegmotortermer Svenska English Förklaring Acceleration Acceleration Förändring av varvtal som funktion av tiden. Anpassad dynamisk last Matched Load När motorn och lastens tröghetsmoment är lika. Bifilär lindning Bifilar winding Statorns lindningar är parvis lindade. Bipolär drivning Bipolar drive Motorn styrs genom att strömmen växlar polaritet. Lindningen är monofilär. Dämpning Damping Minskning eller eliminering av översvängning hos ett steg. Friktion ökar dämpningen. Dödband Dead band Den döda vinkel, plus eller minus, inom vilken motorn stannar pga. inre och yttre friktion. Elektronisk dämpning Electronic Damping Elektronisk dämpning av översvängning. Lindningarna kopplas så att motor och last kommit till viloläge i samma ögonblick som sista steget har utförts. Fas Phase En uppsättning magnetiserade statorpoler. Fasvinkel rotor-stator Friktion Hysteres Hållmoment Inkrementell rörelse Insvängningstid Klass B isolation Klass F isolation Kritisk dämpning Kritiskt synkroniseringsfrekvens Kritiskt synkroniseringsmoment Körhastighet Phase Angle Rotor- Stator Friction Hysteresis Holding Torque Incremental Motion Settling Time Class B insulation Class F insulation Critical damping Pull In Step Rate Pull In Torque Slew Rate Vinkeln för rotorns eftersläpning i förhållande till det roterande statorfältet under belastning. Motstånd mot rörelse orsakat av ytor som glider mot varandra. Friktion kan vara konstant eller öka med hastigheten. Skillnad i position när man kommer från ena riktningen jämfört med positionen om man kommer från andra hållet. Det maximala moment som kan appliceras på en fullt magnetiserad stillastående motor, utan att rotorns läge rubbas. En rörelse som startar, rör sig och därefter stannar. Rörelsen är genererad av pulser. Tiden från ett styrkommando till dess att motorn nått sin stabila slutposition. Klassning av motorns maximala lindnings temperatur. Klass B = 130 C. Klassning av motorns maximala lindnings temperatur. Klass B = 155 C. När svarstiden för en inkrementell förändring av antingen hastighet eller position är minimerad. Den maximala stegfrekvens vid vilken en stegmotor kan starta med en given last utan att tappa steg, om den matas med en konstant frekvens. Det maximala moment som en stegmotor kan leverera utan att tappa steg, om den matas med en konstant frekvens. Ett område inom vilken motorn kan köra med hög hastighet i en riktning, om den accelereras upp till sin hastighet. Den kan inte momentant starta, stoppa eller reversera med denna hastighet. 26

Svenska English Förklaring Lastvinkel (dynamisk) Load Angle - Dynamic Vinkeln mellan belastad och obelastad rotor position vid ett givet tillfälle. Lastvinkel (statisk) Load Angle - Static Vinkeln mellan statorns och rotorns magnetfält. Lindningsinduktans Lindningsresistans Max reverseringsförmåga Maxfrekvens Winding Inductance Winding Resistance Maximum Reversing Rate Pull Out Step Rate Varje spole som lindats runt en statorpol uppvisar en viss induktans. Ju fler varv (tunnare tråd) desto högre induktans. Induktansen hindrar strömmen från att snabbt växla polaritet. Den koppartråd som lindas runt en statorpol uppvisar en viss resistans. Ju fler varv (tunnare tråd) desto högre resistans. Strömmen i kvadrat multiplicerat med resistansen ger den ohmska förlusteffekten i lindningen. Den maximala pulsfrekvens med vilken en obelastad stegmotor kan reverseras, utan att förlora synkronism. Den maximala stegfrekvens vid vilken en stegmotor kan driva en given last utan att tappa steg, om den accelereras upp till sin frekvens. Maximal körfrekvens Maxmoment Mekanisk dämpare Mikrostegning Moment Moment/tröghetsmomentförhållande Momentan start-stopp frekvens Mot EMK Noggrannhet Omgivningstemperatur Positioneringsfel Rampning Maximum Slew Rate Pull Out Torque Mechanical Damper Micro stepping Torque Torque to Inertia Ratio Instantaneous Start- Stop Rate Back EMF Accuracy Ambient Temperature Step Position Error Ramping 27 Den högsta frekvens en stegmotor kan matas med och fortfarande vara i synkronism. Det maximala moment som en stegmotor kan leverera utan att tappa steg, om den accelereras upp till sin stegfrekvens. En anordning med känt tröghetsmoment som fästs på stegmotorns axel för att dämpa svängningar och resonanser. Ett sätt att styra en stegmotor med små ströminkrement, så att motorn kan stanna på ett antal mellansteg. Ett (vridande) moment uppstår då en hävarm utsätts för en vinkelrät kraft. Mått på dynamiken hos en stegmotor. Hållmomentet divideras med motorn tröghetsmoment. Ju större värde desto högre dynamisk förmåga hos motorn. Den maximala frekvens en stillastående stegmotor momentant kan startas med, utan att tappa steg. Den genererade motspänningen som åstadkoms i magnetfältet över statorns linningar. Skillnad mellan förväntad stegvinkel och verklig förflyttning. Omgivningstemperatur hos det kylande mediet, oftast luft. Avvikelsen hos en obelastad motor, från den ursprungliga positionen av två på varandra följande steg. Genom att låta stegfrekvensen öka linjärt med tiden kan motorn komma upp i höga varvtal.

Svenska English Förklaring Repeterbarhet Repeatability Mått på hur exakt man kan återkomma till samma position ett upprepat antal gånger. Vanligen underförstått i endast en riktning. Resonans Resonansområde Responstid Rest moment Ringning Start/stopp område Steg Steg per sekund Steg per varv Steg sekvens Stegfel Stegfrekvens Stegmotor Stegnoggrannhet Stegvinkel Stegvinkelfel Styvhet Synkronism Termisk resistans Resonance Resonant Range Response Time Detent torque Ringing Start/Stop Region Step Steps Per Second or Pulse Rate Steps Per Revolution Step Sequence Step Error Stepping Frequency Stepping (Stepper) Motor Step Accuracy Step Angle Step Angle Error Stiffness Synchronism Terminal Resistance En stegmotor har en naturlig resonans-frekvens, beroende på belastning, ström och antalet poler. Område lägre än maxfrekvensen, där motorn har resonanser och inte kommer att vara i synkronism. Tiden från att lindningen strömsätts till dess att lasten har nått sin slutliga stabila position. Det maximala moment som kan appliceras på en omagnetiserad motor, utan att rotorn rubbas ur sitt läge. Svängning hos ett system som utsatts för en plötslig lägesförändring. Det område inom vilket motorn momentant kan startas och stoppas. Ofta anges kurvor med olika externa tröghetsmoment. Själva stegmotorprocessen för att rotera motoraxeln en viss vinkel. Det antal vinkelinkrement som motorn utför på en sekund. Detta är motsvarigheten till övriga motorers varvtal mätt i rpm. Antalet steg som krävs för att rotera motoraxeln 360, d.v.s. ett varv. Den sekvens av olika spänningar, som ansluts till lindningarna och genereras av logik kretsen. Maximal vinkelavvikelse, positiv eller negativ, relativt den korrekta stegvinkeln, när axeln roterar från en position till nästa. Antalet steg per sekund, som utförs av rotorn vid konstant styrfrekvens. En borstlös flerfasig mångpolig synkronmotor, som roterar i diskreta steg. Positioneringsnoggrannhet för en obelastad stegmotor. Vinkelfelet är icke ackumulerande. Den specificerade vinkel motorn roterar varje gång den får en elektrisk stegsignal. Avvikelse mellan verklig stegvinkel och teoretisk vinkel. Förmågan att motstå vridning eller rörelse då motorn utsätts för ett externt moment. När motorns rotor exakt följer den stegfrekvens som matas till statorn. Ett mått på hur värmen sprider sig från en yta till en annan. Ofta anges t.ex. termiska resistansen mellan rotor och stator och från stator till mantelytan. 28

Svenska English Förklaring Tröghetsmoment Rotor Inertia Storhet för hur en kropp motverkar varje rörelseförändring. Den är en funktion av rotorns diameter (Ø 4 ) och längd. Unifilär lindning Unifilar Winding Varje statorpol har endast en lindning. Används för motorer med 4 ledare. Unipolär drivning Unipolar Driver Ett enkelt drivsätt med 4 transistor switchar, där strömmen alltid går åt ett håll. Lindningen är bifilär. Upplösning Resolution Den minsta vinkelförflyttning som kan utföras. Utan återkoppling Viloposistion Viskös dämpare Översvängning (momentan) Översvängning (transient) Open Loop Detent position Viscous Damper Overshoot (Permanant) Overshoot (Transient) En stegmotor som driver en last utan återkoppling av position eller varvtal. Detta är det normala fallet med en stegmotor. Statiska läget för en helt obelastad rotor, när motorn är magnetiserad. En anordning som innehåller en vätska, som har ett bromsande moment under rörelsen. Vid stillestånd påverkas stegmotorn ej. Den position stegmotorn stannar i jämfört med den önskade positionen. Den positionen stegmotorn först når, för att sedan gå till den önskade stabila slutpositionen. 29