Co je to krokový motor? Jak funguje krokový motor?

Konstrukce krokového motoru

Krokový motor - konstrukce a použití

Krokové motory jsou stejnosměrné motory, které se pohybují specifickými zdvihy. Mají četné cívky seskupené do skupin zvaných „fáze“. Poté, co je každá fáze postupně napájena, motor se bude otáčet o jeden krok.

Pomocí počítače lze nastavit polohu motoru nebo jeho otáčky. Z tohoto důvodu jsou vybrány pro mnoho aplikací přesného řízení pohybu.

Krokové motory přicházejí v různých velikostech a stylech a elektrických parametrech. Tato příručka bude pokrývat vše, co potřebujete vědět při výběru správného motoru pro vás.

Krokový motor - schéma:

4fázový jednopólový motor

Animace z Wikipedie

Kde lze použít krokové motory?

• Polohování - tyto motory se pohybují definovanými opakovanými tahy, takže budou nejlepší v aplikacích, které vyžadují přesné polohování, např. 3D tiskárny , CNC, kamerové platformy a plotry XY. Některé diskové jednotky také používají krokové motory k umístění elektromagnetických hlav.
• Regulace rychlosti - přesné zvýšení pohybu umožňuje dokonalou kontrolu otáčení v procesu automatizace a robotiky.
• Nízký točivý moment - Standardní stejnosměrné motory nemají vysoké točivé momenty při nízkých otáčkách. Naproti tomu krokový motor má maximální točivý moment při nízkých otáčkách. Je to tedy dobrá volba, pokud hledáte motor s výše uvedenou rychlostí a vysokou přesností.

Krokové motory různých provedení

Jaká jsou omezení krokových motorů?

• Nízká účinnost - spotřeba proudu krokovým motorem je nezávislá na zátěži. Když se nepoužívají, spotřebovávají nejvíce elektřiny. Z tohoto důvodu mají tendenci se zahřívat.
• Omezený vysoký točivý moment - krokové motory mají nižší točivý moment, ne při nízkých, ale při vysokých rychlostech. Některé z nich jsou optimalizovány pro vysokou rychlost. K dosažení těchto cílů je nutné je spárovat s příslušným ovladačem.
• Žádná zpětná vazba - Na rozdíl od servomotorů nemá většina krokových motorů integrovanou polohovou zpětnou vazbu. Vynikající přesnosti však lze dosáhnout povolením „otevřené smyčky“. Koncové spínače nebo domovní snímače jsou obvykle potřebné pro bezpečnost a / nebo pro stanovení referenční polohy.

Typy krokových motorů

Existuje široký výběr krokových motorů , z nichž některé vyžadují velmi specializované ovladače . V našem kurzu se zaměříme pouze na ty, které mohou pracovat s běžně dostupnými ovladači. Jsou to: motor s permanentním magnetem nebo hybridní motor, dvoufázový bipolární nebo čtyřfázový unipolární.

Typy krokových motorů

Krokový motor - velikost motoru

Jednou z prvních věcí, které je třeba zvážit, je práce, kterou musí motor dělat. Můžete hádat, že ty větší mohou dodat více energie. Krokové motory mohou být menší než matice, ale jsou také velké jako NEMA 57.

Většina z nich má jmenovitou hodnotu točivého momentu. To je to, na co si musíte dávat pozor při rozhodování, zda má motor dostatečný výkon.

NEMA 17 je motor typické velikosti, který se používá ve 3D tiskárnách a menších CNC frézkách. Malé motory se používají v mnoha robotických a animatronických projektech. Větší motory NEMA se obvykle používají v CNC strojích a používají se v průmyslu.

Čísla NEMA představují standardní rozměry čelní desky pro montáž motoru. Nedefinují jeho další parametry. Dva různé motory NEMA 17 mají zcela odlišné elektrické nebo mechanické specifikace. Nejsou zaměnitelné.

Krokový motor NEMA17

Počítadlo kroků

Další věc, kterou je třeba poznamenat, je požadované rozlišení polohy. Počet kroků na otáčku se pohybuje od 4 do 400. Běžně dostupné počitadla kroků jsou 24, 48 a 200.

Rozlišení se často vyjadřuje ve stupních na krok. Motor 1,8 ° je stejný jako motor o 200 krocích na otáčku.

Kompromisem vysokého rozlišení je rychlost a točivý moment. Motory s velkým počtem kroků mají lepší výkon při nižších otáčkách. Vyšší rychlost má za následek nižší točivý moment.

Malý krokový motor

Ozubené kolo

Dalším způsobem, jak dosáhnout vysokého rozlišení polohy, je použití převodových stupňů. Účinek použití převodovky 32: 1 na výstupu motoru, který se otáčí o 8 kroků na otáčku, bude 512 stupňový motor.

Převodovka také zvýší točivý moment motoru. Některé drobné krokové motory s převodovkou mají úžasné momenty. Ale kompromisem je samozřejmě rychlost. Převodové krokové motory se obvykle používají v projektech s nízkými otáčkami.

Krokový motor s ozubeným kolem

Styl hřídele

Dalším problémem, který stojí za vaši pozornost, je interakce mezi motorem a zbytkem hnacího ústrojí. K dispozici jsou různé styly hřídelí:

• "D" nebo kulatá hřídel - tyto jsou k dispozici v různých standardních průměrech. Mnoho řemenic a ozubených kol a kloubů hřídele je navrženo tak, aby se vešly. Zploštělá strana hřídelů „D“ zabraňuje sklouznutí. Jsou přesně tím, co je indikováno pro vysoké momenty.
• Hřídel převodovky - některé hřídele mají frézované zuby. Obvykle jsou navrženy pro práci s modulárními soukolími.
• Kardanový hřídel - Motory kardanového hřídele se používají k výrobě lineárních pohonů . Jejich miniaturní verze jsou polohovače hlav v diskových jednotkách.

Krokové motory s různými typy hřídelí

Elektrické vedení

V krokových motorech existuje mnoho typů kabeláže. Zaměříme se na ty, které lze řídit běžně dostupnými ovladači . Jsou to permanentní magnet nebo hybridní motor, zapojený jako 2-fázový bipolární nebo jako 4-fázový unipolární.

Krokové zapojení motoru

Cívky a fáze

Krokový motor může mít libovolný počet cívek. Jsou však sloučeny do skupin zvaných „fáze“. Všechny cívky ve fázi jsou napájeny společně.

Fáze krokového motoru

Unipolární krokový motor VS bipolární krokový motor

Unipolární budič (unipolární motor) napájí fáze vždy stejným způsobem. Jeden „společný“ vodič bude vždy záporně nabitý. Druhá bude kladně nabitá. Tyto ovladače lze implementovat pomocí jednoduchých tranzistorových obvodů. Jeho nevýhodou je, že má méně točivých momentů, protože pouze polovina cívek může být napájena současně.

Bipolární budič (bipolární motor) používá obvod H-můstku, aby mohl reverzovat tok proudu pomocí fází. Díky jejich střídavé polaritě začnou pracovat všechny cívky a současně se zapne motor.

Dvoufázový bipolární motor má 2 skupiny cívek. Čtyřfázový unipolární motor má takové skupiny 4. Dvoufázový bipolární motor bude mít 4 vodiče - 2 pro každou fázi. Některé motory mají flexibilní zapojení, které umožňuje spuštění motoru v unipolárním nebo bipolárním režimu.

Unipolární, 5vodičový

5vodičový motor

Všechny běžné vodiče cívky jsou spojeny ve středu a vystupují jako vodič. Takový motor může fungovat pouze v unipolárním režimu.

Unipolární, 6vodičový

6vodičový motor

Připojuje pouze společné vodiče 2 spárovaných fází. Dráty lze připojit k vytvoření 5vodičového unipolárního motoru.

Motor můžete také použít jako bipolární, aniž byste museli věnovat pozornost vodičům.

Unipolární, 8vodičový

8vodičový motor

Tento unipolární motor je nejuniverzálnější ze všech. Může být poháněn mnoha způsoby:

• 4fázový unipolární - všechny běžné vodiče jsou připojeny - jako v případě 5vodičového motoru.
• Standardně dvoufázový bipolární - fáze jsou zapojeny do série - stejně jako šestivodičový motor
• 2-fázové bipolární paralelní - fáze jsou zapojeny paralelně. To má za následek poloviční odpor a indukčnost - k provozu však vyžaduje dvakrát tolik proudu. Výhodou tohoto zapojení je vyšší točivý moment a maximální rychlost.

Shrnutí krokových motorů

Řízení krokového motoru

Ovladače krokových motorů

Krokové motory - Ovládací prvky - Použití krokového motoru je o něco složitější než u standardního stejnosměrného kartáčovaného motoru. Krokové motory musí mít svůj vlastní ovladač, aby mohly napájet fáze ve správném pořadí, které tak budou pohánět motor.

Tranzistory

Krokový motor - ovládání - jednoduchý unipolární ovladač

Nejjednodušší typ ovladače lze sestavit s malým počtem tranzistorů . Postupně se zapínají a vypínají, aby dodaly energii fázím a nastartovaly motor. Konstrukce těchto ovladačů je relativně levná, ale fungují pouze s unipolárními motory. Výukový program na výrobu takového ovladače najdete na webu Arduino.

Ovladač krokového motoru - integrovaný obvod

Jednoduchý dvoukanálový ovladač H-můstku

Použití bipolárního motoru vyžaduje 2 plné H můstky, aby se proud vrátil do fází. Ale budovat je od nuly může být obtížné. Existuje mnoho rozložení H-můstku, které to mohou usnadnit.

L293D je jedním z nejpopulárnějších a nejefektivnějších čipů. Lze jej nalézt v základech většiny diskových motorů první generace.

V Arduino Learning System najdete skvělý návod, jak používat L293D s Arduino :

Shield Adafruit Motor Shield V2 s Arduino a připojenými motory

Adafruit Motor Shield V2

Adafruit Motor Shield V2 je velkým vylepšením oproti základním ovladačům založeným na L239D. V2 používá dva ovladače TB6612 MOSFET. Ve srovnání s L293D nabízí TB6612 dvojnásobnou účinnost proudu a výrazně nižší poklesy napětí, což zlepšuje využití krokového motoru.

Díky 2 řídicím systémům a 4 H můstkům může každý modul pohánět až dva motory. Řídicí systémy jsou propojeny prostřednictvím řídicího systému PWM s rozhraním I2C. Tím se uvolní mnoho pinů GPIO, které lze použít pro něco jiného, a čepice lze skládat na sebe. Můžete uspořádat až 32 padů, které budou ovládat až 64 motorů se 2 IO piny.

Veškeré informace o tomto ovladači najdete ve výukovém systému.

CNC ovladač

Pokročilé CNC řadiče

Řídicí desky CNC gShield a TinyG vám přiblíží výkon krokového motoru na průmyslové úrovni. Vyznačují se stejnosměrnými ovladači zvanými „chopper“. Mohou být nastaveny tak, aby poskytovaly maximální točivý moment a otáčky motoru.

TinyG CNC má program pro interpretaci G-kódu a 4 motorové výstupy na desce. Výsledkem je, že malé a střední 4osé CNC stroje mají kompletní vestavěné řešení.

Tyto pokročilé vysoce výkonné vložky jsou však složitější a jsou doporučeny zkušenějším uživatelům.

Informace o těchto dlaždicích a jejich fungování najdete na TinyG Wiki a na fórech Synthetos.

Přizpůsobení ovladače krokovému motoru

Krokový motor připojený k regulátoru

Nyní se dostáváme k nejdůležitější části: ujistěte se, že váš motor a řidič jsou navzájem kompatibilní.

Výsledkem jejich nesprávného výběru může být neuspokojivý výkon, a co je ještě horší, poškození motoru nebo ovladače.

Pokud zvolíte špatně, můžete narazit na následující:

Seznamte se s parametry řidiče

Dva nejdůležitější parametry ovladače jsou:

• Napětí - maximální napětí, které lze přivést do motoru
• Trvalý proud - maximální trvalý proud, který lze dodávat do motoru

Jak zkontrolovat krokový motor? - Seznamte se s parametry motoru

Musíte také znát parametry motoru. Existují 2 důležité parametry:

• Ampéry na fázi - to je maximální proud, který vinutí motoru zvládne bez přehřátí
• Odpor na fázi - Jedná se o elektrický odpor pro každou fázi

Obvykle se uvádí jmenovité napětí. Počítají se pomocí dvou výše uvedených parametrů - ale ne vždy. Lepším řešením je vypočítat je sami, rovněž s použitím výše uvedených faktorů, ale v Ohmově zákoně.

Postupujte podle zákona!

Fáze krokového motoru jsou induktory, které nepodléhají náhlým změnám v toku proudu. Ale na konci každého zdvihu nebo při absenci pohybu se chovají jako odporová zátěž a podle Ohmova zákona .

Motor odebírá nejvíce elektřiny, když není v provozu. Ohmův zákon umožňuje použití parametrů motoru k výpočtu proudu potřebného pro řidiče.

Napětí = proud x odpor

nebo

Proud = napětí / odpor

Některé motory však mají velmi nízký odpor cívky. Proto použití těchto vzorců způsobí, že napětí bude menší než 5 V a výkon bude neuspokojivý. Tento typ motoru se nevejde do ovladače s konstantním napětím a vyžaduje specializovanější ovladač.

Chcete porušit zákon?

Pokud jde o Ohmův zákon, nikdo to nikdy neudělal. Ani se o to nepokoušejte, jinak to skončí fatálně. I zde však existují jiné zákony. Zákony Lenz, Faraday a Ohm vám pomohou zvýšit účinnost vašeho motoru.

Cívky krokových motorů vytvářejí při napájení magnetické pole. Podle Faradayova zákona mění magnetické pole proud v cívce. A podle Lenzova zákona bude tento proud proudit v opačném směru k proudu a vytvářet magnetické pole. Tento reverzní proud je znám jako „reverzní elektromotorická síla“ nebo reverzní EMF .

Tato síla zvyšuje „ impedanci “ nebo zvyšuje odpor cívky. Takže Ohmův zákon stále platí - ale pouze na impedanci, ne na odpor vůči jednoduché fázi. Na začátku každého zdvihu omezuje impedance tok proudu cívkou.

CNC ovladač

Pohon vrtulníku

Chopperův pohon nebo trvalý proud vyvažuje reverzní EMF pohánějící motor s vyšším napětím. Pohon krokových motorů s napětím několikanásobně vyšším než jmenovité napětí pomocí chopper pohonu je normální.

Při tak vysokém napětí musíte dbát na bezpečnost. Za tímto účelem měnič pohonu také sleduje proud dodávaný do motoru a „přeruší“ jej dříve, než překročí původně nastavenou úroveň.

Počínaje vyšším napětím je náš řidič schopen dodávat více proudu do cívek na začátku zdvihu a současně zvyšovat dostupný točivý moment. Navíc umožňuje vyšší maximální rychlost.

Pokud chcete vybrat řídicí jednotku a nakonfigurovat ji pomocí konkrétního motoru, musíte pochopit, jak motor a řídicí jednotka fungují.

FAQ

Bude tento motor fungovat s mým uzávěrem?

Musíte zkontrolovat parametry motoru a ovladače. Poté přejděte k odstavci „ Přizpůsobení ovladače krokovému motoru “ a zkontrolujte, zda jsou kompatibilní.

NEMA 17 by měl fungovat ... že?

Velikost NEMA určuje pouze velikost montážní čelní desky. Abyste zjistili, zda vyhovuje, potřebujete znát elektrické parametry motoru.

Výběr krokového motoru - Jakou velikost motoru bych měl pro svůj projekt zvolit?

Většina motorů má specifikaci točivého momentu - obvykle v palcích / oz nebo newtonech / centimetrech. Jeden newton / centimetr znamená, že motor může vyvinout sílu jeden newton na centimetr ze středu hřídele. Například vydrží jeden newton síly, když používá kladku o průměru 2 centimetry.

Při výpočtu točivého momentu nezapomeňte zahrnout další točivý moment potřebný pro zrychlení a překonání tření. Vyzvednutí něčeho vyžaduje více točivého momentu, než jeho držení.

Pokud váš projekt vyžaduje vysoký točivý moment, ale nízké otáčky, zkontrolujte krokový motor s převodovkou.

Jak připojím motor k překrytí?

Zkontrolujte specifikaci motorů, pokud je máte.

Napájení krokového motoru - Bude tento zdroj fungovat s mým motorem?

Nejprve se ujistěte, že nepřekračuje jmenovité napětí pro ovladač motoru. * Spustíte jej při nízkém napětí, ale může mít pak menší točivý moment.

*   To platí pouze pro ovladače s konstantním proudem.

Typy krokových motorů

Zdroj: https://learn.adafruit.com/all-about-stepper-motors