Samm-mootor

Samm-mootor on pingeimpulssidega käitatav sünkroonmootor. Iga impulsi mõjul pöördub mootori rootor kindla nurga – sammu – võrra.

Samm-mootori tööd kirjeldav animatsioon

Samm-mootorid

Samm-mootor lahtivõetult

Püsimagnetpoolustega samm-mootor

Samm-mootoril on vähemalt kaks ergutusmähist, sest ühe mähisega sünkroonmootoril ei ole võimalik määrata toitevoolu kaudu pöörlemise suunda. Tavaliselt on samm-mootoril ka rohkem pooluseid, sest siis saab korraga pöörata väiksema nurga. 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, sest 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. Praktikas lisatakse vahel siiski eraldi asendi andurid täiendavaks kontrolliks.

On olemas ka lineaarliikumisega ehk kulg-samm-mootorid sammu pikkusega mõnest mikromeetrist mõne sentimeetrini.

Samm-mootori ehitus

Samm-mootor on elektrimasin, mis muudab alalispinge impulsid mootori võlli mehaaniliseks energiaks. Peamine osa on rootor, mis on mootori ainuke liikuv komponent. Rootori külge on kinnitatud püsimagnetid, mille väljaulatuvate otste 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, 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 $\alpha$,

$\alpha ={\frac {360^{o}}{n_{f}mz}}$

kus ${n_{f}}$ on pooluste arv faasi kohta,

m on faaside arv,

z on hammaste arv.

Samm-mootor koos taktgeneraatori ja lõppastmega moodustab sammajami. 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

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

1. Reluktants-samm-mootori rootor koosneb monoliitsest hammastega elektrotehnilisest terasest südamikust; staatorivoolu väljalülitamisel kaob ka jääkmagnetism. Seetõttu saab pärast 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

Unipolaarne mootor

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

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

Pooli läbiv vool 4-faasilise unipolaarse samm-mootori korral

Lainetalitlus

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 poolsammtalitlus

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 nimetatakse poolsammtalitluseks.

Mikrosammtalitlus

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.

Kui toita 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

Sammajam peab läbitud nurga arvestust loendatud impulsside järgi, saades asendi juurdekasvu ehk inkremendi. Absoluutasendi määramiseks tuleb esmalt loendur nullida algpositsiooni määratlemisega, selleks kasutatakse reeglina piirlüliteid. Sammajami 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 1 cm 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

Samm-mootori 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 12 V nimipingega samm-mootori klemmipinge tõusta isegi 40 V lähedale. Samm-mootori koormamisel tuleb kinni pidada teatud piirangutest:

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

Kasutusalad

Samm-mootorit on mõistlik kasutada siis, kui on tarvis saavutada täpne kontrollitud liikumine. Sellest on kasu seadmetes, kus on vaja kontrollida pöördenurka, kiirust ja asukohta ning ka siis, kui on tarvis saavutada sünkroonsus. Neil põhjustel on seda tüüpi mootor laialdaselt kasutusel printerites, skannerites, andmekandjalugejates, mänguautomaatides jne. Samuti kasutatakse samm-mootoreid tööstusseadmetes, CNC-pinkides, tööstus- ja ka mängurobotites, mis nõuavad mitmesuguseid ebastandardseid liigutusi.

Kirjandus

• A. Mahhov. Videokaamera automaatne juhtimissüsteem. Tartu, 2005.

Välislingid

• [1]
• Robotiehitamise juhend – sammmootor
• [2]
• [3]