Ovládání krokovým motorem

Elektromotory přeměňují elektrickou energii na mechanickou a jako u krokových motorů přeměňují energii elektrických impulsů na rotační pohyby rotoru. Pohyb generovaný akcí každého pulzu je iniciován a opakován s vysokou přesností, díky čemuž jsou kuličkové motory účinným pohonem pro zařízení, která vyžadují přesné polohování.

Krokové motory s permanentními magnety zahrnují: rotor s permanentním magnetem, vinutí statoru a magnetické jádro. Energetické cívky vytvářejí magnetické severní a jižní póly, jak je znázorněno. Pohybující se magnetické pole statoru nutí rotor, aby se s ním neustále vyrovnával. Toto rotující magnetické pole lze vyladit řízením sériového buzení cívek statoru pro otáčení rotoru.

Obrázek ukazuje schéma typického způsobu buzení pro dvoufázový motor. Ve fázi A jsou nabuzeny dvě cívky statoru, což způsobí, že se rotor přitáhne a zablokuje, když se opačné magnetické póly přitahují.Když jsou vinutí fáze A vypnutá, vinutí fáze B jsou zapnuta, rotor se otáčí ve směru hodinových ručiček (anglicky CW - ve směru hodinových ručiček, CCW - proti směru hodinových ručiček) o 90 °.

Pak se fáze B vypne a fáze A se zapne, ale póly jsou nyní opačné, než byly na samém začátku. To vede k dalšímu otočení o 90°. Poté se fáze A vypne, s obrácenou polaritou se zapne fáze B. Opakováním těchto kroků se rotor otočí po směru hodinových ručiček v krocích po 90°.

Stupňovité řízení znázorněné na obrázku se nazývá jednofázové řízení. Přijatelnějším způsobem krokového řízení je dvoufázové aktivní řízení, kdy jsou obě fáze motoru vždy zapnuté, ale v jedné z nich se mění polarita, jak je znázorněno na obrázku.

Toto ovládání způsobí, že se rotor krokového motoru pohybuje tak, že se s každým krokem vyrovná ve středu vytvořeného severního a jižního pólu, mezi výstupky magnetického obvodu. Protože jsou obě fáze vždy zapnuté, poskytuje tento způsob řízení o 41,4 % větší krouticí moment než řízení s jednou aktivní fází, ale vyžaduje dvojnásobný elektrický výkon.

Půl kroku

Krokový motor může být i "polostupňový", pak se při fázovém přechodu přidává vypínací stupeň. Tím se úhel sklonu zkrátí na polovinu. Například místo 90° se krokový motor může otočit o 45° na každý «půlkrok», jak je znázorněno na obrázku.

Ale poloviční krokový režim zavádí ztrátu točivého momentu o 15-30% ve srovnání s krokovým ovládáním se dvěma aktivními fázemi, protože jedno z vinutí je neaktivní během poloviny kroku a to nakonec vede ke ztrátě elektromagnetické síly působící na rotor, tj. čistá ztráta točivého momentu.

Bipolární cívka

Dvoufázové krokové řízení předpokládá přítomnost dvoupólového statorového vinutí. Každá fáze má svou vlastní cívku a když je proud přes cívky obrácený, mění se také elektromagnetické polarity. Počáteční fáze je typická dvoufázový ovladač znázorněno na obrázku. Schéma ovládání je uvedeno v tabulce. Je vidět, jak jednoduše změnou směru proudu cívkami je možné změnit magnetickou polaritu ve fázích.

Jednopólová cívka

Dalším typickým typem cívky je unipolární cívka.Tady jsou cívky rozděleny na dvě části a při nabuzení jedné části cívky vznikne severní pól, při nabuzení druhé části vznikne jižní pól. Toto řešení se nazývá unipolární cívka, protože elektrická polarita zodpovědná za proud se nikdy nemění. Fáze řízení jsou znázorněny na obrázku.

Tato konstrukce umožňuje použití jednoduššího elektronického bloku. Avšak téměř 30% točivého momentu se zde ztrácí ve srovnání s bipolární cívkou, protože cívky mají polovinu drátu jako bipolární cívka.

Jiné úhly sklonu

Pro získání menších úhlů stoupání je nutné mít větší počet pólů na rotoru i statoru. Rotor 7,5° má 12 pólových párů a magnetické jádro statoru má 12 výstupků. Dvě ouška cívky a dvě cívky.

To dává 48 pólů pro každý krok 7,5°. Na obrázku vidíte v řezu 4pólová oka. Je samozřejmě možné kombinovat kroky pro dosažení velkých posunů, například šest kroků po 7,5° povede k rotaci rotoru o 45°.

Přesnost

Přesnost krokových motorů je 6-7% na krok (bez akumulace). Krokový motor s kroky 7,5° bude vždy v rozmezí 0,5° od teoreticky předpokládané polohy, bez ohledu na to, kolik kroků již bylo učiněno. Chyba se nebude kumulovat, protože mechanicky se každých 360° opakuje krok za krokem. Bez zatížení bude fyzická poloha pólů statoru a rotoru vůči sobě vždy stejná.

Rezonance

Krokové motory mají svou vlastní rezonanční frekvenci, protože jsou to systémy podobné hmotnosti pružiny. Když je rytmus stejný jako přirozená rezonanční frekvence motoru, je slyšet hluk generovaný motorem a vibrace se zesílí.

Rezonanční bod závisí na aplikaci motoru, jeho zatížení, ale obecně se rezonanční frekvence pohybuje od 70 do 120 kroků za sekundu. V nejhorším případě ztratí motor přesnost ovládání, pokud přejde do rezonance.

Snadný způsob, jak se vyhnout problémům s rezonancí systému, je změnit rytmus mimo rezonanční bod. V režimu polovičního nebo mikrokroku je problém s rezonancí redukován, protože rezonanční bod je opuštěn s rostoucí rychlostí.

Točivý moment

Točivý moment krokového motoru je funkcí: krokové rychlosti, proudu statorového vinutí, typu motoru. S těmito třemi faktory souvisí i výkon konkrétního krokového motoru.Točivý moment krokového motoru je součtem třecího momentu a setrvačného momentu.

Třecí moment v gramech na centimetr je síla potřebná k pohybu břemene o hmotnosti určitého počtu gramů s ramenem páky o délce 1 cm. Je důležité si uvědomit, že jak se kroková rychlost motoru zvyšuje, zpětný EMF v motoru , to znamená, že napětí generované motorem se zvyšuje. To omezuje proud ve vinutí statoru a snižuje točivý moment.