KORANI MOTOR

Korani motorje vrstaelektromotorabez etkicakoji pretvara digitalnepiulsevestruje u fiksne inkremente ugaonog pomjeranja nazvane koraci.Ova vrsta motora obezbjeuje precizno pozicioniranje tereta, a kontrola motora se vri direktnoraunarom,mikrokontrolerom, iliprogramibilnim logikim kontrolerom. Zbog svoje konstrukcije bez etkica, korani motori su pouzdani, izdrljivi, i ne zahtijevaju nikakvo odravanjeOsnovni rad je objanjen na sljedei nain: Polovirotorasu privueni k polustatora(faza 1) kroz ijuzavojnicu prolazi struja. Jednom tamo, struja protie kroz zavojnicu pola statora (faza 4), i pol rotora je privuen tu. Zatim se aktivira faza 3, pa faza 2. Ciklus se dalje ponavlja od faze jedan, a ugao koraka je 15.Treba primijetiti da jeugaoizmeu polova statora 45 a izmeu polova rotora 60. Ovo je potrebno da se obezbijedi zazor od 15 izmeu polova rotora i statora za idui korak. Inae, rotor se ne bi pokretao pri iduem pulsu struje.Rad koranog motora, korak 1. Elektromagnet 1 je ukljuen. Kada se polovi rotora poredaju sa polovima statora (1), dolazi do zazora izmeu polova rotora i plova statora (2).Rad koranog motora, korak 2. Elektromagnet 2 je ukljuen. Zbog zazora (polovi rotora-polovi statora (2)), rotor se dalje okree dok polovi nisu poredani. Sad se meutim stvara zazor polova na poziciji 3Rad koranog motora, korak 3. Dalje se nastavlja, po principu iz koraka 1 i 2Rad koranog motora, korak 4.

U razvoju tehnologije digitalnih sistema upravljanja korani motor je jedno odnajinteresantnijih otkria. To je jedinstvena komponenta u klasi izvrnih organa,kojom se moe upravljati digitalnim procesorom bez posredstva digitalno-analog-nog konvertora. Naime, korani motor je elektromehaniki pretvara ijije ulaz binarno kodovan naponski signal, a izlaz kvantovan ugaoni pomerajodreen ulaznim signalom. Dakle, korani motor predstavlja jedinstven elementu klasi servo komponenti u kojima su ulazi obino promenljivi analogni naponi,a izlazi kontinualni ugaoni pomeraji. U ovom poglavlju se najpre izlau vrstei radne karakteristike koranih motora Zatim e se opisati pojaavai snage kojise koriste kao elementi sprege izmeu binarno kodovanih naponskih signalaniskog energetskog nivoa na izlazu procesora i strujnih pobudnih signalamotora.

Slika: Korani motor

TIPOVI KORANIH MOTORA Postji vie vrsta koranih motora visokog kvaliteta ponaanja. Neki od njih se mogu obrtati samo u jednom smeru drugi su dvosmerni. Otuda postoje motori sa razdvojenim ulazima: za pozitivan smer (suprotno od smera kazaljke na asovniku) i za negativan smer obrtanja. Druga vrsta motora ima jedinstven ulaz i u njima se promena smera obrtanja postie posebnim ureenjem povorke impulsa u kodovanom ulazu. Ipak. svi korani motori se mogu svrstati u dve ire kategorije: 1. korane motore sa permanentnim magnetom, odnosno sa induktorom sinhronog tipa, koji koriste pojavu elektromagnetne sile izmeu pobudnih namotaja na statoru i polova permanentnog magneta na rotoru; 2. korane motore promenljive reluktanse, koji koriste pojavu elektromagnetne sile izmeu pobudnih namotaja na statoru i kratkospojenog rotora od mekog gvozda u kome se indukuju struje, a time i magnetni polovi usled promena magnetnog polja statorskih namotajaOpte uzev, korani motor se moe posmatrati kao naizmenini motor iji se statorski namotaji sekvencijalno pobuuju pravougaonim naponskim signalima usled ega se rotor obre korak po korak u uglovnim kvantima.Duina koraka zavisi od konstrukcije motora i kree se u opsegu od jednog ugaonog stepena do maksimalno 120 stepeni. U principu je mogue postii daugaoni korak ima bilo koju vrednost od 2 /n radijana, gde je n3. Meutim, mali ugaoni kvant zahteva veliki broj namotaja u statoru. to ima izvesne nedostatke. Naime, istovremeno se pobuuje relativno mali broj namotaja. pa sustoga pri istom momentu dimenzije koranog motora sa velikim brojem statorskih namotaja znatno vee od gabarita koranog motora sa malim brojem namotaja u statoru.Jedni krajevi namotaja su vezani u vorite zvezde, a drugi su izvedeni van motora i slue za njegovo- pobuivanje. U nekom trenutku samo je jedan skup polova pobuen. Na primer, si. 2.30 odgovara stanju u kome je pobuen skup polova A, pa se otuda 4 pola rotora nalaze naspram statorskih polova iz skupa A; ostali polovi rotora se nalaze naspram meuprostora izmeu polova iz skupova B i C. Poto ose polova rotora, koji se nalaze naspram meuprostora, zaklapaju uglove od 15 u odnosuna magnetne ose statorskih polova iz skupova B i C, pobuivanje bilo poiova B ili polova C e rezultovati u ugaoni korak rotora od 15 respektivno, bilo u smeru kazaljke na asovniku ili u suprotnom smeru. Na taj nain, redosled i brzina pobuivanja statorskih namotaja odreuju respektivno smer i brzinu obr-tanja motora.

MOTORI PROMENLJIVE RELUKTANSE

Korani motori promenljive reluktanse su relativno malih dimenzija i mogu postizati velike korane brzine i pokretake momente. Koriste elektromagnetne rotore iji je broj manji od broja polova na statoru. Otuda polovi rotora ne moguistovremeno svi biti naspram statorskih polova. Na primer, u ematskom prikazu preseka motora na si. 2.30 stator ima 12, a rotor 8 polova. Svaki pol statora po-seduje svoj namotaj. Namotaji na statorskim polovima su grupisani u tri skupa, oznaena sa A, B i C na si.

Popreni presek statora i rotora motora sa 12 i 8 polova

MOTORI SA PERMANENTNIM MAGNETOM

Korani motor sa permanentnim magnetom pripada klasi motora sa sinhroniminduktorom. U ovom motoru pokretaki momenat se ostvaruje usled pojaveelektromagnetne sile izmeu magnetnog polja statorskih polova pobuivanih uodgovarajuem redosledu i magnetnog fluksa rotora. Na statoru postoje dvanamotaja motanih na dve grupe polova; rotor motora poseduje permanentnimagnet.Zbog prisustva relativno velikog broja isturenih polova i na statoru i na rotorumotori sa sinhronim induktorom poseduju manje brzine, odreene sa

gde je n broj obrtaja u minutu, N broj isturenih polova rotora, a je brojpobudnih ciklusa u sekundi. Pod pobudnim ciklusom se podrazumeva ureenskup naponskih signala kojima se pobuuju namotaji statoraJednaina se moe objasniti pomou ematskog prikaza poprenog preseka motora na sl. 2.31. Kao to je ve reeno, stator poseduje dve faze od kojih je, u sluaju motora na sl. 2.31, svaka namotana na po etiri pola, tako da motor ima ukupno osam isturenih polova. Rotor motora na slici ima 10 isturenihpolova.eljena magnetna svojstva rotora se postiu posebnom konstrukcijom koja se sastoji od dva identina diska i permanentnog magneta. Diskovi profila kao na sl. 2.31 su meusobno spojeni preko cilindrinog permanentnog magneta koji jemagnetisan aksijalno. Otuda disk sa jedne strane magneta ima magnetne osobine severnog, a disk sa druge strane junog magnetnog pola. Da se magnetni fluk-sevi isturenih polova ne bi meusobno neutralisali i da bi se mogla koristiti zajednika magnetna struktura statora, diskovi sa jedne i druge strane permanentnog magneta su zaokrenuti jedan u odnosu na drugi za polovinu irine isturenog pola na disku

Popreni presek . ema dvofaznogkoranog motora napajunja koranog motora sa bifilarnim namotajima

Namotaji na polovima statora su motani bifilarno (dvostrukom icom) i tako je omogueno da se pobuivanje namotaja moe vriti sa samo jednim izvorom jednosmernog napona. Krajevi izvora napona se mogu pomou elektronskih prekidaa prikljuivati prema emi na sl. 2.32, ime se postie promena smera struje koja se uspostavlja u isturenim polovima statora

Pobudni ciklus koranog motora

Za lake razumevanje rada motora koji se pobuuje pravougaonim naponskim signalima moe da poslui sl. 2.33. U prvom delu pobudnog ciklusa pobuuju se namotaji A1 i B1 i tada se maksimalni fluks pojavljuje na polu N1; rotor zauzima poloaj N1 u kome je par njegovih isturenih polova postavljen naspramstatorskih polova N1. U drugom delu ciklusa pobuuju se namotaji A2 i B1; maksimalni fluks se pojavljuje na polovima N i rotor tada izvri ugaoni pomeraj (korak) od 9". U treem delu ciklusa se pobuuju namotaji A2 i B2 u etvrtom namotaji A1 i B2. u petom ponovo namotaji A1 i B2 itd. U svakom delu pobudnog ciklusa na sl. 2.33 rotor izvri korak od 9. Na taj nain celom pobudnom ciklusu e odgovarati ukupan ugaoni pomeraj od 36, to vai za motor koji na rotoru ima 10 isturenih polova. Generalno, ugaoni korak dvofaznog koranog motora sa n isturenih polova na rotoru je 2 /n radijana. Pri tome, u toku jednog pobudnog ciklusa rotor uini 4 koraka. Dakle, da bi dvofazni korani motor sa 10 isturenih polova na rotoru uinio pun obrt, neophodno je 10 pobudnih ciklusa prikazanih na sl. 2.33. Motor e se obrtati u smeru kazaljke na asovniku ako pravougaoni impulsi pobude slede povorku 12341234. . . , kao na sl. 2.33. Obrnutim redosledom pobuivanja 43214321. . . bi se postiglo obrtanje motora u suprotnom smeru.Bitna karakteristika konstrukcije ovog motora je bifilarno motanje statorskih namotaja. Time je omogueno da se korienjem samo jednog naponskog izvora i elektronskih prekidaa postie promena smera struje u namotajima. Na kraju treba ukazati na injenicu da se korani motori sa permanentnim magnetom vie koriste nego motori promenljive reluktanse. tavie, motori sa sinhronim induktorom se i dalje sve vie usavravaju

DINAMIKA KORANOG MOTORA

Kada je brzina pobuivanja pravougaonim impulsima mala. korani motor je u stanju da promeni smer obrtanja. Ovu sposobnost motor zadrava sve dok brzina pobuivanja ne dostigne kritinu granicu posle koje se motor moe obrtati samo u jednom i to zateenom smeru. Pomenuta dva reima rada se mogu podrobnije prouiti na osnovu matematikog modela motora. U cilju sagledavanja dinamike motora dovoljno je posmatrati sluaj kada motor pobuen pravougaonim signalom izvri jedan korak koji je dovoljno mali tako da se dinamiko ponaanje moe aproksimirati linearnim modelom.

KOLO POBUDE KORANOG MOTORA

Budui da korani motor vri funkciju elektromehanikog pretvaraa velike snage, logiki signali iz sekvence njegove pobude moraju biti vieg energetskognivoa. U raspoloivim koranim motorima ovi signali pripadaju opsegu od 3 do 30V jednosmernog napona, dok je strujno optereenje reda od 0,1 do desetina ampera. S druge strane, upravljaki logiki signali motora se generiu u digi-talnim kolima, pa su otuda niskog energetskog nivoa. Dakle, pobudno kolo mora ostvarivati dve funkcije: prevoenje povorke impulsa u binarno kodovane sekvence pobude koju zahteva konstrukcija datog koranog motora i pojaanje po snazi pravougaonih impul sa u pobudnim sekvencama

SI. 2.36. Kolo pobude dvofaznog koranog motora sa permanentnim magnetom

Pomenute dve funkcije se mogu postii u kolu koje se sastoji od digitalnih modula i poluprovodnikih prekidaa. Primer takvog kola pobude za motor sa permanentnim magnetom i dve faze na statoru je prikazan na si. 2.36. Ulazi kolasu dve povorke impulsa promenljive periode; DIR i REV povorke, respektivno, za obrtanje motora u smeru kretanja kazaljke na asovniku (direktnom) i u sup-rotnom (reverzibilnom) smeru. Kolo sadri dva flip-flopa u sprezi preklopnog prstenastog brojaa, koji generiraju potrebnu sekvencu pobudnih impulsa. Izlaziflip-flopova ukljuuju odnosno iskljuuju etiri poluprovodnika prekidaa preko kojih se pravougaoni signali sa strujnog izvora prikljuuju na statorske namotaje motora.Rad preklopnog prstenastog brojaa se moe objasniti ako pretpostavimo da se flip-flopovi prvobitno nalaze u stanju D=l i C=l. Tada e sledei impuls iz DIR povorke promeniti stanje C flip-flopa u C=0. Sledei impuls e promeniti stanje D flip-flopa u D=0. Sa sl. 2.36 se lako moe zakljuiti da se pobuivanjem impulsima iz DIR povorke dobija DIR sekvenca pobude u tablici 2.8, koju zahteva posmatrani tip motora kada se eli obrtanje u smeru kretanja kazaljke na asovniku. Dovoenjem impuisa iz REV povorke na ulaz kola pobude na si. 2.36 dobija se na izlazu kola REV sekvenca u tablici 2.8, koja pokree motor u smeru suprotnom od kretanja kazaljke na asovniku

PRIMENE KORANOG MOTORA

Sve ira primena koranog motora u razliitim podrujima upravljanja je uslovljena injenicom da postoji direktna korespondencija izmeu pobudnih di-gitalnih signala i koranog kretanja motora. Kada je brzina pobuivanja spora i inercija optereenja motora dovoljno mala, korani motor prevodi digitalne im-pulse pobude u odgovarajue diskretne uglovne pozicije. Pri tome, postoji i to bez multiplikativnc greke jednoznana korespondencija izmeu digitalnog signala na ulazu i izlazne uglovne pozicije. Otuda je ovakav tip motora vrlo pogodan za primenu u razliitim ureajima digitalne instrumentacije, kao to su printeri, pisai i registratori. U ovim i slinim ureajima parametri mehanikog optereenja se ne menjaju i zahtevi za brzinom rada su unapred poznati. Meutim, ovakav reim rada je ipak, karakteristian za usko podruje primene koranog motora. U irem podruju primene postoje ozbiljnija ogranienja koja nameu velike varijacije u brzini pobuivanja i u promenama mehanikog optereenja. Tada e. kao to se moe videti sa si. 2.34, doi do izraaja oscilatorni karakter prelaznog procesa od jednog koraka do drugog. Negativni efekti koje takav prelazni proces moe imati na ponaanje motora se mogu znatno ublaiti primenom povratne sprege, koja je predmet razmatranja u ovom poglavlju

POZICIONI SERVOMEHANIZAM

Kao prvi primer primene koranog motora u sistemu sa povratnom spregom moe da poslui pozicioni servomehanizam, prikazan na si. 2.37. Upravljaki signal na ulazu kola pobude motora generie pretvara analognog signala grekei to u vidu povorke impulsa sa periodom ponavljanja koja je proporcionalna veliini analognog signala greke na ulazu pretvaraa. Osim toga, pretvara je osetljiv na promenu polariteta analognog signala greke, tako da na svom itlazupored upravljake povorke impulsa, daje i logiki signal, koji u zavisnosti od polariteta signala greke menja smer obrtanja motora. Prema tome, u ovom sistemu sa povratnom spregom brzina motora, odnosno uestanost ponavljanja koraka, je proporcionalna signalu greke, tj. odstupanju trenutne od zadate ugaone pozicije. Dakle, upravljaki signal u vidu povorke impulsa na ulazu pobudnog kola postoji samo ako je prisutan signal greke- Stoga ovaj sistem poseduje astatiyam prvog reda u odnosu na ulazni signal (12) odnosno radi kao pozicioni servomehanizam.Zapravo,mogue je da postoji greka stacionarnog stanja,ali ona ne moe biti vea od jednog uglovnog koraka motora

Pozicioni servomehanizam sa koranim motorom

U cilju da se izbegnu eventualne korane oscilacije u okolini zadate uglovne pozicije izmeu pretvaraa i pobudnog kola motora se moe postaviti monosta-bilni multivibrator u ulozi kola kanjenja, koga pobuuje upravljaka povorka impulsa, a izlaz mu je spregnut sa drugim ulazom pobudnog kola. Vreme kanjenja multivibratora se podeava tako da bude neto krae od periode ponavljanja impulsa koji nastaju usled koranih oscilacija u okolini zadate uglovne pozicije. Ovaj tip oscilacija nastaje zato to motor ne moe da pronae onu poziciju izlazne osovine pri kojoj je signal greke tano jednak nuli.Sa gledita kvaliteta dinamikog ponaanja prikazani pozicioni servomeha-nizam i odgovarajui analogni servosistem su ekvivalentni, s tom razlikom to je u sluaju sistema na sl. 2.37 odziv izrazito priguen. U vremenu neposredno posle zadavanja eljene ugaone pozicije signal greke je veliki, pa je i brzina ponavljanja impulsa na izlazu pretvaraa velika i tada motor radi u sinhronom reimu. Kako se u procesu pozicioniranja veliina signala greke smanjuje, proreuju se impulsi u upravljakoj povorci i jednog trenutka motor iz sinhronog prelazi u korani reim rada, kada se uspostavlja jednoznana korespondencija izmeu uglovnih koraka i pobudnih signala. Stoga se preskok uodzivu servomehanizma na si. 2.37 nee pojavljivati, osim moda u krajnje nepovoljnim sluajevima kada je mehaniko optereenje na osovini motora takoveliko da motor posustaje i ne moe vie da adekvatno koraa.

DIGITALNA POVRATNA SPREGA ZA KORANI MOTOR

Digitalni servomehanizam sa koranim motorom poseduje mogunosti koje zasluuju posebnu panju. Te izvanredne karakteristike se postiu zahvaljujui posebnom vidu digitalne povratne sprege koja znatno poveava mogunosti ko-ranog motora kada se koristi u ulozi izvrnog organa [7].Postupak formiranja digitalne povratne sprege e se prikazati na primeru dvofaznog koranog motora koji ima 200 koraka po jednom obrtu i u kome su namotaji na statoru motani bifilarno, kao na si. 2.32. Kao to je ranije pokazano,za ovakav tip motora se primenjuju 4 razliite kombinacije pobuivanja namotaja, koje su prikazane u tablici 2.9 i one se mogu posmatrati kao 4 razliita ulaza, odnosno kao 4 razliite pobude motora 1, 2, 3 i 4. Pri tome, motor moe da bude pobuen jednom od ovih pobuda u bilo kojoj od 200 moguih stacionarnih pozicija izlazne osovine

Odziv motora u stacionarnom stanju na neku od 4 mogue pobude e biti jedna od 200 ugaonih pozicija izlazne osovine. Dve susedne pozicije se razlikuju za 360/200=1,8 ugaonih stepeni. Kada se motor pobudi jednim od 4 ulaza, on zauzima odgovarajuu poziciju najbliu trenutnom poloaju izlazne osovine. Mada postoji 200 moguih ugaonih pozicija izlazne osovine, primenjuju se samo 4 ulazne komande koje rezultuju u 4 odgovarajua reima rada motora. Te su komande:

STOP: Od motora se zahteva da ostane u poziciji koju trenutno zauzima.DIR: Od motora se zahteva da uini jedan korak od 1,8 u smeru kretanja kazaljke na asovniku . REV: Od motora se zahteva da uini jedan korak od 1,8 u smeru suprotnom od kretanja kazaljke na asovniku.DK: Dvostruki korak od motora se zahteva da uini dva koraka bilo u DIR ili u REV smeru Digitalna povratna sprega omoguava dva razliita naina rada motora:(i)Kada su komande u vidu impulsa, tada e svaki od impulsa proizvoditi korake motoraprema tablici 2.10; (ii) Kada su komande u vidu konstantnih signala, motorkontinualno izvrava zadatu naredbu. Na primer, pri signalu konstantne vrednostina DIR ulazu translatora motor e se, sve dok je signal prisutan, obrtati u smerukretanja kazaljke na asovniku. Ili, ako je komanda konstantan signal na DK ulazutranslatora, motor e se poveanom brzinom obrtati u zateenom smeru obrtanja. Dakle, u reimu (i) motor se ponaa kao regularni korani izvrni organ, a u reimu (ii) funkcionie kao sinhroni induktivni motor.Funkcija prelaza translatora se moe realizovati pomou logikih digitalnih modula. Jedna od moguih strukturnih realizacija logikog upravljakog kola translatora je prikazana na si. 2.40. U zavisnosti od stanja osovine motora i eljenog reima rada zadatog odgovarajuom komandom ovo kolo generira logike signale pobude statorskih namotaja motora. Rad kola se najlake moe razumeti ako se posmatraju pojedinano mogue situacije. Na primer, neka je trenutna pozicija osovine motora korak broj l,a komanda je STOP(signal na STOP ulazu trans-latora na si. 2.40). U poziciji 1, odnosno koraku broj 1, fotodioda PCI provodi, pa je , a . Komandi STOP odgovara kod F3=l i F4=0. Pri F3=0 i F4=0 samo e STOP izlaz grupe od 4 NILI-kola biti 1, ostali izlazi ove grupe su 0.

Otuda e grupa od 8 NI-kola sa po dva ulaza tada imati izlaze (11011101), gledano odozgo na dole. Budui da sada dva krajnja NI-kola sa po 4 ulaza imajupo jedan od ulaza 0, njihovi izlazi su , to odgovara zahtevanoj pobudi namotaja za poziciju 1 (vidi tablicu 2,9). Dakle, motor se nalazi u poziciji 1 i komanda STOP ga u njoj zaustavlja. itaocu se preputa da sam analizira rad translatora pri drugim moguim kombinacijama trenutnih pozicija iulaznih naredbi. Digitalna povratna sprega bitno poboljava radne karakteristike korano>g motora. Osnovna korist od ovakve povratne sprege se ogleda u mogunosti da motor tri brzinom koja je u sinhronizaciji sa trenutnom brzinom obrtanja. Na primer, pri komandi DK (dvostruki korak ili via brzina)motor je u stanju da se kontinualno ubrza sve do 2000 koraka u sekundi. Meutim, bez povratne sprege maksimalna brzina ponavljanja koraka moe biti svega 200 koraka u sekundi. tavie, u prisustvu povratne sprege motor e raditiuspeno i u uslovima znatnih promena mehanikog optereenja na izlaznoj osovini. Naime, on tada automatski odabira sopstvenu brzinu ponavljanja koraka i, kad se optereenje pro-meni, brzo se oporavlja da bi ponovo trao istom sinhronom brzinom. Ovo dra-goceno svojstvo motor ne poseduje kada radi u otvorenoj povratnoj sprezi; ako bi se optereenje bitno promenilo u zateenom stanju velike brzine ponavljanja koraka, motor bi se zaguio, izgubio mogunost daljeg korektnog izvravanja komandi. Kao zakljuak, u prisustvu digitalne povratne sprege korani motor ladi poput elektromehanikogpretvaraa upravljanog sa 4 razliite ulazne komande: STOP, DIR, REV i DKEksperimentalna ispitivanja su pokazala da korani motor u prisustvu digitalne povratne sprege moe da se ubrza od nule do priblino 280 koraka u sekun