Krokový motor: princip činnosti, obvod, popis, vlastnosti

V moderní elektrotechnice se používá mnoho různých zařízení, z nichž některé jsou určeny pro automatizaci technologických operací. To je také krokový motor. Princip činnosti a zařízení tohoto zařízení jsou popsány v článku.

Co to je?

Toto je jméno elektromechanického zařízení sloužícího k přenosu řídicího signálu na mechanický pohyb rotor. Každé hnutí končí fixací v přísně definované poloze. Přístroj je úhlový nebo lineární. Stojí za zmínku, že stepper motor, princip činnosti který bude popsán níže, je synchronní zařízení.

Řídící systémy s otevřenou smyčkou (bez zpětné vazby)

Nejčastěji je toto zařízení řízeno speciálním elektronickým obvodem. Napájí se pouze ze zdroje střídavého proudu. Takové motory se často používají v obvodech, kde je vyžadována regulace rychlosti. Tím se zabrání potřebě používat nákladnou a komplexní smyčku zpětné vazby a ochrana motoru se stává jednodušším (je nutné pouze zajistit rychlé vypnutí napájení).

Tento princip činnosti je používán v obvodech s otevřenou smyčkou. Je třeba si uvědomit, že tento systém (bez zpětné vazby) je ekonomicky výhodný, ale má řadu významných omezení.

Proto je rotace rotoru poměrně nestabilní, vibrační, a proto rychlost a další charakteristiky pohybu nemohou být v žádném případě stejně přesné jako v DC motorech s zpětnovazební smyčkou. Chcete-li rozšířit rozsah krokového motoru, je nutné najít způsob, jak snížit vibrace.

Konfigurace systému

Pro lepší pochopení konstrukce krokového motoru a principu jeho fungování je možné zvážit schéma fungování zařízení pod jeho kontrolou, které bylo před 20 lety používáno k výrobě děrovacích karet. Za tímto účelem byly univerzálně použity třífázové a čtyřfázové SD. Nyní budeme zvažovat schéma první.

Již jsme zmínili, že rotor motoru se otáčí v určité vzdálenosti v závislosti na každém řídicím impulsu. Hodnota této rotace je vyjádřena ve stupních a nazývá se krokem. Logický obvod je zapnutý během příjmu signálu, po němž okamžitě určuje fázi potřebnou pro aktivaci. Poté odešle signál na střídač, který je zodpovědný za aktuální hodnotu, kterou používají krokové motory. Charakteristiky tohoto zařízení zahrnují použití různých typů řídicích obvodů. Tyto zpravidla jsou namontovány z široce používaných tranzistorů, ačkoli poměrně nedávno pro tento účel používali integrované obvody. Při vysokém výstupním potenciálu se automaticky vybízí požadovaná fáze navíjení (například první). Pokud se potenciál sníží, fáze se automaticky vypne. Takže je zajištěna ochrana elektromotoru.

Fáze se označují pořadovými čísly 1, 2, 3 atd. buď písmeny A, B, C atd. Druhá možnost se používá pouze u některých dvoufázových motorů. Proto je k dispozici pouze jedna fáze dvou, tří nebo čtyř dostupných (v závislosti na typu motoru) v určitém okamžiku. Při vysvětlování principů fungování takového zařízení je tato okolnost neustále zmíněna, ale je třeba si uvědomit, že tato schéma vůbec není ideální kontrolní metodou.

Krok a přírůstek

Nejjednodušší variantou je napájení jednotlivých impulzů z řídicího obvodu. V takovém případě například motor v určitém čase otáčí přední řetězové kolo dopravníku na určitou vzdálenost dopředu. Mělo by být poznamenáno, že když se masivní mechanismus přenáší jen o jeden krok, problém vibrací se dále zhoršuje a značná setrvačnost se projeví.

V takových případech je mnohem oprávněnější použít krokový motor, který může provádět několik pohybů pro jeden řídicí impuls. Také neškodí používat hvězdičku s menšími zuby. Mimochodem, každé takové hnutí se nazývá přírůstek.

V případech, které jsme popsali, se přírůstek rovná jedné a několika krokům. Po každém cyklu se motor chvíli zastaví, po kterém se vše opakuje. Toto se nazývá přírůstkový pohyb a přírůstkové řízení.

Je-li jeden pohyb proveden v několika krocích (jak jsme popsali výše), a tam nemusí být žádné oscilace rotoru. Pokud je pohyb jednostupňový, musí být oscilace vypnuty pomocí speciálního elektronického zařízení. Obecně platí, že krokové motory (jejichž charakteristiky se uvažují) patří mezi špičková zařízení, neboť jejich práce vyžaduje spoustu složitých elektronických "vycpávek".

Obecná zásada řízení

U jednoho přírůstku je počet kroků více než čtyřikrát u některých výrobních linek, dopravníků. Když jsou data z paměťového zařízení (interní paměť flash, pevný disk počítače) odeslána do řadiče, jsou prováděna blokem blokem. Každá z nich obsahuje přesně definovaný počet symbolů (32, 48 nebo 64) a v různých systémech a pro různé účely zařízení se toto číslo může značně lišit.

Není překvapením, že v posledních letech se domácí produkty založené na mikropočítači Arduino staly běžnými. Stepper motor v tomto designu je ideální, protože v takovém svazku může být přizpůsoben jak jako elektrárna pro hračku, tak pro poměrně složité průmyslové vybavení.

Datový blok se přenáší před jejím použitím v polovodičové paměti řídicí jednotky, a potom se spustí pohyb v souladu s pokyny, které byly zaznamenány v prvním datovém bloku (před připojením elektromotoru je nutné zjistit, tyto charakteristiky).

Po provedení pokynů systém začne číst druhé pole informací. Pokud se každý pohyb skládá z mnoha malých schodů, musí být namontována další kaskáda před hlavním regulátorem. Nejčastěji jsou jeho funkce prováděny řídicím systémem vstupu. Odesílá data do druhé řídící smyčky v určitém intervalu specifikovaném systémem (Arduino). Stepper motor v tomto případě je chráněn před přetížením požadavků.

Některá specifika využití SD

Řekněme vám o některých nuancích použití krokových motorů a také definice pojmů, které se v této oblasti často používají:

- Malý krokový úhel. Jak už víte, po každém řídicím impulsu se rotor motoru otáčí do určité míry. Čím menší je krok, tím vyšší je přímá rychlost. Je důležité vědět, že krokové motory mohou velmi dobře poskytnout velmi malý krok. Číslo kroku v tomto případě je počet otáček na krok a tato hodnota je pro inženýry velmi důležitá. Vypočítá se podle následujícího vzorce:

S = 360 / theta-S, kde S je číslo kroku, theta - je úhel rozteče (úhel natočení).

Ve většině případů může krokový pohon motoru provádět 96, 128 nebo 132 kroků na otáčku. Čtyřfázové modely mají někdy hodnotu 200. Vzácné typy přesných motorů v jedné otáčky mohou provést pouze 500 nebo 1000 kroků najednou. Pro jednoduché odrůdy je to však nedosažitelné, protože jejich úhel natočení je 90, 45 nebo 15 °.

- Vysoká přesnost rychlosti. Tento parametr určuje celkovou kvalitu zařízení. Již víte, že činnost krokového motoru zahrnuje jeho zastavení a upevnění v určité pozici po provedení datového bloku. Samozřejmě konvenční mechanici jednoznačně říkají, že z důvodu setrvačnosti, třecí síly a dalších faktorů jsou možné všechny odchylky od daných parametrů.

Boj proti nežádoucím jevům

Vzdálenost mezi rotorovým a statorovým zubem je vždy minimální, aby se zvýšila tuhost upevnění. Přesná polohovací přesnost závisí na vlastnostech pouze měniče, jelikož ostatní faktory ji ovlivňují v mnohem menším rozsahu.

A teď je třeba zvážit řadu důležitých vlastností a konceptů, jako je maximální statický moment, pozice "mrtvého" rotoru a přesnost umístění všech těchto poloh. Pro vymezení výše uvedených výrazů existují současně dva obecně uznávané společné pojmy.

Maximální statický efekt

Jak již bylo řečeno, má dvě pozice najednou:

• Omezení. Jedná se o maximální přípustný účinek, který teoreticky může být aplikován na hřídel již vybuzeného krokového motoru bez výskytu pohybu.
• Opravy. Proto je také maximální statický účinek, který teoreticky může být aplikován na hřídel motoru bez napětí, aniž by došlo k následnému otáčení.

Čím vyšší je udržovací moment, tím nižší je pravděpodobnost polohových chyb způsobených nepředvídatelným zatížením (například kondenzátory pro motory selhaly). Celý utahovací moment je možný pouze v těch modelech motorů, ve kterých se používají permanentní magnety.

Pozice mrtvého rotoru

Tam jsou tři pozice najednou, ve kterém rotor úplně zastaví:

• Poloha rovnováhy. Plně zastaví vzrušený krokový motor.
• Fixace. Také stav, ve kterém rotor zastaví. Tato koncepce se však používá pouze pro ty motory, u kterých má konstrukce permanentní magnet.
• V moderních modelech krokových motorů, které vyhovují všem normám ochrany životního prostředí a energie, když je rotor zastaven, je vinutí zcela vypnuto.

O přesnosti polohování

A nakonec promluvme o nejdůležitějším pojetí. Je to o přesnosti polohování. Dá se odhadnout, jak důležitá je v provozu složitých průmyslových zařízení. Existují dva důležité pojmy:

• Chyba úhlové polohy. Je definován jako pozitivní nebo záporný odklon od normativního úhlového stavu, který je velmi často pozorován v případech přechodu rotoru z jedné polohy do druhé. Zpravidla je na vině nevýhoda, stejně jako špatná montáž částí.
• Přesnost polohování. Jedná se o maximální hodnotu chyb v úhlové poloze rotoru, ke kterým dochází po celou dobu krokového pohybu.

Důležité! Vyhledání regulačních informací pro každou kategorii krokových motorů může být jak na oficiální stránce výrobců, tak z referenční dokumentace, která je k těmto výrobkům připojena. Hodnota chyb je zpravidla v rozmezí od +0,08 do -0,03 °. Jednoduše řečeno, přesnost polohování se vypočte jako součet těchto dvou indikátorů: 0,08 ° + 0,03 ° = 0,11 °.

Stejně tak krokový motor, jehož princip fungování popisujeme, se týká vysoce přesného zařízení.

Vysoký poměr elektromagnetického momentu k momentu setrvačnosti

Jak si dokážete představit, je nutné, aby krokový motor zahájil pohyb co nejdříve poté, co řídící impulz dorazí na regulátor. Mělo by se zastavit stejně rychle, s vysokou přesností polohování. Pokud se během pohybu přeruší sekvence řídicích impulzů, motor přestane pracovat v poloze určené posledním impulsem.

Mělo by se rovněž vzít v úvahu, že poměr elektromagnetického momentu k momentu setrvačnosti rotoru v SH by měl být mnohem vyšší než poměr elektromagnetických momentů u běžných elektromotorů.

Rychlost posuvu a pulzní frekvence

Vzhledem k tomu, rychlost otáčení v SM je ve skutečnosti celá řada kroků za jednotku času namísto termínu „rychlost“ v literatuře často možné splnit definici „krokování rychlosti“. Před připojením motoru je třeba přečíst tyto odstíny.

Vzhledem k tomu, že u většiny krokových motorů se tato frekvence rovná počtu řídicích impulzů, nemělo by být překvapeno jeho neobvyklým označením v technických příručkách. Přesněji, u takových motorů je měřicí jednotka často hertz (Hz).

Je důležité si uvědomit, že kroková rychlost skutečné rychlosti rotoru se v žádném případě neodráží. Odborníci se domnívají, že není důvod používat v popisu krokových motorů stejný počet otáček za minutu, který se používá při popisu technických vlastností konvenčních elektromotorů. Vztah mezi skutečnou rychlostí otáčení a jeho analogovým stupněm se vypočte podle následujícího vzorce:

n = 60f / S, kde n je rychlost otáčení, vyjádřená v otáčkách za minutu; f je kroková rychlost; S je počet kroků.

Mimochodem, jak zjistit potřebné kondenzátory pro elektromotory? Je to velmi jednoduché! Stačí pouze použít tento vzorec:

С = 66middot-Рном

Je snadné odhadnout, co se rozumí Rnom jmenovitý výkon elektromotor v kW.

Nejjednodušší schéma pro připojení motoru EM-178

A teď budeme uvažovat o nejjednodušším spojení krokového motoru s příkladem modelu EM-178, který je široce používán v průmyslových tiskárnách.

Není možné jednoduše napsat práci prostě proto, že existují miliony velmi rozmanitých modelů, jejichž charakteristiky mají výrazné rozdíly.

V současné době se používají různé typy elektromotorů tohoto provedení. V tomto článku budeme diskutovat o nejběžnějších.

Tryskové motory

Právě tato široká škála přístrojů je dnes rozšířena. Ve skutečnosti je to téměř standardní třífázový motor, na statoru, jehož je šest zubů. Jednoduše řečeno, každá dvě hřbety proti sobě patří do stejné fáze. Používá se sériové nebo paralelní připojení jejich svitků.

Pokud jde o rotor, jsou na něm umístěny pouze čtyři hroty. Nejčastěji vyrábějí výrobci statorů a rotorů z magnetického měkkého materiálu, ale často se mohou setkat pouze s masivními rotory vyrobenými z běžných kovů. Věc je, že pro látky, které vstupují do jejich výroby, existuje pouze jeden důležitý požadavek: musí poskytovat nejlepší vodivost magnetického pole. To je nesmírně důležité, když diskutujeme o krokovém motoru: princip činnosti je přímo spojen se silou magnetického pole.

Zařízení s permanentními magnety

Jako rotor je použit magnet válcového tvaru, na statoru jsou čtyři zuby s individuálním vinutím. Silně snížit úhel stoupání, v těchto modelech krokové motory musí být zvýšena počtu pólů rotoru, a počtu zubů na statoru. Je však třeba si uvědomit, že oba tyto parametry mají spíše přísná fyzická omezení. V posledním odstavci našeho článku jsou informace o jejich alternativním návrhu (bipolárním krokovým motorem), ale takové modely nelze najít tak často.

Jak již bylo řečeno, stupňová zařízení s permanentními magnety se zastavují v přísně pevné poloze i v těch případech, kdy je odstraněno napětí z vinutí. V tomto případě je spuštěn stejný uzamykací mechanismus, který jsme diskutovali výše, fixační pozice.

Použití permanentních magnetů je z mnoha hledisek opodstatněné, ale jejich aplikace může zároveň okamžitě vést k několika problémům. Za prvé, jejich cena je zdaleka cenově dostupná. Mimochodem, kolik je takový krokový motor? Cena modelů s permanentními magnety přesahuje 100 tisíc rublů.

Za druhé, maximální hustota magnetického pole nemusí být příliš vysoká, protože tato hodnota je omezena magnetizací samotného nosiče. Relativně levné permanentní feritové magnety neumožňují získání více či méně dostatečné intenzity pole. A jaké jiné typy elektromotorů pracují na tomto principu?

Hybridní instalace

Existuje další typ krokového motoru, částečně stejným principem. Hybridní modely pracují s reaktivními i s magnetické motory.

Rotor má téměř stejný tvar jako reaktivní SD, avšak vinutí jsou vyráběny trochu odlišným schématem. Faktem je, že u každého pólu je vinutí pouze v jedné cívce (třífázová SD). Není těžké odhadnout, že dvě cívky jsou již navinuty v čtyřfázových modelech. Navíjení se provádí podle dvojitého schématu. Zvláštností je, že během excitace na cívkách vzniká magnetické pole různých polarit (bipolární krokový motor).