انتخاب الکتروموتور برای کنترل دقیق حرکت

در این مقاله موضوع انتخاب الکتروموتور برای کنترل دقیق حرکت بررسی شده است. عواملی نظیر ثابت یا متغیر بودن بار، سرعت، اینرسی، تفکیک پذیری و... موثر هستند

انتخاب الکتروموتور برای کنترل دقیق حرکت

رهنمودهای انتخاب الکتروموتور برای کنترل دقیق حرکت

یکی از نخستین مراحل انتخاب الکتروموتور در کاربردهای کنترل حرکت، تصمیم گیری در مورد نوع موتور است.موتورهای الکتریکی در انواع مختلف و مدلهای متفاوت تولید می شوند. معمولا می توان آنها را دسته بندی کرد. سرووموتورهای AC برای برخی کاربردها مناسب هستند و سرووموتورهای DC نیز در برخی کاربردهای دیگر مناسبند. استپ موتورها هم در دسته موتورهای DC قرار می گیرند. برای جلوگیری از آشفتگی و ساده سازی در این مقاله ما موتور را به دسته های زیر تقسیم بندی می کنیم.

۱- استپ موتورها ، که در کنترل حلقه باز مورد استفاده هستند.

۲- سرووموتورها، مشتمل بر سرووهای حلقه بسته AC و DC

در بعضی از مواقع استپ موتورها در سیستمهای حلقه بسته نیز استفاده می شوند. ولی این مورد خیلی متداول نیست. به طور کلی، اگرچه می توان یک سیستم حلقه بسته استپ موتور ساخت. هزینه تجهیزات فیدبک و تجهیزات مرتبط با آن هزینه سیستم استپ موتور- سروو را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. “استپ موتور” در این مقاله منظور استفاده از آن در مد حلقه باز است مگر اینکه به صراحت غیر از این ذکر شود.

انتخاب نوع موتور

برای تصمیم گیری در مورد اینکه از یک سیستم حلقه باز استپ موتور و یا سروو موتور حلقه بسته استفاده شود پنج سوال ساده در مورد نحوه کارکرد موتور در ابتدای امر کمک می­کند که مناسب­ترین موتور انتخاب شود. وقتی شما این کار را انجام دادید سپس از منحنی گشتاور- سرعت که در اطلاعات فنی تولید کنندگان وجود دارد می­توانید موتور مورد نیاز خود را انتخاب کنید. برخی معیارهای اضافی برای انتخاب موتور نیز در اینجا ارائه شده است که برای انتخاب بهتر مفید هستند.

 

پنج سوال به صورت زیر هستند.

۱- بار متغیر است یا ثابت؟

برای مثال، ملزومات مورد استفاده در اتوماسیون اداری مانند کپی ها، ماشینهای فاکس و پرینترها بارهای ثابت دارند. که معمولا این بار وزن کاغذ است. قابل پیش بینی بوده و در چرخ کار تغییر نمی کند. در این حالت، شما می توانید از استپ موتورها استفاده کنید. برعکس در کاربردهای اتوماسیون در یک کارخانه نوعا بار غیر قابل پیش بینی با گشتاور متغیر است و احتمالا نیاز به استفاده از فیدبک است. سروو موتورها، به دلیل ساختار حلقه بسته و ظرفیت اضافه بار می توانند به تناوب گشتاور متغیر بارها را در حین حرکت یا انجام فرآیند جذب کنند و روتور را در موقعیت مطلوب قرار دهند. استپ موتورها تحمل اضافه بار را ندارند و بایستی اندازه آنها بر اساس بدترین حالت ممکن انتخاب شود. توصیه: اگر می خواهید موقعیت روتور گم نشود یک استپ موتور با ۳۰% گشتاور اضافه بیشتر از مقدار مورد نیاز بر روی شفت موتور را انتخاب کنید.

۲- آیا موتور در سرعتی بیش از ۱۰۰۰rpm کار خواهد کرد یا صرفا در سرعت های کمتر از آن؟

استپ موتورها نسبت به سرووموتورها قطب های مغناطیسی بیشتری دارند. و دامنه گشتاور ثابت محدود دارند. در سرعت بالاتر از ۱۰۰۰rpm استپ موتورها ۳۰% کمتر از گشتاور سرعت پایین خود گشتاور تولید می کنند. تعداد قطب های کمتر سرووها گشتاور ثابت را در رنج وسیع تری از سرعت تحویل می­دهد – سرعتی تا ۲۵۰۰ rpm. در یک اندازه ثابت، سرووموتورها در سرعت های پایین گشتاور کمتری تولید می کنند اما در سرعت های بالاتر گشتاور خروجی سرووموتورها بیشتر است. شکل زیر تفاوت های موجود در مشخصه گشتاور – سرعت را نشان می دهد. موتورها هم اندازه هستند و مقادیر مس ، آهن و مواد مغناطیسییکسانی در هر دو استفاده شده است.

نمودار گشتاور-سرعت استپ موتور و سرووموتور

۳- آیا کاربری مورد نظر نسبت به گم شدن موقعیت روتور حساس است؟

بیشتر استپ موتورها به صورت حلقه باز کار می کنند. و هیچ فیدبکی در مورد موقعیت صحیح موتور ندارند. اگر موقعیت استپ موتور گم شود شما باید بصورت دستی آن را ریست کنید. سرووموتورها معمولا به صورت حلقه بسته کار می­کنند کنترل کننده موقعیت قرار گیری روتور را تشخیص داده و به گونه ای به سوئیچ ها فرمان می دهد که موقعیت مورد نظر حفظ گردد.

۴- آیا نیاز به تفکیک پذیری موقعیت روتور بیش از ۱٫۸ درجه دارید؟

صحت موقعیت قرار گیری و تفیکیک پذیری موقعیت در خیلی از مواقع قاطی می شوند. هر چند صحت بالاتر موقعیت روتور نشات گرفته از قدرت تفکیک پذیری است اما قدرت تفکیک پذیری بالاتر تنها عامل صحت زیاد نیست. عواملی مانند بار، اصطکاک و گین کنترل کننده سروو نیز مهم هستند. نوعا، سیستم های استپ موتور به گونه طراحی شده­اند که گشتاور کامل خود را در هر ۱٫۸ درجه مکانیکی تولید کنند. که ۲۰۰ پله در هر دور می شود. ۲۰۰ پله بر دور تفکیک پذیری گشتاور کامل موتور است. یک سرووموتور که از یک رزولور نوعی یا یک انکودر برای فیدبک حلقه بسته استفاده می­کند به طور معمول دارای حداقل قدرت تفکیک موقعیت ۱۰۰۰ پله در دور است. دستکاری های الکترونیکی استپ موتورها که میکرو­استپ نامیده می­شود به میزان قابل توجهی قدرت تفکیک پذیری را افزایش می­دهد. اما همچنان توانایی تولید گشتاور کامل در تفکیک پذیری بیشتر از ۱٫۸ درجه استپ موتور را ندارد. صحت (Accuracy) مساله دیگری است. برای مثال، یک استپ موتور با سیستم میکرو استپ با قدرت تفکیک پذیری ۲۵۰۰۰ پلهدوردر حدود ۱۴۰ دقیقه کمانی (arcminute) صحت موقعیت را برای هر نیوتن- متر گشتاور اعمالی به شفت موتور از دست خواهد داد. مثلا، یک موتور که باری با ۰٫۰۵ نیوتن- متر گشتاور را به حرکت در می آورد گشتاور اصطکاکی فقط ۷ دقیقه کمانی در صحت موقعیت تاثیر دارد. و این مقدار تقریبا همانند یک سرووموتور با انکدر است. امکان دیگر برای کوتاه کردن پله های استپ موتور روش ۵ فاز است. که یک جفت به استاتور استپ موتور هیبرید اضافه شده است. این کار آفست استاتور-روتور استپ موتور دو فاز را از یک چهارم به یک دهم گام روتور تغییر می دهد. موتور ۵ فاز در مقایسه با موتور تمام-پله ۲ فاز چرخش منظم تری دارد. و اثر رزونانس نیز تقریبا ندارد. ریپل گشتاور یک استپ موتور ۵ فاز نیز در مقایسه با موتور ۲ فاز تمام-پله به میزان قابل توجهی کمتر است. برای اطالعات بیشتر در مورد انتخاب موتور پله ای می توانید به مرجع ۱ مراجعه کنید.

۵- چه مقدار اینرسی بار را می توانید تحمل کنید؟

حداکثر نامنطبقی بین اینرسی بار و موتور برای یک استپ موتور نباید از ۱۰:۱ بیشتر شود. اگر بیشتر شود، بار باعث اضافه توان موتور شده و باعث واماندگی و یا لغزش پله در حین کار می شود. چونکه استپ موتورها معمولا به صورت حلقه باز کار میکنند، با اضافه بار ممکن است سنکرونیزاسیون از دست برود. اگر این طور شود برای قرار گرفتن در موقعیت صحیح شما باید موتور را به صورت دستی ریست کنید. بواسطه توانایی تحمل اضافه بار و پیکر بندی حلقه بسته، سرووموتور dc می تواند اینرسی باری تا ۵۰ برابر بیشتر از اینرسی موتور را کنترل کند البته اگر نیاز به شتاب زیاد نباشد. اینها نسبتهای حداکثر هستند. موتور و بار هنگامی که به همدیگر متصل شوند امکان ندارد یک ترکیب پایدار ایجاد کنند. اگر کاربری شما نیازمند نرخهای بالای شتابگیری-شتابدهی است و یا سیکلهای سریع دارد، پیشنهاد می شود نرخ اینرسی بار به اینرسی موتور از هر دو نوع کمتر از ۴:۱ باشد و در کاربردهای خیلی دینامیک حتی ۱:۱ باشد. منطبق بودن اینرسی باعث کاهش اضافه جهش (overshoot) و زمان نشست (settling time) می شود. کم هزینه ترین روش برای تطبیق اینرسی ها انتقال توان مکانیکی است. خریدن موتور بزرگتر برای همسان کردن اینرسی های بار و موتور نا­کارآمد و پرهزینه است.

یادآوری: در استفاده از هر نوع موتوری انتخاب درست آن ضروری است.

برآورد کردن اندازه موتور

بعد از اینکه نوع موتور انتخاب شد. انتخاب اندازه درست موتور نیز به همان میزان مهم است. یک موتور خیلی بزرگ و یا خیلی کوچک در کاربری محدودیت ایجاد می کند. روشهای متعددی وجود دارد که با استفاده از آنها می توانید اندازه صحیح استپ موتور یا سرووموتور را انتخاب کنید. متداول ترین تکنیک تعیین کردن حداکثر گشتاور و سرعتی است که کاربرد مورد نظر نیاز دارد و انتخاب یک موتور که منحنی گشتاور – سرعتی بالاتر یا منطبق بر مقادیر مورد نیاز دارد. روش خوب دیگر این است که در حالت استاتیک ببینیم موتور می تواند کار مورد نیاز را انجام دهد یا نه؟ در برخی کاربردها احتمالا فقط به یک آزمایش نیاز دارد. اما “کار” ممکن است ملزوماتی بیش از فقط تامین گشتاور باشد. این روش پتانسیل ناپایداری دینامیکی بین بار و موتور را آشکار نمی کند. و انتقال توان کافی از موتور به بار و بالعکس را تضمین نمی کند. اغلب سازندگان استپ موتورها و سرووموتورها در حال حاضر با استفاده از برنامه کامپیوتری انتخاب موتور را انجام می دهند. برای انتخاب موتور خود فکر خوبی است که یکی از این برنامه ها را بگیرید و با انجام آزمون و خطا یک دیدگاه و نقطه مشترک برای اندازه موتور بدست آورید. بعد از آن- مخصوصا اگر کاربری شما دینامیک است شما ممکن است با نتایج آن سورپرایز شوید و مقادیر قابل توجهی از پول و زمان خود را ذخیره کنید.

بالانس اینرسی های موتور و بار

در کاربردهایی که استپ و استارت سریع دارند، میتوان با بالانس کردن اینرسی بار با اینرسی موتور به میزان قابل توجهی چرخه زمانی کار را بهبود داد. اگر انتخاب اولیه درست باشد موتور توان مورد نیاز برای گردش بار در زمان مورد نیاز را خواهد داد اما مسائل دیگری مانند میرا شدن اصطکاک و اضافه جهش (overshoot) ممکن است زمان چرخه را محدود کند. برای مثال، شتاب گیری و شتاب دهی مورد نیاز ۱۰۰ میلی ثانیه است اما اگر اینرسی موتور در مقایسه با اینرسی بار خیلی کوچک باشد احتمالا زمان زیادی صرف اضافه جهش و سپس زمان نشست می گردد تا موتور بایستد. یک موتور با گشتاور بیشتر الزاما حلال این مشکل نیست.موتور ممکن است بتواند اینرسی بار را کنترل کند اما اینرسی خودش خیلی کوچک باشد. متعادل کردن اینرسی بار و موتور روش درستی برای بهبود عملکرد دینامیکی است. امروزه با سرووموتورهای بدون جاروبک و مواد مغناطیسی با چگالی انرژی بالا، اینرسی موتور در بسیاری از مدلها کاهش داده شده است. این مساله باعث افزایش عدم تعادل بین اینرسی بار و موتور در بسیاری از کاربردها شده است. میزان سازی الکترونیکی در صورتی که عدم تعادل خیلی بزرگ باشد بی اثر است و باعث شرایط رزونانس ناپایدار می شود. به جای استفاده از موتور بزرگتر و افزایش غیر ضروری هزینه سیستم، سعی کنید برای متعادل کردن اینرسی های موتور و بار از وسایل مکانیکی استفاده کنید. نخست تا جایی که اماکن دارد از جرم بار بدون به خطر انداختن تجهیزات کم کنید. سپس سعی کنید سرعت مکانیکی را کاهش دهید. برای مثال، یک تسمه تنظیم (timing belt) با نسبت ۳:۱ اینرسی بار موثر را نسبت به موتور با ضریب ۹ کاهش می دهد.(مربع نسبت سرعت ها). تسمه تنظیم همچنین باعث افزایش میرایی اصطکاکی و مواد جذب کننده شوک باعث عدم واکنش شدید یا از دست رفتن دوران می شود. یک تسمه تنظیم این امکان را ایجاد می کند که موتور دور از دسترس قرار داده شود. همچنین، نگران استفاده از جعبه دنده مناسب برای کاهش اینرسی بار نباشید. کاهش اینرسی باز هم متناسب با مربع نسبت سرعتها است. سرووموتورهای بدون جاروبک در سرعتهای بالاتر براحتی کار میکنند.

تعادل بار با نرخ توان موتور (power rate) :

یکی از ویژگیهایی که در انتخاب موتور برای تغییرات پله ای حرکت استفاده می شود “نرخ توان (power rate)” است. آن را با توان نامی موتور اشتباه نگیرید. نرخ توان تعیین کننده نرخ توان انتقالی از موتور به بار و بالعکس است.مقدار زمانی است که دستگاه می تواند توان را به حرکت مکانیکی تبدیل کند. توان نامی، انجام این کار در توان خروجی حالت پایدار موتور است. متعادل کردن نرخ توان بار و نرخ توان موتور کمک می کند سیکل زمانی حداقل شود. یک موتور خیلی بزرگ برای بار مورد نظر زمان سیکل بهینه کارکرد را محدود می کند. (چرا اینرسی موتور شتابی بیشتر از نیاز بار ایجاد می کند؟) یک موتور با نرخ توان ناکافی شتاب مطلوب بار را ایجاد نخواهد کرد. یک محاسبه ساده نرخ توان توانایی موتور در کنترل بار در کاربردهای دینامیک را تعیین می کند. اگر نرخ توان موتور و بار متعادل شود انتقال توان سیستم در یک سیکل زمانی مفروض بهینه می شود. یک معیار ساده برای تعیین متعادل بودن نرخ توان موتور با نرخ توان بار وجود دارد.مربع گشتاور حداکثر موتور را بر اینرسی تقسیم کنید.

P’m=Tpk2 ÷ Jm

که در رابطه فوق

P’m = نرخ توان موتور

Tpk = گشتاور حداکثر موتور

Jm = اینرسی موتور

در حالت بهینه، اینرسی موتور و بار برابر هستند. و نرخ توان موتور به منظور این بالانس چهار برابر بیشتر از نرخ توان بار است. ضریب چهار از این جهت است که موتور در شتاب گیری باید بر اینرسی خودش به اضافه اینرسی بار غلبه کند. در مورد فاکتور چهار اطلاعات بیشتری در مرجع شماره (۲) آورده شده است. اگر می خواهید بهترین نتیجه را در روش توان بدست بیاورید. نرخهای توان موتورهای متعدد را در برابر توان خروجی نامی حالت پایدار آنها ترسیم کنید. سپس نیازمندی بار را ترسیم کنید. به یاد داشته باشید که آن یک چهارم نرخ توان موتور خواهد بود. موتور صحیح موتوری خواهد بود که بیشترین تطابق با بار را دارد. تکنیک تطبیق دادن اینرسی موتور با اینرسی بار و انتخاب موتور بر اساس تعادل بین نرخهای توان اطلاعاتی فراهم می کند که موفقیت در کاربرد مورد نظر را پیش بینی کنیم و مبنایی درست می کند در مورد اینکه چه موتورهای دیگری در این کاربرد می توانند مورد ارزیابی قرار گیرد.

البته در صورت موارد دیگری نیز وجود دارد که بهتر است به آنها نیز توجه شود. " 20 عامل مهم در خرید الکتروموتور "

نظرات کاربران

Responsive image
بهداد
1396/03/22

تشکر به خاطر مطالب آموزنده شما.

Responsive image
منصور
1396/02/19

سلام خسته نباشید در مورد موتور الکتریکی توضیحات کامل میخواستم اگه میشه راهنمای بکنید

Responsive image
محمدرسول کریمی(مدیر سایت)

سلام منصور جان

موتور الکتریکی ماشینی است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. برای درک دسته بندی این موتورها می توانید به مقاله دسته بندی موتورهای الکتریکی در همین سایت مراجعه کنید. بعد مقالات مربوط به هر بخش را مطالعه بفرمایید.

نظر خود را ثبت نمایید

CAPTCHA code