Krokové motory

http://cs.wikipedia.org/wiki/Elektromotor
Krokové motory
princip funkce, metody řízení
Občas se v praxi vyskytne potřeba pohonu, který umí přesně nastavit svoji
polohu a tuto polohu i přes působící síly udržet (např. souřadnicové zapisovače
nebo počítačem řízené obráběcí stroje). Právě to jsou aplikace jako šité na míru
pro krokové motory. V robotice používáme krokové motory z důvodu jejich
snadné obsluhy. Pro precizní řízení rychlosti nepotřebujeme naprogramovat
komplexní PID kontrolér a, pokud motory nepřetěžujeme, lze se obejít bez
zpětné vazby o změně natočení – stačí počítat kroky.
V rámci objektivity hned na začátku zmíníme i nevýhody pohonů s krokovými
motory. Nejzávažnější je pravděpodobně trvalý odběr proudu i když se motor
netočí. Nepříliš výhodný je i poměr výkonu (kroutícího momentu) vůči
hmotnosti motoru. Ani cena není ve srovnání s DC motory příliš výhodná.
Anatomie krokového motoru
Na obrázcích je krokový motor s 200 kroky na otáčku (1.8 stupně na krok).
Stator krokového motoru je tvořen sadou cívek. Pólové nástavce statoru jsou
vroubkovány se stejnou roztečí jako je rozteč magnetů na rotoru. Toto je jedna z
částí zvyšující přesnost motoru při stejném počtu cívek. Rotor je tvořen hřídelí
usazenou na kuličkových ložiskách a prstencem permanentních magnetů.
Celkový pohled na KM
Stator KM
Rotor KM
Funkce krokového motoru
Základní princip krokového motoru je úplně jednoduchý. Proud procházající
cívkou statoru vytvoří magetické pole, které přitáhne opačný pól magnetu
rotoru. Vhodným zapojováním cívek dosáhneme vytvoření rotujícího
magnetického pole, které otáčí rotorem.
Podle požadovaného kroutícího momentu, přesnosti nastavení polohy a
přípustného odběru volíme některou z variant řízení. Všechny možnosti jsou
probrány v další části textu. Kvůli přechodovým magnetickým jevům je
omezena rychlost otáčení motoru a to na několik stovek kroků za sekundu
(závisí na typu motoru a zatížení). Při překročení této maximální rychlosti (nebo
při příliš velké zátězi) motory začínají ztrácet kroky.
Metody řízení krokových motorů
Unipolární versus bipolární řízení
Schéma unipolárního
řízení
Při unipolárním řízení prochází v jednom okamžiku právě jednou cívkou. Motor
s tímto buzením má nejmenší odběr, ale také poskytuje nejmenší kroutící
moment. Výhodou tohoto řešení je jednoduché zapojení řídící elektroniky - v
podstatě stačí jeden tranzistor na každou cívku. Pro menší motory lze výhodou
použít integrovaný obvod ULN2803. V jednom pouzdře je dostatek budičů pro
řízení dvou motorů.
Při bipolárním řízení prochází proud vždy dvěma protilehlými cívkami. Ty jsou
zapojené tak, že mají navzájem opačně orientované magnetické pole. Motor v
tomto režimu poskytuje větší kroutící moment, ovšem za cenu vyšší spotřeby.
Pro řízení jsou zapotřebí 2 H-můstky: pro každou větev jeden. To ve výsledku
znamená jednak složitost zapojení a větší počet kontrolních linek (jejich počet
lze zredukovat pomocí přídavné logiky). Vhodným integrovaným obvodem pro
bipolární řízení menších motorů je H-můstek L293D.
Upozornění: Při konstrukci budiče z diskrétních součástek se nesmí
zapomenout na ochranné diody (ve schématech nejsou nakresleny).
Schéma bipolárního řízení
Jednofázové versus dvoufázové řízení
Jednofázové řízení znamená, že magnetické pole generuje pouze jedna cívka
(případně dvojice cívek při bipolárním buzení).
Při dvoufázovém řízení generují shodně orientované magnetické pole vždy dvě
sousední cívky. Daní za vyšší kroutící moment je dvojnásobná spotřeba oproti
řízení jednofázovému.
Řízení s plným versus polovičním krokem
Řízení s plným krokem znamená, že na jednu otáčku je potřeba přesně tolik
kroků, kolik zubů má stator daného motoru. Dosáhneme ho použitím kterékoliv
doposud uvedené metody řízení.
Řízením s polovičním krokem dosáhneme dvojnásobné přesnosti. Technicky se
jedná o střídání kroků s jedno- a dvoufázovým řízením.
Metody řízení v praxi
Rozložení cívek
Následující obrázky používají číslování cívek podle tohoto schématu (pro
jednoduchost uvažujeme zjednodušený motor se čtyřmi kroky na otáčku).
Je-li cívka nakreslena hnědě(v tabulce označená "0"), je bez proudu. Magnetické
pole modře nakreslené cívky (v tabulce označené "-") přitahuje červený konec
magnetu (rotoru) a naopak - magnetické pole červeně nakreslené cívky (v
tabulce označené "+") přitahuje modrý konec magnetu.
Pro přehrávání animací (animovaný GIF) je nutné mít povoleno přehrávání
animací na webových stránkách ve vašem prohlížeči.
Unipolární jednofázové řízení s plným krokem
Animace
Cívka 1
Cívka 2
Cívka 3
Cívka 4
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-
Unipolární dvoufázové řízení s plným krokem
Animace
Cívka 1
Cívka 2
Cívka 3
Cívka 4
0
0
0
0
0
0
-
0
0
-
Unipolární řízení s polovičním krokem
Animace
Cívka 1
Cívka 2
Cívka 3
Cívka 4
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-
Bipolární jednofázové řízení s plným krokem
Animace
Cívka 1
Cívka 2
Cívka 3
Cívka 4
0
+
0
0
0
+
+
0
0
0
+
0
-
0
0
0
-
0
0
-
Bipolární dvoufázové řízení s plným krokem
Animace
Cívka 1
Cívka 2
Cívka 3
Cívka 4
+
+
+
+
+
+
-
+
+
-
Bipolární řízení s polovičním krokem
Animace
Cívka 1
Cívka 2
Cívka 3
Cívka 4
0
+
0
+
+
0
0
+
+
+
+
0
0
+
+
-
0
+
0
-
+
+
-
Praktické zapojení
Následující zapojení demonstruje základní zapojení pro řízení motoru v
unipolárním dvoufázovém režimu. Jako výkonový budič je použit obvod
ULN2803. Ten obsahuje jednak ochranné diody, jednak invertor před každým
výkonovým stupněm. To výrazně zjednodušuje dvoufázové řízení při malém
počtu řídících linek. V rámečku je přehledněji nekresleno propojení cívek
motoru a budičů (včetně ochranných diod).
Schéma
Schéma unipolárního dvoufázového řízení
Řídící sekvence
Krok 1 Krok 2 Krok 3 Krok 4
1
1
0
0
Vstup 1
1
0
0
1
Vstup 2
Animace
Cívka L1
Cívka L2
Cívka L3
Cívka L4
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
1
1
0
0
1
Odkazy
•
•
•
•
•
•
http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/
http://www.ams2000.com/stepping101.html
http://www.euclidres.com/apps/stepper_motor/stepper.html
http://www.educypedia.be/electronics/motorstep.htm
Rotační a lineární krokové motory
How real electric motors work, část o krokových motorech
Lineární krokový motor v kompletní lineární
ose - Lineární osa s krokovým motorem
Nejdůležitější parametry lineární osy
•
•
•
•
•
•
Krokový motor integrovaný do kompletního jednoosého pohonu
"T" drážka integrovaná do vnější kolejnice ze spodu a ze stran
podepřená po celé délce s mnoha montážními volbami.
Kvalitní ložisko zajišťuje hladký pohyb s nízkým třením
po celé délce vybroušeného hliníkového profilu.
Kolejnice zajišťuje mezikoncovou osovou stabilitu, přesný
pohyb a vysokou přesnost systému.
Automatické vymezení vůle v kolmém směru na pohyb,
díky patentovanému lineárnímu ložisku.
Životnost je stejná jako životnost
pohybového šroubu podovné velikosti.
http://www.servo-drive.com/linearni_modul_krokovy_motor_linearni_osa.php