ĆWICZENIE 6 SILNIK SKOKOWY HYBRYDOWY

Transkrypt

1 ĆWICZENIE 6 SILNIK SKOKOWY HYBRYDOWY Wprowadzenie Silnik skokowy jes o elekromechaniczny przewornik energii charakeryzujący się dyskrenym przemieszczeniem mechanicznym. Sygnał elekryczny serujący akim silnikiem składa się z ciągu impulsów serujących, przy czym każdy kolejny impuls powoduje obró wirnika o ściśle określony ką zwany skokiem. Znanych jes kilka rodzajów silników skokowych: magneoelekryczne o wirniku czynnym i relukancyjne o wirniku biernym, jak również silniki hybrydowe. Silnik skokowy magneoelekryczny charakeryzuje się wirnikiem zbudowanym z magnesów rwałych. Przykładowo, praca silnika mającego uzwojenie sojana dwufazowe przebiega nasępująco: po zasileniu jednej fazy napięciem o dodaniej biegunowości wywarza się srumień magneyczny w osi uzwojenia sojana. Wirnik usawia się wzdłuż ego srumienia, ak by przewodność magneyczna na drodze srumienia była jak największa. Kolejny skok wirnika orzyma się, zasilając napięciem drugie uzwojenie sojana. Wielkość skoku (ką obrou wirnika) zależy od liczby biegunów wirnika, czyli sposobu, w jaki zosał on namagnesowany i od sposobu komuacji prądu w uzwojeniach sojana (przykładowo, mogą być zasilane uzwojenia,, id. lub,,,, id.). Budowę i zasadę działania silnika skokowego magneoelekrycznego pokazano na rys

2 a) b) c) * * N S * * N S Rys. 6.. Silnik skokowy magneoelekryczny: a) model silnika, b) schema uzwojeń, c) zasada działania uzwojenie zasilone prądem, wirnik usawił się w osi biegunów (wzdłuż osi srumienia wyworzonego przez uzwojenie) Silnik skokowy relukancyjny ma wirnik zbudowany z maeriałów magneycznych miękkich. Momen obroowy akiego silnika wynika z isnienia różnej relukancji magneycznej w osiach maszyny (co najmniej dwóch). Sojan jes uzwojony podobnie jak w silniku magneoelekrycznym. Wirnik naomias skonsruowany jes ak, że szczelina powierzna między sojanem a wirnikiem jes nierównomierna, wobec czego relukancja obwodu magneycznego jes zmienna. Z punku widzenia użykownika różnica między pracą silnika skokowego z wirnikiem czynnym i biernym polega na ym, że wirnik silnika relukancyjnego obraca się swobodnie, gdy uzwojenia sojana nie są zasilane, naomias w silniku z wirnikiem czynnym isnieje pewien momen spoczynkowy, urzymujący wirnik w zadanym położeniu, nawe po wyłączeniu zasilania. Budowa i działanie silnika skokowego hybrydowego Nazwa silnik hybrydowy wiąże się z wykorzysaniem do generacji momenu elekromagneycznego dwóch zjawisk: zmiennej relukancji i srumienia wzbudzenia wyworzonego przez magnes rwały. Na rysunku 6. zaprezenowano konsrukcję silnika skokowego hybrydowego, a elemeny jego obwodu magneycznego zaprezenowano na rys Wirnik składa się z dwóch ferromagneycznych wieńców () z nacięymi zębami Z (Z = 5), między kórymi osadzony jes magnes rwały () 47

3 (najczęściej SmCo lub NdFeB) o kszałcie pierścienia, a całość jes zamocowana na niemagneycznym wałku (3) Rys. 6.. Konsrukcja silnika skokowego hybrydowego: wał, i 3 arcze łożyskowe, 4 karkas, 5 pakie blach sojana, 6 łożyska, 7 wirnik, 8 śruba mocująca, 9 uzwojenie, końcówki przewodów Wieńce, obrócone względem siebie o ką α, są wykonane z maeriału o dużej permeancji osiowej i promieniowej i dużej indukcji nasycenia (B > T). Warunek en spełnia żelazo armco. Chodzi o o, aby zęby wirnika nie nasycały się. Obwód magneyczny sojana jes pakieowany z blachy ferromagneycznej o małej sraności, a o z uwagi na dużą częsoliwość przemagnesowania (do khz). Pakie sojana zawiera zęby duże ponumerowane od do 8 i zęby małe o podziałce α. Na zębach dużych nawinięe jes uzwojenie fazowe. Każda faza ma pasma przeciwnie spolaryzowane. Faza B zawierająca pasma i B jes nawinięa na zębach nieparzysych, faza CD na zębach parzysych rys.6.3 a. Duże zęby sojana (od do 8) nie są biegunami silnika, o biegunowości silnika decyduje uzwojenie. W ym przypadku uzwojenie ma 4 bieguny. Podziałki zębowe sojana (α ) i wirnika (α ) powinny być równe lub zbliżone, gdyż deerminują one generację momenu elekromagneycznego. Jeśli zęby małe sojana pokrywają się z zębami wieńca wirnika (rys. 6.4a), wówczas relukancja szczeliny powierznej jes minimalna R min, jeśli 48

4 naomias zęby wieńca wirnika pokrywają się ze żłobkami sojana (rys. 6.4b), wówczas relukancja szczeliny jes maksymalna R max. a) 8 7 b) 3 - Rys Elemeny obwodu magneycznego silnika skokowego hybrydowego: a) wykrój blachy sojana,,...8 duże zęby sojana, α podziałka zębów małych; b) wirnik, wieńce ferromagneyczne, magnes rwały, 3 niemagneyczny wałek, α podziałka zębów wirnika a) b) b b Rys Położenie wirnika względem sojana: a) relukancja minimalna, b) relukancja maksymalna Każde inne położenie wirnika względem sojana daje relukancję pośrednią. Paramery elekromechaniczne silnika zależą od sosunku relukancji R max /R min. by 49

5 en sosunek był możliwie duży, szczelina δ powinna być możliwie mała (δ <,5 mm), zęby sojana i wirnika nienasycone, a kszały zębów odpowiednio wyprofilowane. Zwykle kszał zębów sojana jes prosokąny, a kszał zębów wirnika zbliżony do rapezu. Kąy α i α mogą być sobie równe α = α. Rozwiązanie akie jes jednak niekorzysne, gdyż przy różnej szerokości zębów b > b orzymuje się srefę nieczułości α, w kórej relukancja szczeliny jes sała. Ma o wpływ na warość błędu pozycjonowania wirnika po wykonaniu skoku ( b ) b ϑ =, (6.) D gdzie D średnica wirnika. warunek Znacznie korzysniejsze rozwiązanie jes wedy, gdy kąy α i α spełniają Spełnienie warunku (6.) eliminuje srefę nieczułości. =. (6.) α α π a) b) R P min R L max R P max R L min SMM SMM R P 3 max R 3 Lmin e 3 RP min R L 3 max e Rys Schema zasępczy obwodu magneycznego silnika skokowego hybrydowego: a) dla sanu, w kórym zęby prawego wieńca wirnika pokrywają się z zębami pod zębem dużym (R p min), b) dla sanu, w kórym zęby lewego wieńca wirnika pokrywają się ze żłobkami pod dużym zębem (R p max ) Zasadę działania silnika skokowego hybrydowego zilusrowano na podsawie schemau zasępczego obwodu magneycznego silnika przedsawionego na rys Na schemacie ym założono, że relukancja szczeliny między prawym wieńcem wirnika a dużym zębem () sojana jes minimalna R p min, a między lewym wieńcem wirnika a dużym zębem () sojana jes maksymalna R L max, naomias pod dużym zębem sojana (3) jes odwronie R 3 L min, R 3 p max. Ponieważ R min << R max, więc srumień 5

6 magneyczny Φ, sprzężony z uzwojeniem sojana, a wzbudzany przez siłę magneomooryczną (SMM) magnesu rwałego będzie miał kierunek zgodny ze srzałką na rys. 6.5a. Jeśli wirnik obrócić o ką α, o wszyskie relukancje szczeliny powie- rznej między wieńcami wirnika i dużymi zębami sojana () i (3) zmieniają swoje warości z minimalnych na maksymalne oraz z maksymalnych na minimalne (rys. 6.5b). Zmiana a powoduje, że srumień Φ sprzężony z uzwojeniem zmienia kierunek na przeciwny. Rewersja srumienia sprzężonego z uzwojeniem indukuje napięcie: dφ dϑ e = z. (6.3) dϑ d Jeśli założy się, że srumień w funkcji kąa ϑ ma przebieg cosinusoidalny o napięcie roacji ϑ Φ = (6.4) ( ϑ) Φ cosπ, α π ϑ dϑ e = zφ sin π α α, (6.5) d gdzie z liczba zwojów, a ϑ ką bieżący między osią małego zęba sojana a osią zęba wirnika (rys. 6.4). Podobnie można rozparzyć generowanie momenu elekromagneycznego. Po załączeniu na uzwojenie fazy napięcia u prąd i i momen synchronizujący będą opisywać równania: M u M = Ri + L π α di d dl dϑ, dϑ d ( ϑ) = zφ sin π i, + i ϑ α (6.6) gdzie: R i L oznaczają rezysancję i indukcyjność uzwojenia fazy. Momen synchronizujący M (ϑ) zgodnie z równaniem opisującym dynamikę ruchu d ϑ = d M J dϑ d ( ϑ) M D obc (6.7) spowoduje usawienie wirnika w akie położenie, w kórym M (ϑ) = M obc. 5

7 W równaniu (6.7) M ob i D oznaczają sayczny momen obciążenia i współczynnik łumienia. Po wyłączeniu napięcia z fazy i załączaniu napięcia na fazę C cykl pracy powarza się, a wirnik wykona nasępny skok o ką o ϑ = π 8 s pz = pz, (6.8) gdzie: p liczba par biegunów. Dla silnika o liczbie biegunów p = 4 i liczbie zębów wirnika Z = 5 ką skoku ϑ s =,8 o. Dalsze wyłączanie i załączanie napięcia na kolejne fazy B,D, id. (rys. 6.6, 6.7a) powoduje wykonanie kolejnych skoków. Liczba skoków wirnika na jeden pełny obró wynosi w ym przypadku k 36 = ϑ o s = s. B U U C U B U D C D Rys Schema uzwojeń silnika skokowego Większy momen synchronizujący silnika można uzyskać zasilając sekwencyjnie napięciem zawsze dwa uzwojenia: C, CB, BD, D, C id. rys. 6.7b. W ym przypadku zarówno ką skoku, jak i liczba skoków na jeden obró (k s = ) nie ulegną zmianie. Silnik może być akże serowany w en sposób, że ką jednego skoku jes o połowę mniejszy ϑ s, a liczba skoków na jeden obró dwukronie większa ( k s = 4). 5

8 a) b) U U U B U B U C U C U D U D c) U U B U C U D Rys Praca silnika skokowego: a), b) kolejność załączania napięcia na poszczególne uzwojenia silnika przy cyklu pracy -skokowym na jeden obró silnika, c) kolejność załączania napięcia na poszczególne uzwojenia silnika przy 4-skokowym cyklu pracy na jeden obró silnika Serowanie półskokami przedsawiono na rys.6.7c. W ym przypadku napięcie jes załączane i wyłączane kolejno na fazy: D,, C, C, CB, B, BD, D, D, id. 53

9 Charakerysyki elekromechaniczne silnika skokowego hybrydowego Właściwości elekromechaniczne silnika skokowego hybrydowego opisują charakerysyki: saycznego momenu synchronizującego w funkcji kąa ϑ określającego położenie wirnika względem sojana przy zasilaniu napięciem U jednego pasma uzwojenia (np. ) i dwóch pasm uzwojenia (np. C) (rys. 6.8) (prąd w uzwojeniach silnika ma warość usaloną praca sayczna), momenu granicznego M g w funkcji częsoliwości impulsowania f przy zasilaniu sekwencyjnym jednego pasma (rys. 6.6b) i dwóch pasm (rys. 6.6c) oraz przy zasilaniu mieszanym (rys. 6.6d), o jes w cyklu pracy 4-skokowym na jeden obró (rys. 6.8). Dla momenu obciążenia większego od granicznego silnik wypada z synchronizmu i raci zdolność serowania (czas drgań swobodnych wirnika jes dłuższy od czasu rwania impulsu serującego wirnik nie nadąża za impulsami serującymi). Praca dynamiczna silnika skokowego jes o praca w czasie rozruchu, rewersji (nawroów) obroów lub zmiany częsoliwości impulsowania. Rozruch silnika nasępuje z położenia spoczynkowego wirnika po załączeniu na uzwojenia sojana napięcia z częsoliwością impulsowania f r. Już w czasie pierwszego impulsu silnik wpada w synchronizm i na każdy kolejny impuls napięcia odpowiada skokiem. Jeśli jednak częsoliwość impulsowania jes zby duża, o silnik nie wejdzie w synchronizm i będzie gubił skoki. Właściwości rozruchowe silnika określa maksymalna częsoliwość rozruchu f r, przy kórej odpowiedzią na każdy impuls napięcia jes skok kąa ϑ, zn. silnik nie gubi skoków. Częsoliwość rozruchowa jes funkcją paramerów silnika, momenu bezwładności układu i momenu obciążenia. Częsoliwość ę opisuje charakerysyka M = f ( f ) r (rys. 6.). 54

10 C N cm 6 Ms 4 -' -8' -6' -4' -' ' 4' 6' 8' ' Rys Charakerysyki saycznego momenu synchronizującego silnika PM przy zasilaniu pasma uzwojenia i pasm uzwojeń i C napięciem V Częsoliwość, Hz Rys Charakerysyki momenu granicznego M g w funkcji częsoliwości impulsowania, silnika PM przy napięciu zasilania V: przy zasilaniu sekwencyjnym pojedynczych pasm uzwojenia,b,c,d,..., o jes w cyklu pracy skoków na jeden obró wirnika, przy zasilaniu sekwencyjnym pasm C,CB,BD,D,C..., o jes w cyklu pracy skoków na jeden obró, 3 przy zasilaniu sekwencyjnym mieszanym D,,C,C,CB,B,BD,D,D,..., o jes w cyklu pracy 4 skoków 55

11 M m M M g M r I II III f rmax f gmax f Rys. 6.. Charakerysyki M g (f) i M r (f) silnika skokowego Rozruch silnika przy dużym momencie obciążenia jes możliwy, jeśli częsoliwość impulsowania jes mniejsza od częsoliwości f r. Jeżeli przejście z jednej częsoliwości impulsowania na drugą odbywa się płynnie, o silnik może pracować poprawnie przy wyższych od f r częsoliwościach impulsowania. Taki rodzaj pracy silnika skokowego charakeryzuje częsoliwość graniczna f g ; jes o największa częsoliwość impulsowania napięcia przy płynnym powiększaniu częsoliwości, przy kórej silnik jeszcze nie gubi skoków. Częsoliwość graniczna, podobnie jak częsoliwość rozruchowa, jes funkcją paramerów silnika, momenu bezwładności układu i momenu obciążenia (rys. 6.). Charakerysyki M r (f) i M g (f) rozdzielają pierwszą ćwiarkę układu współrzędnych na rys. 6. na rzy obszary I, II, III. W obszarze I silnik skokowy ak przy pracy kinemaycznej, jak i dynamicznej pracuje poprawnie przy dowolnych (lecz f < f r ) skokowych zmianach częsoliwości impulsowania. W obszarze II (zakreskowanym) jes możliwa poprawna praca kinemayczna silnika skokowego, w przypadku gdy zmiana częsoliwości impulsowania zachodzi w sposób płynny. W obszarze III silnik wypada z synchronizmu (gubi skoki bądź zarzymuje się). Częsoliwości f r i f g zależą od szybkości narasania prądu w uzwojeniach silnika i od jego warości. 56

12 Zasosowanie silników skokowych Silnik skokowy hybrydowy jes sosowany w napędach: ploerów, kompuerów, w sprzęcie wideofonicznym, a osanio akże w samochodach. Główną zaleą ych silników jes duży momen przypadający na jednoskę masy. W silniku PM, kórego charakerysyki są podane na rys. 6.8 i 6.9, wskaźnik momenu na jednoskę masy wynosi,36 N m/kg, podczas gdy w silnikach prądu sałego wskaźnik en odniesiony do momenu znamionowego jes około 3 razy mniejszy. Wysoki wskaźnik momenu na jednoskę mocy w silnikach hybrydowych uzyskuje się dzięki magnesom rwałym o dużej energii (SmCo, NdFeB), jak również dzięki bardzo małej szczelinie (ok.,5 mm). Drugą zaleą silnika skokowego hybrydowego jes momen relukancyjny (w innego ypu silnikach momen en jes wadą), kóry urzymuje położenie wirnika w sanie bezprądowym, uniemożliwiając jego przypadkowy obró. Dla silnika PM maksymalna warość momenu relukancyjnego wynosi,8 N cm, co sanowi około 5% saycznego momenu granicznego M g, zn. momenu określonego przy częsoliwości impulsowania f =. Przy serowaniu silnika skokowego nieporzebna jes pęla sprzężenia zwronego od prędkości i pozycji wirnika. Silniki skokowe hybrydowe są produkowane w kilku wielkościach o momencie saycznym od kilku N cm do 3 N m i masie od 5 g do 3 kg. Opis sanowiska laboraoryjnego Sanowisko laboraoryjne składa się z silnika skokowego hybrydowego ypu PM i serownika (komuaora elekronicznego). Na wale silnika można zamonować kółko pasowe. Działanie serownika Układ jes serowany odpowiednio oprogramowanym mikroprocesorem jednoukładowym T89C5 z rodziny MCS-5 (rys. 6.). Do zasilania układu wykorzysany zosał regulaor napięciowy 795 ograniczający napięcie na wyjściu do 5 V. Układ en działa jak dzielnik napięcia, 57

13 sabilizując napięcie 5 V. Całe sanowisko jes zasilane z zewnęrznego zasilacza napięciem sałym V. Por P3 wykorzysywany jes jako por wejściowy. Do jego wejść podłączonych jes 7 mikrosyków. W chwili gdy wyłącznik jes owary, na wejściu mikroprocesora jes sygnał wysoki 5 V (logiczna jedynka). W chwili zamknięcia wyłącznika napięcie +5 V jes zwierane do masy przez rezysor kω, a na wejściu mikroprocesora pojawia się napięcie V (logiczne zero). Por P wykorzysywany jes jako por wyjściowy. Wyjścia P. P.3 serują ranzysorami, załączając i wyłączając napięcie na poszczególne uzwojenia silnika. W chwili gdy na wyjściu jes sygnał, baza ranzysora ma poencjał wysoki, a ranzysor ypu BC-37 nie przewodzi. W chwili pojawienia się sygnału ranzysor zaczyna przewodzić. Jednocześnie zapala się dioda LED sygnalizująca pracę danego zaworu (ranzysora). W podobny sposób załączane są diody LED dołączone do wyjścia P.4.7 (diody sygnalizacyjne). Ponieważ masa silnika znajduje się na poencjale 7 V, więc w chwili załączenia zaworu elekrycznego na uzwojeniu silnika pojawia się napięcie V. Schema ideowy układu serowania silnikiem skokowym przedsawiono na rysunku 6.. Oprogramowanie serownika umożliwia: ryb pracy auomayczny i ręczny (zadawanie pojedynczych skoków), regulację prędkości silnika przy serowaniu auomaycznym, wybór jednego z 3 możliwych cykli pracy silnika, wykonywanie pracy rewersyjnej (zmiany kierunku obroów). Na obudowie serownika umieszczone są również 4 zielone diody sygnalizacyjne. Diody D i D informują o rybie pracy silnika (rodzaju serowania), świecąca dioda rzecia sygnalizuje ryb pracy ręcznej silnika (naciskając klawisz ak ręczny powoduje się przełączenie napięcia na kolejną fazę lub fazy silnika i wykonanie pojedynczego skoku), dioda czwara sygnalizuje kierunek obroów silnika. Zwiększenie lub zmniejszenie częsoliwości impulsów serujących silnika odbywa się za pomocą klawiszy +szybciej lub -wolniej, Dodakowe 4 czerwone diody LED oznaczone, B, C i D wizualizują sekwencję serującą silnika. Na obudowie z boku umieszczone jes gniazdo ypu BNC, umożliwiające podgląd napięcia serującego na uzwojeniu D. 58

14 +5 V µ +5 V +5 V +5 V k k +5 V k p p,4576 MHz RST P3. P3. XTL XTL P3. P3.3 P3.4 P3.5 GND T89C VCC P.7 P.6 P.5 P.4 P.3 P. P. P. P3.7 4,6k 4,6k 4,6k 4,6k k k k k -7 V B C BC37 BC37 BC37 +5 V k D BC37 Rys. 6.. Schema ideowy układu serowania silnikiem skokowym Program ćwiczenia ) Oględziny Rozebrać silnik skokowy hybrydowy, obejrzeć i zidenyfikować poszczególne elemeny. ) Pomiar rezysancji uzwojeń Rezysancję uzwojeń zmierzyć meodą echniczną. 59

15 3) Obserwacja pracy silnika skokowego Przeesować działanie silnika skokowego w rzech różnych cyklach pracy silnika ( i 4 skoków na obró). Zaobserwować na oscyloskopie przebieg impulsu serującego, zanoować jego kszał i czas rwania dla różnych częsoliwości pracy silnika. 4) Pomiar charakerysyki saycznego momenu synchronizującego Charakerysykę ę mierzy się oddzielnie dla każdego zasilanego pasma uzwojenia lub dwóch pasm uzwojeń (zgodnie z isniejącymi sekwencjami serowania, a więc,b,c,d, D C, CB, BD). W rybie pracy serownika praca ręczna należy podać napięcie na właściwe pasmo uzwojenia. Na wale silnika zamonować kółko pasowe o znanej średnicy z nawinięym sznurkiem, do sznurka doczepić dynamomer. Zwiększając sopniowo przyłożoną siłę, wyrąca się silnik z położenia równowagi, mierząc jednocześnie siłę i ką obrou wirnika w zakresie od do ok. º. Pomiary należy przeprowadzić dla obu kierunków obroów silnika. 5) Wyznaczenie maksymalnej częsoliwości rozruchowej Pomiaru dokonuje się na biegu jałowym silnika. Dokonuje się prób rozruchu silnika przy różnych częsoliwościach, po każdym udanym rozruchu zarzymując silnik i zwiększając częsoliwość (jednocześnie należy częsoliwość pracy mierzyć za pomocą oscyloskopu). Częsoliwość, przy kórej silnik nie ruszy poprawnie (j. bez gubienia skoków), jes o maksymalna częsoliwość rozruchowa. Prób dokonać dla wszyskich rzech cykli pracy silnika. 6) Wyznaczenie maksymalnej częsoliwości nawrou Pomiar wykonuje się podobnie jak poprzednio. Silnik pracuje przy danej częsoliwości, w dowolnej chwili dokonuje się zmiany kierunku obroów przez przesawienie odpowiedniego przełącznika w serowniku. Częsoliwość, dla kórej nawró (rewersja obroów) nie zosanie dokonana poprawnie (j. bez gubienia skoków), jes o maksymalna częsoliwość nawrou. Prób dokonać dla wszyskich rzech cykli pracy silnika. 7) Wyznaczenie częsoliwości granicznej Pomiaru dokonuje się na biegu jałowym silnika. Przy pracującym silniku należy sopniowo zwiększać częsoliwość impulsowania. Częsoliwość, przy kórej silnik zaczyna gubić skoki jes częsoliwością graniczną silnika. Prób dokonać dla wszyskich rzech cykli pracy silnika. 6

16 Lieraura. Rydzewski.: Mikrokompuery jednoukładowe rodziny MCS-5. WNT, Warszawa 99.. T89C5 8-Bi Microconroller wih Kbyes Flash. Dokumenacja echniczna firmy TMEL.