Samm-mootor

Allikas: Vikipeedia
Samm-mootor.
Samm-mootor.

Samm-mootor on vahelduvvoolu sünkroonmootor, mille rootor pöörab ennast vastavalt juhtseadmest saadud pingeimpulssidele.

Samm-mootori ehitus erineb mõnevõrra asünkroonmootorite omast (palju staatorimähiseid ja püsimagnetrootor), kusjuures nende iseärasuseks on pingeimpulssidega käitamine ning astmeline pöördliikumine. Kuna samm-mootori liikumisel on diskreetne (inkrementaalne) iseloom, on see hõlpsasti juhitav digitaalseadmetega. Selliste mootorite juhtimise lihtsustamiseks on välja töötatud ka hulgaliselt spetsiaalseid integraallülitusi.

Selle mootoritüübi puuduseks on väike võimsus: seda saab kasutada vaid suhteliselt väikeste koormuste liigutamiseks. Vooruseks on, et samm-mootor ei vaja keerulist rootori asendi andurit, kuna asendi määravad saadud impulsside arv ja suund. Andur on vajalik ainult käivitamisel nullpunkti fikseerimiseks. Näiteks enamik printereid liigutab käivitamisel kirjutuspead pead pisut edasi ja siis tagasi, kuni lõpplüliti teatab juhtsõlmele algseisust.

On olemas ka lineaarliikumise samm-mootorid, kuid need on üpris kallid ning vajavad head jahutust.

Samm-mootori ehitus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Samm-mootori tööd kirjeldav animatsioon

Samm-mootor on elektrimasin, mis muudab alalispinge impulsid mootori võlli mehaaniliseks energiaks. Peamine koostisosa on rootor, mis on mootori ainuke liikuv komponent. Rootori külge on kinnitatud püsimagnetid, millede väljaulatuvate otsade külge ühendatakse veomehhanismid. Rootor asetseb omakorda staatori sees. Staator ise seisab paigal ja koosneb mähisest, millest voolu läbijuhtimisel tekitatakse magnetväli, mis tõmbab rootori küljes olevaid püsimagneteid, põhjustades nii rootori pöörlemist.

Kuna samm-mootor on numbriliselt juhitav, siis sobib ta ideaalselt kokku diskreetsete juhtimissüsteemidega, näiteks mikroprotsessoriga. Igale impulsile vastab teatud pöördenurk α, n impulsile aga pöördenurk γ= n•α . Siit järeldub, et samm-mootorit võib kasutada positsioneerimisel avatud juhtimisahelaga, st tagasisideta süsteemides. Samm-mootori eeliseks on asjaolu, et puudub tagasisideanduri vajadus ajami positsioneerimisel. Positsioneerimistäpsuse suurendamiseks konstrueeritakse mootorid suurema pooluste arvuga. Kuna samm-mootorit juhitakse järjestikuste impulssidega, siis võib madalatel pööretel olla samm-mootori liikumine katkendlik.

Samm-mootorid on rentaablid võimsuseni kuni ~1 kW, neid toodetakse ka lineaarmootorite kujul.

Samm-mootori ühe takti samm ehk sammunurk α,

α=(360°)/(N_ph∙m∙Z)

kus N_ph on pooluste arv faasi kohta, m faaside arv ning Z hammaste arv. Samm-mootor koos taktgeneraatori ja lõppastmega moodustab samm-ajami. Taktsignaalid moodustatakse töö etteandesuuruste (kiirus, asend, kiirendus) alusel ja nendega tüüritakse transistorlülititest koosnevat lõppastet. Transistorlülitite ülesanne on samm-mootori mähiste kommuteerimine ettenähtud liikumistrajektoori tagamiseks.

Samm-mootorite tüübid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Samm-mootorid jaotatakse vastavalt ehitusviisile reluktants- (reaktiivrootoriga) ja püsimagnet- (aktiivrootoriga) mootoriteks:

  1. Reluktants-samm-mootori rootor koosneb monoliitsest hammastega elektrotehnilisest terasest südamikust; staatorivoolu väljalülitamisel kaob ka jääkmagnetism. Seetõttu saab peale mootori pingestamist magnetvoog liikuda takistamatult läbi südamiku. Reluktantsmootori rootor hakkab liikuma väiksema magnetilise takistuse suunas, st väikseima õhupiluni järgmise hamba ja mähise vahel.
  2. Püsimagnet-samm-mootorite staator koosneb elektrotehnilisest terasest ja rootor vahelduvate poolustega püsimagnetitest. Rootor pannakse pöörlema staatoris tekitatava magnetvälja abil.

Kuna reluktants-samm-mootoritel puuduvad püsimagnetid, ei eksisteeri neil vooluvabas olekus ka takistusmomenti. Püsimagnet-samm-mootorite pooluste arv ja seega ka positsioneerimistäpsus on piiratud. Hübriid-samm-mootoris on esindatud mõlema ehitusviisi omadused, tema rootoril on nii püsimagnetid kui hammasvöö. Suuremomendilisteks mootoriteks nimetatakse samm-mootoreid, mille rootorite valmistamisel on kasutatud eriti tugevaid haruldastest muldmetallidest püsimagneteid. Sellised magnetid tekitavad tavalisest suuremaid väljatihedusi.

Samm-mootorite tööpõhimõte[muuda | redigeeri lähteteksti]

Unipolaarne mootor[muuda | redigeeri lähteteksti]

Keskväljavõte ühendatakse tavaliselt toite plussklemmiga ja kummagi mähise otsasid kommuteeritakse soovitud pöörlemissuuna saavutamiseks vaheldumisi toite miinusklemmiga. Näidatud mootori sammunurk on 30°. mähis 1 on jaotatud üla- ja alapooluse ning mähis 2 vasaku ja parema pooluse vahel. Aktiivrootoril on kokku 6 vahelduvat, ümbermõõdule jaotatud poolust. Kommuteerides toite mähiselt 1 ümber mähisele 2, liigub rootor 30° ehk ühe sammu võrra. Pidev liikumine saavutatakse mähiste 1 ja 2 järjestikuste ümberlülitustega.

Bipolaarne mootor[muuda | redigeeri lähteteksti]

Bipolaarsete mootorite ehitus sarnaneb unipolaarsete mootorite omaga, erinevus seisneb keskväljavõtete puudumises. Seega on mootor lihtsama konstruktsiooniga, kuid lõppastme topoloogia vahelduva polaarsuse tõttu keerukam. Jättes mähised ümber lülitamata, säilitab pingestatud aktiiv- või hübriidrootoriga samm-mootor hoidemomendi, mis väldib rootori iseeneslikku liikumahakkamist väliste jõudude toimel.

Samm-mootori juhtimine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pooli läbiv vool 4-faasilise unipolaarse samm-mootori korral

Lainetalitus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Lihtsaim samm-mootori juhtimisviis on ühefaasiline talitlus, mille puhul pingestatakse ainult ühte mähist korraga. Meetodi puuduseks on saavutatava momendi väiksus, rootori võimalikud asendid on nt kahefaasilise kahe hambaga mootori korral 0°, 90°, 180° ja 270°.

Täis- ja poolsammtalitus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mõlema mähise samaaegsel pingestamisel hakkab mootor tööle kahefaasilises täissammtalitluses ja saavutab suurema pöördemomendi. Asendid jäävad täpselt ühefaasilise talitluse positsiooninurkade vahele, olles vastavalt 45°, 135°, 225° ja 315°. Mõlema talitlusviisi kombineerimisel, st ühe või mõlema mähise vahelduval pingestamisel on võimalik saavutada juba 8 asendit, sellist talitlusviisi nimetakse poolsammtalitluseks.

Mikrosammtalitlus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Toites samm-mootori mõlemat mähist vastavalt siinus-koosinussignaaliga, on tulemuseks ideaalilähedane pöördmagnetväli ja sellest lähtuvalt ka pöördliikumine. Mootori efektiivsus kasvab koos sammude arvuga pöörde kohta: energiatarve ühtlustub, väheneb sammukao oht ning mootor töötab tunduvalt sujuvamalt. Toites samm-mootori mähiseid siinus-koosinus seaduspärasuse järgi diskreetsete impulssidega, on tulemuseks mikrosammtalitlus. Taolise talitlusviisi eeliseks on liikumise suurem sujuvus, kuid puuduseks vähenenud täpsus, mis eeldab tagasisideahelate kasutamist.

Juhtimissüsteemi realiseerimise näide[muuda | redigeeri lähteteksti]

Samm-ajam peab läbitud nurga arvestust loendatud impulsside järgi, saades asendi juurdekasvu ehk inkremendi. Absoluutasendi määramiseks tuleb esmalt loendur nullida algpositsiooni määratlemisega, selleks kasutatakse reeglina piirlüliteid. Samm-ajami juhtimisosa koosneb mikrokontrolleril põhinevast taktgeneraatorist ja lõppastmest nelja mähiseotsa pingestamisteks peab mikrokontroller väljastama 4-kohalise bitijada. Iga bitijadaga pöördub rootor ühe sammu võrra, pidev pöörlemine on realiseeritav tarkvaraliselt programmitsükliga, kus antakse ette sammude arv. Samm-mootori suureks eeliseks on asjaolu, et tema asend on piisavalt suure täpsusega määratav. Teades nt ratta ümbermõõtu, võib välja arvutada suuruse samm/cm, ehk 1cm läbimiseks vajamineva sammude hulga. Sellest lähtuvalt võib koostada töö alamprogrammi, mis kasutab sisendsuurusena teepikkust, arvutab sellest sammude hulga ja edastab selle portide kaudu tsüklina lõppastmele.

Samm-mootori koormamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Samm-mootori poolt arendatav moment sõltub lülitussagedusest ja järelikult ka mootori pöörlemiskiirusest. Mootorid arendavad tüübisildil näidatud nimimomenti ainult väga madalatel kiirustel. Pöörlemiskiiruse suurenemisel arendatav moment väheneb, mis teatud kiiruse puhul võib ajami viia vääratustalitlusse, mida iseloomustab sünkronismist väljalangemine ehk sammukadu. Taolise momendikarakteristiku põhjuseks on mähiste induktiivsus. Mähiste pidevate ümberlülitamiste tõttu tekitavad induktiivsused vastuelektromotoorjõu, mistõttu suurtel kiirustel pole enam võimalik saavutada nimivoolu ega -momenti. Tänapäevaseid samm-mootoreid toidetakse enamasti reguleeritavatest vooluallikatest, mis tagavad püsiva voolu ja momendi suuremas kiiruspiirkonnas. Voolu hoidmisel konstantsena võib 12V nimipingega samm-mootori klemmipinge tõusta isegi 40V lähedale. Samm-mootori koormamisel tuleb kinni pidada teatud piirangutest:

  1. Hoidemoment Th on väärtus, milleni saab seisvat, staatiliselt pingestatud mootorit koormata, ilma et tema rootor veel ei pöörduks.
  2. Käivitus-peatumissagedus fs on suurim sammusagedus, mille juures koormamata samm-mootor käivitub sünkronismist välja langemata.
  3. Mootori kiirus on piiratud suurima tühijooksusagedusega fmax.
  4. Mootori kiirendus- ja pidurduspiirkond, kus puudub sünkronismist väljalangemise oht, on piiratud vastava kõveraga. Samuti on kõveraga piiratud püsitalitluspiirkond.

Kasutusalad[muuda | redigeeri lähteteksti]

Samm-mootorit on mõistlik kasutada siis, kui on tarvis saavutada täpne kontrollitud liikumine. Sellest on kasu seadetes, kus on vaja kontrollida pöörlemise nurka, kiirust, asukohta ning ka siis, kui on tarvis saavutada sünkroonsus. Neil põhjustel on seda tüüpi mootorit laialdaselt kasutatud printeritest, skännerites, andmekandja lugejates, mänguautomaatides jne. Samuti kasutatakse samm-mootoreid tööstusseadmetes, mis nõuavad suurt täpsust.

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]