مشخصات انواع سروو موتور و آشنایی با ساختار داخلی و روش های کنترل آن

کاربردهای سروو موتورها

سروو موتور در مواردی که نیاز به دقت و سرعت عمل بالا باشد مورد استفاده قرار می گیرند.

1. رباتیک
2. ماشین آلات CNC
3. ماشین آلات چاپ
4. دستگاه های پزشکی
5. دستگاه های تزریق پلاستیک
6. دستگاه های تولید قطعات الکترونیکی و …

آشنایی با ساختار داخلی سروو موتور

یک سروو موتور الکتریکی مغناطیس دائم، مانند هر موتور الکتریکی دوار، از یک روتور و یک استاتور تشکیل شده است. استاتور قسمت ثابت است و روتور قسمت چرخشی است.

به طور معمول، روتور در داخل استاتور موتور الکتریکی قرار دارد، همچنین سازه هایی با روتور خارجی – درون موتورهای برقی وجود دارد.

روتور از آهنرباهای دائمی تشکیل شده است. از موادی با نیروی مغناطیسی بالا به عنوان آهنربای دائمی استفاده می شود.

از نظر طراحی روتور، سرو موتورها به دسته های زیر تقسیم می شوند :

• موتورهای برقی با روتور قطب برجسته
• موتورهای برقی با روتور قطب غیر برجسته

یک موتور الکتریکی با روتور قطب غیر برجسته دارای اندوکتاس درجه چهار برابر با  .L _d = L_q  است، در حالی که برای یک موتور الکتریکی با روتور قطب برجسته ، اندوکتاس درجه چهار برابر با  Lq ≠ Ld نیست.

شکل 3: مقطع روتورها با نسبت متفاوت Ld / Lq. آهن ربا به رنگ سیاه مشخص شده است. شکل6،5  روتورهای لایه باز محور را نشان می دهد ، شکل 3و8روتورها را به همراه موانع نشان می دهد.

انواع سروو موتور از نظر طراحی روتور

همچنین از نظر طراحی روتور ،سرو موتورها به دسته های زیر تقسیم می شود:

• موتور سنکرون مغناطیسی دائم رابط
• موتور سنکرون مغناطیسی دائم داخلی

شکل4: روتور یک سرو موتور مغناطیس دائم

شکل5:روتور سرو موتور با آهنربای داخلی

استاتور از یک قاب بیرونی و یک هسته با سیم پیچ تشکیل شده است. رایج ترین طرح با سیم پیچ دو و سه فاز.

انواع سروو موتور از نظر طراحی استاتور

بسته به طراحی استاتور ،انواع سروو به دو صورت زیر می باشند:

• با سیم پیچ توزیع شده
• با سیم پیچ متمرکز

شکل 6:استاتور سرو موتور  با سیم پیچ توزیع شده

شکل7:استاتور سرو موتور  با سیم پیچ متمرکز

در سیم پیچ متمرکز که در آن تعداد شکاف ها در قطب و فاز Q = 1. در این حالت، شکاف ها به طور مساوی در اطراف استاتور قرار می گیرند. دو سیم پیچ که سیم پیچ را شکل می دهند هم به صورت سری و هم به موازات قابل اتصال هستند. مشکل اصلی چنین سیم پیچ ها عدم امکان تاثیرگذاری بر روی فرم منحنی EMF (نیروی محرکه الکتریکی معکوس) است.

شکل 8: مدار سیم پیچ توزیع شده 3فاز

شکل 9: مدار سیم پیچ متمرکز 3فاز

نیروی محرکه الکتریکی معکوس در سروو موتور

شکل EMF Back(نیروی محرکه الکتریکی معکوس) موتور الکتریکی می تواند  به دو صورت زیر می باشد :

• ذوزنقه ای
• سینوسی

شکل منحنی EMF (نیروی محرکه الکتریکی معکوس)  در هادی، با استفاده از منحنی توزیع القایی مغناطیسی در شکاف اطراف  استاتور تعیین می شود.

مشخص است که القای مغناطیسی در شکاف زیر قطب برجسته روتور به صورت ذوزنقه ای شکل است. EMF (نیروی محرکه الکتریکی معکوس) القا شده در هادی شکل مشابهی دارد. اگر ایجاد EMF (نیروی محرکه الکتریکی معکوس) سینوسی لازم باشد، به نوک قطب به نحوی مقدار دهی می شود که منحنی توزیع القایی نزدیک به منحنی سینوسی باشد. این امر توسط نوارهای قطب های روتور میسر می شود.

اصول کار انواع سروو موتور

قاعده کار یک سرو موتور سنکرون الکتریکی مغناطیس دائم (PMSM) بر اساس اثر متقابل میدان مغناطیسی در حال چرخش استاتور و میدان مغناطیسی ثابت روتور است. مفهوم میدان مغناطیسی در حال چرخش استاتور یک موتور سنکرون همانند موتور القایی سه فاز است.

میدان مغناطیسی روتور در حال تعامل با جریان متناوب سنکرون سیم پیچ استاتور ، طبق قانون Ampere (آمپر)، گشتاور ایجاد کرده و روتور را مجبور به چرخش می کند .

آهنرباهای دائمی واقع شده در روتور PMSM یک میدان مغناطیسی ثابت ایجاد می کنند. در یک سرعت سنکرون چرخش روتور با میدان استاتور، قطب های روتور با میدان مغناطیسی چرخان استاتور به هم می پیوندند. از این نظر ، سرو موتور نمی تواند خود را هنگام اتصال مستقیم به شبکه جریان سه فاز (فرکانس جریان در شبکه برق 50 هرتز) راه اندازی کند.

نحوه کنترل انواع سروو موتور

موتور سنکرون با مغناطیس دائم نیاز به یک سیستم کنترل دارد، برای مثال ، یک اینورتر دلتا (VFD) یا یک سروو delta. تعداد زیادی تکنیک کنترل سیستم های اجرا شده وجود دارد. انتخاب روش بهینه برای کنترل عمدتاً به کارهایی بستگی دارد که به درایو الکتریکی واگذار شده است. روش های اصلی کنترل موتور سنکرون مغناطیس دائم در جدول زیر نشان داده شده است.

جدول 1:روش های اصلی کنترل انواع سروو موتور

روش های رایج برای کنترل سرو موتورها

برای حل کارهای ساده معمولاً از کنترل ذوزنقه ای با حسگرهای هال استفاده می شود (برای مثال ، فن های رایانه). برای حل مشکلاتی که نیاز به حداکثر عملکرد از درایو الکتریکی دارند ، معمولاً کنترل میدانی انتخاب می شود.

کنترل ذوزنقه ای

یکی از ساده ترین روش های کنترل سرو موتور کنترل ذوزنقه ای است. کنترل ذوزنقه ای برای کنترل سرو موتور با EMF  Back ذوزنقه استفاده می شود. در عین حال، این روش همچنین به شما امکان می دهد. سروو موتور را با EMF Back (نیروی محرکه الکتریکی معکوس) سینوسی کنترل کنید، اما در این صورت متوسط ​​گشتاور موتور الکتریکی 5٪ پایین تر خواهد بود و موج های گشتاور 14٪ حداکثر مقدار خواهند بود. یک کنترل ذوزنقه ای بدون فیدبک و همراه فیدبک موقعیت روتور وجود دارد.

کنترل حلقه باز (بدون فیدبک) مطلوب و بهینه نیست و ممکن است منجر به آزادسازی سرو موتور از روند همگام سازی شود ، یعنی منجر به از دست دادن کنترل پذیری شود.

کنترل حلقه بسته را می توان به دسته های زیر تقسیم کرد:

کنترل ذوزنقه ای توسط حسگر موقعیت (معمولاً توسط سنسورهای هال).

کنترل ذوزنقه ای بدون سنسور (کنترل ذوزنقه ای بدون سنسور).

به عنوان یک سنسور موقعیت روتور برای کنترل ذوزنقه ای سه فاز، از سه سنسور هال که درون یک موتور الکتریکی ساخته شده اند، استفاده می شود که امکان تعیین زاویه با دقت 30 درجه را فراهم می کند. با استفاده از این روش کنترل، وکتور جریان استاتور تنها برای یک دوره الکتریکی شش موقعیت می گیرد، در نتیجه گشتاور موج دار در خروجی وجود دارد.

شکل 10 :بلوک دیاگرام کنترل ذوزنقه توسط سنسور

کنترل میدانی

کنترل موقعیت محور (FOC) به شما امکان می دهد که سرعت و گشتاور یک موتور بدون جاروبک را به طور صاف ، دقیق و مستقل کنترل کنید. برای بهره برداری از الگوریتم کنترل میدان گرا ، لازم است از موقعیت روتور موتور بدون جاروبک استفاده شود.

برای تعیین موقعیت روتور دو روش وجود دارد:

• توسط سنسور موقعیت
• بدون حسگر – با محاسبه زاویه توسط سیستم کنترل زمان واقعی بر اساس اطلاعات موجود.

کنترل محور سرو موتور توسط سنسور موقعیت

انواع سنسورهای زیر به عنوان حسگرهای زاویه ای استفاده می شوند:

• القایی: حل کننده، inductosyn  و غیره.
• نوری
• مغناطیسی: سنسورهای مغناطیسی

شکل 11: کنترل سروو موتور با سنسور موقعیت

کنترل میدانی سرو موتورها بدون سنسور موقعیت

از سال 1970 روش های کنترل وکتور بدون سنسور برای موتورهای بدون جاروبک، به لطف توسعه سریع ریزپردازنده ها ، توسعه و بهبود یافتند. اولین روش های بدون سنسور برای تخمین زاویه بر اساس خاصیت موتور الکتریکی برای تولید Back EMF در حین چرخش بود. موتور Back EMF(نیروی محرکه الکتریکی معکوس)   حاوی اطلاعاتی در مورد موقعیت روتور است ، بنابراین با محاسبه مقدار EMF Back در سیستم مختصات ثابت می توانید موقعیت روتور را محاسبه کنید. اما هنگامی که روتور در حال چرخش نیست ،موتور EMF  Back (نیروی محرکه الکتریکی معکوس) وجود ندارد و در سرعت پایین EMF Back (نیروی محرکه الکتریکی معکوس) دامنه کوچکی دارد که تشخیص آن از سر و صدا دشوار است، بنابراین این روش برای تعیین موقعیت روتور موتور در سرعت پایین مناسب نیست.

دو تکنیک معمول برای راه اندازی سروو موتور بدون سنسور وجود دارد:

با استفاده از روش V/F شروع کنید – از یک ویژگی از پیش تعیین شده وابستگی ولتاژ به فرکانس شروع کنید. اما کنترل به روش V/F قابلیت سیستم کنترل و پارامترهای اینورتر الکتریکی را شدیدا محدود می کند.

روش تزریق سیگنال فرکانس بالا – فقط با قطب برجسته سرو موتور کار می کند.

شکل 12: کنترل سروو موتور بدون سنسور موقعیت با شروع V/F

در حال حاضر ، کنترل میدانی بدون سنسور PMSM در محدوده سرعت کامل فقط برای موتورهای دارای روتور قطب برجسته امکان پذیر است.

جمع بندی نهایی درباره استفاده از انواع سروو موتور

انواع سروو موتورها بر اساس ویژگی‌ ها و کاربردهای متنوعی که دارند، به چند دسته اصلی تقسیم می‌ شوند که هر کدام در زمینه‌ های خاصی بهترین عملکرد را ارائه می‌ دهند. سروو موتورهای DC با کنترل ساده و دقت بالا برای کاربردهای سبک و متوسط بسیار مناسب‌ اند، در حالی که سروو موتورهای AC به دلیل قدرت و دوام بالاتر در صنایع سنگین‌ تر کاربرد دارند. همچنین، سروو موتورهای خطی و روتاری بسته به نوع حرکت مورد نیاز در سیستم‌ های مختلف به کار می‌ روند. انتخاب نوع مناسب سروو موتور بستگی به نیازهای خاص پروژه، دقت مورد انتظار، سرعت، گشتاور و شرایط کاری دارد. شناخت دقیق انواع سروو موتور و ویژگی‌ های هر یک، به مهندسان و طراحان کمک می‌ کند تا بهترین گزینه را برای بهینه‌ سازی عملکرد سیستم‌ های خود انتخاب کنند. در نهایت، سروو موتورها با قابلیت کنترل دقیق موقعیت، سرعت و گشتاور، نقش کلیدی در اتوماسیون و سیستم‌ های کنترل صنعتی ایفا می‌ کنند و با انتخاب صحیح، می‌ توانند به بهبود کیفیت، افزایش بهره‌ وری و کاهش هزینه‌ های عملیاتی کمک شایانی کنند.