Jak fungují krokové motory

V tomto příspěvku se budeme učit o krokovém motoru. Budeme zkoumat, co je to krokový motor, jeho základní pracovní mechanismus, typy krokového motoru, režimy krokování a nakonec jeho výhody a nevýhody.

Co je to krokový motor?

Krokový motor je střídavý motor, jehož rotující hřídel (rotor) dokončí jednu rotaci se stanoveným počtem kroků. Díky stupňovité povaze rotace získává svůj název jako krokový motor.

Krokový motor poskytuje přesnou kontrolu nad úhlem otáčení a rychlost. Jedná se o otevřenou smyčku, což znamená, že není implementován žádný mechanismus zpětné vazby pro sledování rotace.

Může měnit rychlost, měnit směr otáčení a okamžitě se zablokovat do jedné polohy. Počet kroků je určen počtem zubů přítomných v rotoru. Například: pokud se krokový motor skládá z 200 zubů, pak

360 (stupeň) / 200 (počet zubů) = 1,8 stupně

Každý krok bude tedy 1,8 stupně. Krokové motory jsou řízeny mikrokontroléry a obvodem budiče. Je široce používán v laserových tiskárnách, 3D tiskárnách, optických jednotkách, robotice atd.

Základní pracovní mechanismus:

Krokový motor může sestávat z několika počtů pólů navinutých izolovaným měděným drátem zvaným stator nebo nepohybující se část motoru. Pohyblivá část motoru se nazývá rotor, který se skládá z několika počtů zubů.

Když je jeden pól pod napětím, nejbližší zuby se vyrovnají s tímto pod napětím a další zub na rotoru se mírně odsadí nebo nevyrovná s jinými beznapěťovými póly.

Další pól bude napájen a předchozí pól bude bez napětí, nyní se nevyrovnané póly vyrovnají s aktuálně napájeným pólem, což činí jeden jediný krok.

Další pól se napájí a předchozí pól se odpojí od energie, což činí další krok a tento cyklus pokračuje několikrát, aby se provedla jedna plná rotace.

Zde je další velmi jednoduchý příklad fungování krokového motoru:

Zuby rotoru jsou obecně magnety uspořádané střídavě se severním a jižním pólem. Stejně jako póly odpuzují a na rozdíl od přitahování pólů je nyní vinutí pólu „A“ pod napětím a předpokládá se, že pól pod napětím je jako severní pól a rotor jako jižní pól, což přitahuje jižní pól rotoru ke statoru pólu „A“, jak je znázorněno na obrázku.

Nyní je pól A bez napětí a pól „B“ je pod napětím, nyní se jižní pól rotoru vyrovná s pólem „B“. Podobný pól „C“ a pól „D“ budou energizovat a deaktivovat stejným způsobem k dokončení jedné rotace.

Nyní byste pochopili, jak funguje mechanismus krokového motoru.

Typy krokového motoru:

Existují tři typy krokového motoru:

• Krokový magnet s permanentními magnety
• Variabilní neochotný krokovač
• Hybridní synchronní krokovač

Krokový magnet s permanentními magnety:

Krokové motory s permanentními magnety používají zuby s permanentními magnety v rotoru, které jsou uspořádány střídavě pólově (sever-jih-sever-jih ...), což zajišťuje větší točivý moment.

Variabilní neochotný krokovač:

Variabilní krokový reluktant používá materiál měkkého železa jako rotor s několika zuby a pracuje na principu, že minimální reluktant se vyskytuje při minimální mezeře, což znamená, že nejbližší zuby rotoru jsou přitahovány k pólu, když je pod napětím, jako je kov přitahován směrem k magnetu.

Hybridní synchronní krokovač:

U hybridního krokového motoru je výše uvedená metoda kombinována, aby se dosáhlo maximálního točivého momentu. Toto je nejběžnější typ krokového motoru a také nákladná metoda.
Krokové režimy:

Existují 3 typy krokovacích režimů

• Plný krokovací režim
• Režim polovičního kroku
• Mikro krokový režim

Režim Full Stepping:

V režimu celého kroku lze pochopit následující příklad: pokud má krokový motor 200 zubů, pak je jeden celý krok 1,8 stupně (který je uveden na začátku článku), nebude se otáčet o méně než 1,8 stupně.

Celý krok se dále dělí na dva typy:

• Jednofázový režim
• Dvoufázový režim

V obou fázových režimech má rotor jeden celý krok, základní rozdíl mezi těmito dvěma je, jediný režim poskytuje menší točivý moment a dvoufázový režim poskytuje větší točivý moment.

• Jednofázový režim:

V jednofázovém režimu je v danou dobu napájena pouze jedna fáze (skupina vinutí / pólu), což je metoda s nejnižší spotřebou energie, ale také poskytuje menší točivý moment.

• Dvoufázový režim:

Ve dvoufázovém režimu jsou dvoufázové (dvě skupiny vinutí / pólu) pod napětím v daném čase a vytvářejí více točivého momentu (30% až 40%) v jednofázovém režimu.

Poloviční krokový režim:

Poloviční krokový režim se provádí pro dvojnásobné rozlišení motoru. V polovině kroku, jak název napovídá, trvá polovina jednoho celého kroku, namísto plného 1,8 stupně trvá půl kroku 0,9 stupně.
Poloviční krok je dosažen střídáním střídání jednofázového a dvoufázového režimu. Snižuje namáhání mechanických částí a zvyšuje plynulost otáčení. Půlkrok snižuje točivý moment přibližně o 15%. Krouticí moment však lze zvýšit zvýšením proudu přiváděného do motoru.

Mikrokrokování:

Mikro krokování se provádí pro nejplynulejší otáčení. Jeden celý krok je rozdělen až na 256 kroků. Pro mikrokrokování potřebujete speciální mikrokrokový řadič. Jeho točivý moment se odečítá přibližně o 30%.

Ovladače potřebují zadat sinusovou vlnu pro rotaci kapaliny. Budiče dávají dva sinusové vstupy s 90stupňovým vyřazením.

Poskytuje nejlepší kontrolu nad rotací a významně snižuje mechanické namáhání a snižuje provozní hluk.

Hlavní výhody a nevýhody krokového motoru lze zjistit pomocí následujících bodů:

Výhody:

• Nejlepší kontrola úhlové rotace.
• Vysoký točivý moment při nízké rychlosti.
• Okamžitá změna směru otáčení.
• Minimální mechanická konstrukce.

Nevýhody:

• Energie se spotřebovává i bez otáčení, to se provádí pro zajištění rotoru do pevné polohy.
• Neexistuje žádný mechanismus zpětné vazby, který by korigoval rotační chyby a sledoval aktuální polohu.
• Vyžaduje komplikovaný obvod ovladače.
• Točivý moment se snižuje při vyšší rychlosti.
• Není snadné řídit motor vyšší rychlostí.