Krokový motor: zařízení, princip činnosti, rozsah

DC krokové motory jsou široce používány v počítačových numerických řídicích strojích a robotice. Hlavní rozdíl mezi tímto elektromotorem je princip jeho činnosti. Hřídel krokového motoru se dlouho neotáčí, ale otáčí se pouze v určitém úhlu. To zajišťuje přesné umístění pracovního prvku v prostoru. Napájení takového motoru je diskrétní, to znamená, že je prováděno pulzy. Tyto impulzy otáčejí hřídel pod určitým úhlem, každé takové otočení se nazývá krok, odtud název. Tyto motory často pracují v tandemu s převodovkou, aby se zlepšila přesnost nastavení a točivý moment na hřídeli, a s enkodérem, který aktuálně sleduje polohu hřídele. Tyto prvky jsou potřebné k přenosu a transformaci úhlu otočení. V tomto článku řekneme čtenářům webu Sám elektrikář o zařízení, principu činnosti a účelu krokových motorů.

Jak funguje krokový motor

Svým typem je to bezkartáčový synchronní motor. Skládá se z stator a rotor. Na rotoru jsou obvykle sekce z elektrických ocelových plechů (na fotografii je to „zubatá“ část) a ty jsou zase odděleny permanentními magnety. Vinutí jsou umístěna na statoru ve formě samostatných cívek.

Princip činnosti

Jak funguje krokový motor, je vidět na podmíněném modelu. V poloze 1 je na vinutí A a B přivedeno napětí určité polarity. V důsledku toho je ve statoru generováno elektromagnetické pole. Protože jsou přitahovány různé magnetické póly, rotor zaujme svou polohu podél osy magnetického pole. Magnetické pole motoru navíc zabrání pokusům o změnu polohy rotoru zvenčí. Jednoduše řečeno, magnetické pole statoru bude fungovat tak, aby rotor nezměnil danou polohu (například při mechanickém namáhání hřídele).

Pokud je na vinutí D a C aplikováno napětí se stejnou polaritou, elektromagnetické pole se posune. To způsobí, že se rotor permanentního magnetu otočí do polohy 2. V tomto případě je úhel otočení 90 °. Tento úhel bude krokem otáčení rotoru.

Pozice 3 je dosažena použitím napětí opačné polarity na vinutí A a B. V tomto případě bude elektromagnetické pole opačné k poloze 1, rotor motorů bude posunut a celkový úhel bude 180 °.

Když je na vinutí D a C aplikováno napětí s opačnou polaritou, rotor se bude otáčet o úhel až 270 ° vzhledem k počáteční poloze. Když je na vinutí A a B připojeno kladné napětí, rotor zaujme původní polohu - dokončí otáčení o 360 °. Je třeba mít na paměti, že pohyb rotoru probíhá po nejkratší dráze, tj. Od polohy 1 do poloha 4 ve směru hodinových ručiček se rotor otočí až po průchodu meziproduktem 2 a 3 ustanovení. Při připojení vinutí po 1 poloze okamžitě do 4 polohy se rotor otočí proti směru hodinových ručiček.

Typy a typy podle polarity nebo typu vinutí

Krokové motory používají bipolární a unipolární vinutí. Princip činnosti byl zvažován na základě bipolárního stroje. Tato konstrukce umožňuje použití různých fází pro napájení vinutí. Obvod je velmi složitý a vyžaduje drahé a výkonné řídicí desky.

Jednodušší schéma ovládání v unipolárních strojích. V takovém schématu je začátek vinutí spojen se společným "plusem". Na druhé závěry vinutí je střídavě dodáváno „mínus“. Tím je zajištěno otáčení rotoru.

Bipolární krokové motory jsou výkonnější, mají o 40% větší točivý moment než unipolární. Obsluha unipolárních elektromotorů je mnohem pohodlnější.

Typy motorů podle konstrukce rotoru

Podle typu konstrukce rotoru jsou krokové motory rozděleny na stroje:

• s permanentním magnetem;
• s proměnlivou neochotou;
• hybridní.

SM s permanentními magnety na rotoru je navržen stejným způsobem jako v příkladech diskutovaných výše. Jediným rozdílem je, že ve skutečných strojích je mnohem více magnetů. Obvykle jsou distribuovány na sdíleném disku. Počet pólů v moderních motorech dosahuje 48. Jeden krok u takových elektromotorů je 7,5 °.

Motory s proměnnou reluktancí. Rotor těchto strojů je vyroben z měkkých magnetických slitin, nazývají se také „reaktivní krokový motor“. Rotor je sestaven z jednotlivých desek a v řezu vypadá jako ozubené kolo. Tato konstrukce je nezbytná k tomu, aby byl magnetický tok uzavřen zuby. Hlavní výhodou této konstrukce je absence blokovacího momentu. Faktem je, že rotor s permanentními magnety je přitahován ke kovovým částem elektromotoru. A je docela obtížné otáčet hřídel bez napětí na statoru. U krokového motoru s proměnlivou neochotou takový problém není. Významnou nevýhodou je však malý točivý moment. Rozteč takových strojů je obvykle mezi 5 ° a 15 °.

Hybridní krokový motor byl vyvinut tak, aby kombinoval nejlepší vlastnosti obou předchozích typů. Tyto motory mají malé stoupání v rozmezí od 0,9 do 5 ° a mají vysoký točivý moment a přídržnou kapacitu. Nejdůležitější výhodou je vysoká přesnost zařízení. Takové elektromotory se používají v nejmodernějších vysoce přesných zařízeních. Mezi nevýhody patří pouze jejich vysoké náklady. Strukturálně je rotor tohoto zařízení magnetizovaný válec, na kterém jsou umístěny měkké magnetické zuby.

Například dvoustupňový krokový motor používá dva ozubené kotouče, každý s 50 zuby. Disky jsou vůči sobě přesazeny půlzubem, takže dutina kladného pólu se shoduje s výstupkem záporného pólu a naopak. Díky tomu má rotor 100 pólů s obrácenou polaritou.

To znamená, že jižní i severní pól mohou být posunuty vzhledem ke statoru v 50 různých polohách a celkem 100. A fázový posun o čtvrtinu dává dalších 100 pozic, to se děje díky sekvenčnímu buzení.

Ovládání krokového motoru

Řízení se provádí následujícími metodami:

1. Mávat. Při této metodě je napětí přiváděno pouze na jednu cívku, ke které je rotor přitahován. Protože je zapojeno pouze jedno vinutí, točivý moment rotoru je malý a není vhodný pro přenos vysokého výkonu.
2. Úplný krok. V tomto provedení jsou buzena dvě vinutí najednou, čímž je zajištěn maximální točivý moment.
3. Půlkrok. Kombinuje první dvě metody. V tomto provedení je napětí aplikováno nejprve na jedno z vinutí a poté na dvě. Tímto způsobem je realizováno více kroků a maximální přídržná síla, která zastaví rotor při vysokých rychlostech.
4. Řízení mikroprocesu se provádí aplikací impulzů mikrokroku. Tato metoda zajišťuje plynulé otáčení rotoru a snižuje trhání během provozu.

Výhody a nevýhody krokových motorů

Mezi výhody tohoto typu elektrických strojů patří:

• vysoké rychlosti rozjezdu, zastavení, zpátečky;
• hřídel se otáčí v souladu s příkazem řídicího zařízení v předem stanoveném úhlu;
• jasná fixace polohy po zastavení;
• vysoká přesnost polohování, bez přísných požadavků na přítomnost zpětné vazby;
• vysoká spolehlivost díky absenci kolektoru;
• zachování maximálního točivého momentu při nízkých otáčkách.

Nevýhody:

• možné porušení polohování, když je mechanické zatížení hřídele vyšší, než je přípustné pro konkrétní model motoru;
• pravděpodobnost rezonance;
• komplexní kontrolní schéma;
• nízká rychlost otáčení, ale to nelze přičítat významným nevýhodám, protože krokové motory se nepoužívají k jednoduchému otáčení něčeho podobného bezkartáčovýnapříklad, ale pro polohovací mechanismy.

Krokovému motoru se také říká motor „konečného počtu poloh rotoru“. Toto je nejrozsáhlejší a zároveň nejvýstižnější definice takových elektrických strojů. Aktivně se používají v CNC strojích, 3D tiskárnách a robotech. Hlavním konkurentem krokového motoru je servo, ale každý z nich má své vlastní výhody a nevýhody, které určují vhodnost použití jednoho nebo druhého v každém případě.

Související materiály:

• Jaké jsou typy elektromotorů a čím se liší?
• Co je to krokové napětí a jak je nebezpečné
• Co je to synchronní motor a kde se používá