Krokový motor: zariadenie, princíp činnosti, rozsah

DC krokové motory sú široko používané v numericky riadených obrábacích strojoch a robotike. Hlavným rozdielom medzi týmto elektromotorom je princíp jeho činnosti. Hriadeľ krokového motora sa dlho neotáča, ale otáča sa iba pod určitým uhlom. To zaisťuje presné umiestnenie pracovného prvku v priestore. Napájanie takého motora je diskrétne, to znamená, že sa vykonáva impulzmi. Tieto impulzy otáčajú hriadeľom pod určitým uhlom, každá taká zákruta sa nazýva krok, odtiaľ pochádza názov. Tieto motory často pracujú v tandeme s prevodovkou, aby sa zlepšila presnosť nastavenia a krútiaceho momentu na hriadeli, a s enkodérom na sledovanie polohy hriadeľa v danom okamihu. Tieto prvky sú potrebné na prenos a transformáciu uhla rotácie. V tomto článku povieme čitateľom stránok Sám elektrikár o zariadení, princípe činnosti a účele krokových motorov.

Ako funguje krokový motor

Podľa svojho druhu je to bezkartáčový synchrónny motor. Zahŕňa stator a rotor. Na rotore sú spravidla sekcie vyrobené z plechov z elektrickej ocele (na fotografii je to „zubatá“ časť) a tieto sú zase oddelené permanentnými magnetmi. Vinutia sú umiestnené na statore, vo forme samostatných cievok.

Princíp činnosti

Ako krokový motor funguje, je možné vidieť na podmienenom modeli. V polohe 1 je na vinutia A a B aplikované napätie s určitou polaritou. V dôsledku toho sa v statore generuje elektromagnetické pole. Pretože sú priťahované rôzne magnetické póly, rotor zaujme svoju polohu pozdĺž osi magnetického poľa. Magnetické pole motora navyše zabráni pokusom o zmenu polohy rotora zvonku. Jednoducho povedané, magnetické pole statora bude fungovať tak, aby rotor nemohol meniť danú polohu (napríklad pri mechanickom namáhaní hriadeľa).

Ak je na vinutia D a C aplikované napätie s rovnakou polaritou, elektromagnetické pole sa posunie. To spôsobí, že sa rotor permanentného magnetu otočí do polohy 2. V tomto prípade je uhol otočenia 90 °. Tento uhol bude krokom otáčania rotora.

Poloha 3 sa dosiahne aplikovaním napätia opačnej polarity na vinutia A a B. V tomto prípade bude elektromagnetické pole opačné k polohe 1, rotor motorov bude posunutý a celkový uhol bude 180 °.

Keď je na vinutia D a C aplikované napätie s opačnou polaritou, rotor sa bude otáčať o uhol až 270 ° vzhľadom na počiatočnú polohu. Keď je k vinutiam A a B pripojené kladné napätie, rotor zaujme svoju pôvodnú polohu - dokončí otáčanie o 360 °. Je potrebné mať na pamäti, že pohyb rotora prebieha po najkratšej dráhe, to znamená z polohy 1 do poloha 4 v smere hodinových ručičiek sa rotor otočí až po prechode medziproduktmi 2 a 3 ustanovenia. Pri pripájaní vinutí po 1 polohe bezprostredne k polohe 4 sa rotor otočí proti smeru hodinových ručičiek.

Typy a typy podľa polarity alebo typu vinutí

Krokové motory používajú bipolárne a unipolárne vinutia. Princíp činnosti bol zvažovaný na základe bipolárneho stroja. Tento dizajn umožňuje použitie rôznych fáz na napájanie vinutí. Obvod je veľmi zložitý a vyžaduje drahé a výkonné riadiace dosky.

Jednoduchšia schéma riadenia v unipolárnych strojoch. V takejto schéme je začiatok vinutí spojený so spoločným „plusom“. Na druhé závery vinutí sa striedavo dodáva „mínus“. To zaisťuje otáčanie rotora.

Bipolárne krokové motory sú výkonnejšie, majú o 40% vyšší krútiaci moment ako unipolárne. Obsluha unipolárnych elektromotorov je oveľa pohodlnejšia.

Typy motorov podľa konštrukcie rotora

Podľa typu konštrukcie rotora sú krokové motory rozdelené na stroje:

• s permanentným magnetom;
• s premenlivou váhavosťou;
• Hybrid.

SM s permanentnými magnetmi na rotore je navrhnutý rovnakým spôsobom ako v príkladoch diskutovaných vyššie. Jediným rozdielom je, že v skutočných strojoch je magnetov oveľa viac. Spravidla sú distribuované na zdieľanom disku. Počet pólov v moderných motoroch dosahuje 48. Jeden krok v takýchto elektromotoroch je 7,5 °.

Motory s premenlivou reluktanciou. Rotor týchto strojov je vyrobený z mäkkých magnetických zliatin, nazývajú sa tiež „reaktívny krokový motor“. Rotor je zostavený z jednotlivých dosiek a v reze vyzerá ako ozubené koleso. Tento dizajn je potrebný na to, aby bol magnetický tok uzavretý cez zuby. Hlavnou výhodou tejto konštrukcie je absencia blokovacieho momentu. Faktom je, že rotor s permanentným magnetom je priťahovaný k kovovým častiam elektrického motora. A je dosť ťažké otočiť hriadeľ bez napätia na statore. V krokovom motore s premenlivým odporom nie je taký problém. Významnou nevýhodou je však malý krútiaci moment. Rozstup takýchto strojov je obvykle medzi 5 ° a 15 °.

Hybridný krokový motor bol vyvinutý tak, aby kombinoval najlepšie vlastnosti oboch predchádzajúcich typov. Tieto motory majú malý rozstup v rozmedzí od 0,9 do 5 ° a majú vysoký krútiaci moment a prídržnú kapacitu. Najdôležitejším plusom je vysoká presnosť zariadenia. Takéto elektromotory sa používajú v najmodernejších vysoko presných zariadeniach. Nevýhody zahŕňajú iba ich vysoké náklady. Štrukturálne je rotor tohto zariadenia magnetizovaným valcom, na ktorom sú umiestnené mäkké magnetické zuby.

Napríklad 200-stupňový krokový motor používa dva ozubené kotúče, každý s 50 zubmi. Kotúče sú vzájomne odsadené polovičným zubom, takže dutina kladného pólu sa zhoduje s výčnelkom záporného pólu a naopak. Vďaka tomu má rotor 100 pólov s opačnou polaritou.

To znamená, že južný aj severný pól môžu byť posunuté vzhľadom na stator v 50 rôznych polohách, a celkom 100. A fázový posun o štvrtinu dáva ďalších 100 polôh, to sa deje kvôli sekvenčnému budeniu.

Ovládanie krokového motora

Riadenie sa vykonáva nasledujúcimi metódami:

1. Mávať. Pri tejto metóde je napätie privedené iba na jednu cievku, ku ktorej je rotor priťahovaný. Pretože je zapojené iba jedno vinutie, krútiaci moment rotora je malý a nie je vhodný na prenos vysokého výkonu.
2. Úplný krok. V tomto uskutočnení sú budené dve vinutia naraz, čím je zaistený maximálny krútiaci moment.
3. Polokrok. Kombinuje prvé dve metódy. V tomto uskutočnení je napätie privedené najskôr na jedno z vinutí a potom na dve. Týmto spôsobom sa realizuje viac krokov a maximálna prídržná sila, ktorá zastaví rotor pri vysokých rýchlostiach.
4. Mikrokrokové riadenie sa vykonáva aplikovaním mikrokrokových impulzov. Táto metóda zaisťuje plynulé otáčanie rotora a znižuje trhanie počas prevádzky.

Výhody a nevýhody krokových motorov

Výhody tohto typu elektrických strojov zahŕňajú:

• vysoké rýchlosti štartovania, zastavovania, cúvania;
• hriadeľ sa otáča podľa príkazu ovládacieho zariadenia vo vopred určenom uhle;
• jasná fixácia polohy po zastavení;
• vysoká presnosť polohovania, bez prísnych požiadaviek na prítomnosť spätnej väzby;
• vysoká spoľahlivosť vďaka absencii kolektora;
• zachovanie maximálneho krútiaceho momentu pri nízkych otáčkach.

Nevýhody:

• možné porušenie polohovania, keď je mechanické zaťaženie hriadeľa vyššie, ako je prípustné pre konkrétny model motora;
• pravdepodobnosť rezonancie;
• komplexná schéma riadenia;
• nízka rýchlosť otáčania, ale to nemožno pripísať významným nevýhodám, pretože krokové motory sa nepoužívajú na jednoduché otáčanie niečoho podobného bezkartáčovýnapríklad, ale pre polohovacie mechanizmy.

Krokový motor sa nazýva aj motor „konečného počtu polôh rotora“. Toto je najrozsiahlejšia a zároveň najvýstižnejšia definícia takýchto elektrických strojov. Aktívne sa používajú v CNC strojoch, 3D tlačiarňach a robotoch. Hlavným konkurentom krokového motora je servo, ale každý z nich má svoje vlastné výhody a nevýhody, ktoré v každom prípade určujú vhodnosť použitia jedného alebo druhého.

Súvisiace materiály:

• Aké sú typy elektrických motorov a čím sa líšia?
• Čo je to krokové napätie a aké nebezpečné je
• Čo je to synchrónny motor a kde sa používa