Zobrazení: 0 Autor: Editor webu Čas publikování: 2025-04-18 Původ: místo
A krokový motor je typ elektromotoru, který se pohybuje v přesných, pevných krocích, místo aby se neustále otáčel jako běžný motor. Běžně se používá v aplikacích, kde je vyžadováno přesné řízení polohy, jako jsou 3D tiskárny, CNC stroje, robotika a kamerové platformy.
Krokové motory jsou typem elektromotoru, který převádí elektrickou energii na rotační pohyb s pozoruhodnou přesností. Na rozdíl od běžných elektromotorů, které zajišťují plynulou rotaci, se krokové motory otáčí v diskrétních krocích, díky čemuž jsou ideální pro aplikace vyžadující přesné polohování.
Každý puls elektřiny odeslaný do krokového motoru z jeho ovladače vede k přesnému pohybu – každý puls odpovídá konkrétnímu kroku. Rychlost, kterou se motor otáčí, přímo koreluje s frekvencí těchto pulzů: čím rychleji jsou pulzy vysílány, tím rychlejší je rotace.
Jednou z klíčových výhod krokové motory s je jejich snadné ovládání. Většina měničů pracuje s 5voltovými impulsy, kompatibilními s běžnými integrovanými obvody. Můžete buď navrhnout obvod pro generování těchto pulzů, nebo použít pulzní generátor od společností jako BesFoc.
Přes jejich občasné nepřesnosti – standardní krokové motory mají přesnost asi ± 3 úhlové minuty (0,05°) – se tyto chyby nekumulují s více kroky. Pokud například standardní krokový motor udělá jeden krok, otočí se o 1,8° ± 0,05°. I po milionu kroků je celková odchylka stále jen ± 0,05°, díky čemuž jsou spolehlivé pro přesné pohyby na dlouhé vzdálenosti.
Krokové motory jsou navíc známé svou rychlou odezvou a zrychlením díky nízké setrvačnosti rotoru, což jim umožňuje rychle dosahovat vysokých rychlostí. Díky tomu jsou zvláště vhodné pro aplikace, které vyžadují krátké a rychlé pohyby.
A krokový motor funguje tak, že rozděluje plnou rotaci do několika stejných kroků. Využívá elektromagnety k vytvoření pohybu v malých, kontrolovaných krocích.
Krokový motor má dvě hlavní části:
Stator – stacionární část s cívkami (elektromagnety).
Rotor – rotační část, často magnet nebo ze železa.
Když statorovými cívkami protéká elektrický proud, vytváří magnetická pole.
Tato pole přitahují rotor.
Zapínáním a vypínáním cívek v určitém pořadí je rotor tažen krok za krokem kruhovým pohybem.
Pokaždé, když je cívka pod napětím, rotor se pohne o malý úhel (tzv. krok).
Pokud má například motor 200 kroků na otáčku, každý krok posune rotor o 1,8°.
Motor se může otáčet dopředu nebo dozadu v závislosti na pořadí impulsů vyslaných do cívek.
A ovladač krokového motoru vysílá elektrické impulsy do cívek motoru.
Čím více impulsů, tím více se motor otáčí.
Mikrokontroléry (jako Arduino nebo Raspberry Pi) mohou ovládat tyto ovladače a přesně pohybovat motorem.
Obrázek níže znázorňuje standardní systém krokového motoru, který se skládá z několika základních součástí, které spolupracují. Výkon každého prvku ovlivňuje celkovou funkčnost systému.
Srdcem systému je počítač nebo programovatelný logický kontrolér (PLC). Tato součást funguje jako mozek, který ovládá nejen krokový motor, ale i celý stroj. Může provádět různé úkoly, jako je zvedání výtahu nebo pohyb dopravního pásu. V závislosti na potřebné složitosti se může tento ovladač pohybovat od sofistikovaného PC nebo PLC až po jednoduché ovládací tlačítko.
Další je indexer nebo PLC karta, která sděluje konkrétní instrukce krokový motor . Generuje požadovaný počet impulsů pro pohyb a upravuje frekvenci impulsů pro řízení zrychlení, rychlosti a zpomalení motoru. Indexátor může být buď samostatná jednotka, jako je BesFoc, nebo karta pulzního generátoru, která se zapojuje do PLC. Bez ohledu na tvar je tato součást pro chod motoru klíčová.
Ovladač motoru se skládá ze čtyř klíčových částí:
Logika pro řízení fáze: Tato logická jednotka přijímá impulsy z indexeru a určuje, která fáze motoru by měla být aktivována. Napájení fází musí probíhat ve specifické sekvenci, aby byla zajištěna správná funkce motoru.
Logický napájecí zdroj: Jedná se o nízkonapěťový zdroj, který napájí integrované obvody (IC) v ovladači, typicky pracující kolem 5 voltů, v závislosti na čipové sadě nebo designu.
Napájení motoru: Tento zdroj poskytuje potřebné napětí pro napájení motoru, obvykle kolem 24 V DC, i když může být vyšší v závislosti na aplikaci.
Výkonový zesilovač: Tato součást se skládá z tranzistorů, které umožňují proudění proudu fázemi motoru. Tyto tranzistory se zapínají a vypínají ve správném pořadí, aby se usnadnil pohyb motoru.
Nakonec všechny tyto komponenty spolupracují na pohybu nákladu, což může být vodicí šroub, disk nebo dopravní pás, v závislosti na konkrétní aplikaci.
Existují tři základní typy krokových motorů:
Tyto motory mají zuby na rotoru a statoru, ale neobsahují permanentní magnet. V důsledku toho jim chybí aretační moment, což znamená, že nedrží svou pozici, když nejsou pod napětím.
Krokové motory PM mají na rotoru permanentní magnet, ale nemají zuby. I když typicky vykazují menší přesnost v úhlech kroku, poskytují aretační točivý moment, což jim umožňuje udržet polohu, když je napájení vypnuto.
BesFoc se specializuje výhradně na Hybrid krokový motor s. Tyto motory spojují magnetické vlastnosti permanentních magnetů s ozubenou konstrukcí motorů s proměnnou reluktancí. Rotor je axiálně magnetizován, což znamená, že v typické konfiguraci je horní polovina severní pól a spodní polovina je jižní pól.
Rotor se skládá ze dvou ozubených misek, z nichž každý má 50 zubů. Tyto misky jsou posunuty o 3,6°, což umožňuje přesné umístění. Při pohledu shora můžete vidět, že zub na misce severního pólu je zarovnán se zubem na misce jižního pólu a vytváří tak účinný systém ozubení.
Hybridní krokové motory pracují na dvoufázové konstrukci, přičemž každá fáze obsahuje čtyři póly vzdálené od sebe 90°. Každý pól ve fázi je navinutý tak, že póly 180° od sebe mají stejnou polaritu, zatímco polarity jsou opačné pro ty 90° od sebe. Obrácením proudu v jakékoli fázi lze také obrátit polaritu odpovídajícího pólu statoru, což motoru umožňuje přeměnit jakýkoli pól statoru na severní nebo jižní pól.
Rotor krokového motoru má 50 zubů s roztečí každého zubu 7,2°. Jak motor pracuje, vyrovnání zubů rotoru se zuby statoru se může měnit – konkrétně může být posunuto o tři čtvrtiny rozteče zubů, polovinu rozteče zubů nebo čtvrtinu rozteče zubů. Když motor šlápne, přirozeně se vyrovná nejkratší cestou, což znamená pohyb 1,8° na krok (protože 1/4 ze 7,2° se rovná 1,8°).
Točivý moment a přesnost v krokové motory jsou ovlivněny počtem pólů (zubů). Obecně platí, že vyšší počet pólů vede ke zlepšení točivého momentu a přesnosti. BesFoc nabízí krokové motory s 'vysokým rozlišením', které mají poloviční rozteč zubů než jejich standardní modely. Tyto rotory s vysokým rozlišením mají 100 zubů, což má za následek úhel 3,6° mezi každým zubem. Při tomto nastavení odpovídá pohyb o 1/4 rozteče zubů menšímu kroku 0,9°.
Výsledkem je, že modely s 'vysokým rozlišením' poskytují dvojnásobné rozlišení než standardní motory a dosahují 400 kroků na otáčku ve srovnání s 200 kroky na otáčku u standardních modelů. Menší úhly kroku také vedou k nižším vibracím, protože každý krok je méně výrazný a pozvolnější.
Níže uvedené schéma znázorňuje průřez 5-fázovým krokovým motorem. Tento motor se primárně skládá ze dvou hlavních částí: statoru a rotoru. Samotný rotor se skládá ze tří součástí: miska rotoru 1, miska rotoru 2 a permanentní magnet. Rotor je magnetizován v axiálním směru; pokud je například rotorová miska 1 označena jako severní pól, rotorová miska 2 bude jižní pól.
Stator má 10 magnetických pólů, z nichž každý je vybaven malými zuby a odpovídajícími vinutími. Tato vinutí jsou navržena tak, že každé je připojeno k vinutí svého opačného pólu. Když proud protéká dvojicí vinutí, póly, které spojují, magnetizují ve stejném směru – buď na sever, nebo na jih.
Každý protilehlý pár pólů tvoří jednu fázi motoru. Vzhledem k tomu, že existuje celkem 10 magnetických pólů, výsledkem je pět odlišných fází v rámci této 5-fáze krokový motor.
Důležité je, že každá miska rotoru má po svém vnějším obvodu 50 zubů. Zuby na rotorové misce 1 a rotorové misce 2 jsou od sebe mechanicky přesazeny o polovinu zubové rozteče, což umožňuje přesné vyrovnání a pohyb během provozu.
Pochopení toho, jak číst křivku rychlosti a točivého momentu, je zásadní, protože poskytuje pohled na to, čeho je motor schopen dosáhnout. Tyto křivky představují výkonnostní charakteristiky konkrétního motoru při spárování s konkrétním měničem. Jakmile je motor v provozu, jeho točivý moment je ovlivněn typem pohonu a použitým napětím. Výsledkem je, že stejný motor může vykazovat výrazně odlišné křivky rychlosti a točivého momentu v závislosti na použitém ovladači.
BesFoc poskytuje tyto křivky rychlosti a točivého momentu jako referenci. Pokud použijete motor s měničem, který má podobné jmenovité napětí a proud, můžete očekávat srovnatelný výkon. Pro interaktivní zážitek se podívejte na níže uvedenou křivku rychlosti a točivého momentu:
Přídržný moment
Jedná se o velikost točivého momentu produkovaného motorem, když je v klidu, přičemž jeho vinutím protéká jmenovitý proud.
Oblast Start/Stop
Tato část uvádí hodnoty točivého momentu a rychlosti, při kterých se motor může okamžitě spustit, zastavit nebo obrátit.
Pull-In Torque
Toto jsou hodnoty točivého momentu a rychlosti, které umožňují motoru nastartovat, zastavit nebo reverzovat, přičemž zůstávají v synchronizaci se vstupními impulsy.
Pulout Torque
Vztahuje se k hodnotám točivého momentu a otáček, při kterých může motor pracovat bez zastavení, při zachování synchronizace se vstupními fázemi. Představuje maximální točivý moment, který může motor dodat během provozu.
Maximální spouštěcí rychlost
Toto je nejvyšší rychlost, při které se motor může rozběhnout, když není aplikováno žádné zatížení.
Maximální rychlost chodu
Udává nejvyšší rychlost, kterou může motor dosáhnout při běhu bez zatížení.
Aby motor fungoval v oblasti mezi zátahovým a vytahovacím momentem, musí se nejprve spustit v oblasti start/stop. Jakmile se motor rozběhne, frekvence pulzů se postupně zvyšuje, dokud není dosaženo požadované rychlosti. Pro zastavení motoru se pak otáčky snižují, dokud neklesnou pod křivku zátahového momentu.
Točivý moment je přímo úměrný proudu a počtu závitů drátu v motoru. Pro zvýšení točivého momentu o 20 % by se měl také zvýšit proud přibližně o 20 %. Naopak pro snížení točivého momentu o 50 % by měl být proud snížen o 50 %.
Kvůli magnetickému nasycení však není přínosem zvýšení proudu nad dvojnásobek jmenovitého proudu, protože za tímto bodem další zvýšení nezvýší točivý moment. Provoz při přibližně desetinásobku jmenovitého proudu představuje riziko demagnetizace rotoru.
Všechny naše motory jsou vybaveny izolací třídy B, která odolá teplotám až 130 °C, než se izolace začne zhoršovat. Pro zajištění dlouhé životnosti doporučujeme udržovat teplotní rozdíl 30°C zevnitř ven, což znamená, že vnější teplota pouzdra by neměla překročit 100°C.
Indukčnost hraje významnou roli ve vysokorychlostním výkonu točivého momentu. Vysvětluje, proč motory nevykazují nekonečně vysoké úrovně točivého momentu. Každé vinutí motoru má odlišné hodnoty indukčnosti a odporu. Indukčnost měřená v henrych dělená odporem v ohmech vede k časové konstantě (v sekundách). Tato časová konstanta udává, jak dlouho trvá, než cívka dosáhne 63 % svého jmenovitého proudu. Pokud je například motor dimenzován na 1 ampér, po jedné časové konstantě dosáhne cívka přibližně 0,63 ampéru. Obvykle trvá asi čtyři až pět časových konstant, než cívka dosáhne plného proudu (1 ampér). Protože točivý moment je úměrný proudu, pokud proud dosáhne pouze 63 %, motor po jedné časové konstantě vytvoří asi 63 % svého maximálního točivého momentu.
Při nízkých rychlostech není toto zpoždění nárůstu proudu problémem, protože proud může účinně vstupovat do cívek a vystupovat z nich rychle, což motoru umožňuje dodat svůj jmenovitý točivý moment. Při vysokých rychlostech se však proud nemůže zvýšit dostatečně rychle, než se přepne další fáze, což má za následek snížení točivého momentu.
Napětí ovladače významně ovlivňuje vysokorychlostní výkon a krokový motor . Vyšší poměr hnacího napětí k napětí motoru vede ke zlepšení vysokorychlostních schopností. Je tomu tak proto, že zvýšené napětí umožňuje proudění proudu do vinutí rychleji, než je 63% práh, o kterém byla řeč dříve.
Když krokový motor přechází z jednoho kroku na druhý, rotor se nezastaví okamžitě v cílové poloze. Místo toho se pohybuje za konečnou polohou, pak je tažen zpět, přestřeluje v opačném směru a pokračuje v oscilaci tam a zpět, dokud se nakonec nezastaví. K tomuto jevu, označovanému jako 'zvonění', dochází při každém kroku, který motor udělá (viz interaktivní schéma níže). Podobně jako u bungee šňůry jej hybnost rotoru přenese za bod zastavení, což způsobí, že 'odskočí', než se usadí v klidu. V mnoha případech je však motor instruován, aby se posunul k dalšímu kroku dříve, než se úplně zastaví.
Níže uvedené grafy znázorňují vyzváněcí chování krokového motoru za různých podmínek zatížení. Když je motor nezatížený, vykazuje výrazné zvonění, což se projevuje zvýšenými vibracemi. Tyto nadměrné vibrace mohou vést k zastavení motoru, když je buď nezatížený nebo lehce zatížený, protože může ztratit synchronizaci. Proto je nezbytné vždy testovat a krokový motor s odpovídající zátěží.
Další dva grafy zobrazují výkon motoru při zatížení. Správné zatížení motoru pomáhá stabilizovat jeho provoz a snižuje vibrace. V ideálním případě by zátěž měla vyžadovat 30 % až 70 % maximálního točivého momentu motoru. Kromě toho by měl poměr setrvačnosti zátěže k rotoru ležet mezi 1:1 a 10:1. Pro kratší a rychlejší pohyby je vhodnější, aby se tento poměr blížil 1:1 až 3:1.
Aplikační specialisté a inženýři BesFoc jsou k dispozici, aby vám pomohli se správným dimenzováním motoru.
A u krokového motoru dojde k výrazně zvýšeným vibracím, když se frekvence vstupního pulzu shoduje s jeho vlastní frekvencí, což je jev známý jako rezonance. K tomu často dochází kolem 200 Hz. Při rezonanci jsou překmity a podkmity rotoru značně zesíleny, čímž se zvyšuje pravděpodobnost chybějících kroků. Zatímco specifická rezonanční frekvence se může měnit se setrvačností zátěže, obvykle se pohybuje kolem 200 Hz.
2-fázové krokové motory mohou vynechat kroky pouze ve skupinách po čtyřech. Pokud zaznamenáte ztrátu kroku v násobcích čtyř, znamená to, že vibrace způsobují ztrátu synchronizace motoru nebo že zatížení může být nadměrné. Naopak, pokud zmeškané kroky nejsou v násobcích čtyř, existuje silná známka toho, že buď je počet pulzů nesprávný, nebo výkon ovlivňuje elektrický šum.
Několik strategií může pomoci zmírnit účinky rezonance. Nejjednodušší přístup je zcela se vyhnout provozu při rezonanční rychlosti. Protože 200 Hz odpovídá přibližně 60 otáčkám za minutu u 2fázového motoru, nejedná se o extrémně vysoké otáčky. Většina krokové motory mají maximální startovací rychlost kolem 1000 pulzů za sekundu (pps). Proto v mnoha případech můžete spustit chod motoru při rychlosti vyšší, než je rezonanční frekvence.
Pokud potřebujete nastartovat motor na otáčky, které jsou pod rezonanční frekvencí, je důležité rychle zrychlit v rezonančním rozsahu, abyste minimalizovali účinky vibrací.
Dalším efektivním řešením je použití menšího úhlu kroku. Větší úhly kroku mají za následek větší přepaly a podpaly. Pokud má motor na ujetí krátkou vzdálenost, nevyvine dostatečnou sílu (točivý moment), aby výrazně překmital. Snížením úhlu kroku zaznamená motor méně vibrací. To je jeden z důvodů, proč jsou techniky polovičního a mikrokrokování tak účinné při snižování vibrací.
Ujistěte se, že jste vybrali motor na základě požadavků na zatížení. Správné dimenzování motoru může vést k lepšímu celkovému výkonu.
Další možností, kterou je třeba zvážit, jsou tlumiče. Tato zařízení lze namontovat na zadní hřídel motoru, aby absorbovala část vibrační energie, což pomáhá vyhladit provoz vibračního motoru nákladově efektivním způsobem.
Relativně nový pokrok v Technologie krokového motoru je 5fázový krokový motor. Nejvýraznějším rozdílem mezi 2-fázovými a 5-fázovými motory (viz interaktivní schéma níže) je počet pólů statoru: 2-fázové motory mají 8 pólů (4 na fázi), zatímco 5-fázové motory mají 10 pólů (2 na fázi). Konstrukce rotoru je podobná jako u 2fázového motoru.
U 2fázového motoru se každá fáze pohybuje rotorem o 1/4 rozteče zubů, zatímco u 5fázového motoru se rotor díky své konstrukci pohybuje o 1/10 rozteče zubů. Při rozteči zubů 7,2° se úhel kroku pro 5-fázový motor stane 0,72°. Tato konstrukce umožňuje 5fázovému motoru dosáhnout 500 kroků na otáčku ve srovnání s 200 kroky 2fázového motoru na otáčku, což poskytuje rozlišení, které je 2,5krát větší než u 2fázového motoru.
Vyšší rozlišení vede k menšímu úhlu kroku, což výrazně snižuje vibrace. Protože úhel kroku 5fázového motoru je 2,5krát menší než u 2fázového motoru, dochází u něj k mnohem menšímu zvonění a vibracím. U obou typů motorů musí rotor překročit nebo podběhnout o více než 3,6°, aby vynechal kroky. S úhlem kroku 5-fázového motoru pouze 0,72° je téměř nemožné, aby motor překmitl nebo podkmital o takovou rezervu, což má za následek velmi nízkou pravděpodobnost ztráty synchronizace.
Existují čtyři primární způsoby pohonu krokový motor s:
Wave Drive (úplný krok)
2 fáze zapnuté (úplný krok)
1-2 fáze zapnuto (půlkrok)
Mikrokrok
V níže uvedeném diagramu je metoda vlnového pohonu zjednodušená, aby ilustrovala její principy. Každá otáčka o 90° znázorněná na obrázku představuje 1,8° rotace rotoru u skutečného motoru.
V metodě vlnového pohonu, známé také jako metoda 1-fázového zapnutí, je vždy napájena pouze jedna fáze. Když je fáze A aktivována, vytváří jižní pól, který přitahuje severní pól rotoru. Poté se fáze A vypne a fáze B se zapne, což způsobí otočení rotoru o 90° (1,8°) a tento proces pokračuje, přičemž každá fáze je napájena samostatně.
Vlnový pohon pracuje se čtyřkrokovou elektrickou sekvencí pro otáčení motoru.
U metody pohonu '2 Phases On' jsou obě fáze motoru nepřetržitě napájeny.
Jak je znázorněno níže, každé otočení o 90° odpovídá otočení rotoru o 1,8°. Když jsou obě fáze A a B napájeny jako jižní póly, je severní pól rotoru přitahován rovnoměrně k oběma pólům, což způsobí, že se zarovná přímo uprostřed. Jak sekvence postupuje a fáze jsou aktivovány, rotor se bude otáčet, aby udržoval zarovnání mezi dvěma póly pod napětím.
Metoda '2 Phases On' funguje pomocí čtyřfázové elektrické sekvence k otáčení motoru.
Standardní 2fázové a 2fázové motory typu M BesFoc využívají tuto metodu pohonu '2 Phases On'.
Hlavní výhodou metody '2 Phase On' oproti metodě '1 Phase On' je kroutící moment. V metodě '1 Phase On' je aktivována vždy pouze jedna fáze, což má za následek, že na rotor působí jediná jednotka točivého momentu. Naproti tomu metoda '2 Phases On' napájí obě fáze současně a vytváří dvě jednotky točivého momentu. Jeden vektor momentu působí na pozici 12 hodin a druhý na pozici 3 hodin. Když se tyto dva vektory krouticího momentu zkombinují, vytvoří výsledný vektor pod úhlem 45° s velikostí, která je o 41,4 % větší než u jediného vektoru. To znamená, že použití metody '2 Phase On' nám umožňuje dosáhnout stejného úhlu kroku jako metoda '1 Phase On' při dodání o 41 % vyššího točivého momentu.
Pětifázové motory však fungují poněkud jinak. Místo použití metody '2 Phases On' využívají metodu '4 Phases On'. V tomto přístupu jsou čtyři fáze aktivovány současně pokaždé, když motor udělá krok.
Výsledkem je, že pětifázový motor sleduje během provozu 10-krokovou elektrickou sekvenci.
Metoda '1-2 Phases On', známá také jako poloviční krokování, kombinuje principy předchozích dvou metod. Při tomto přístupu nejprve nabudíme fázi A, čímž se rotor vyrovná. Zatímco udržujeme fázi A pod napětím, aktivujeme fázi B. V tomto bodě je rotor rovnoměrně přitahován k oběma pólům a zarovnává se uprostřed, což má za následek rotaci o 45° (neboli 0,9°). Dále vypneme fázi A a zároveň pokračujeme v buzení fáze B, což motoru umožní udělat další krok. Tento proces pokračuje, přičemž se střídavě dodává energii jedné fázi a dvěma fázím. Tím efektivně snížíme úhel kroku na polovinu, což pomáhá snížit vibrace.
Pro 5-fázový motor používáme podobnou strategii střídáním mezi 4 fázemi zapnuto a 5 fázemi zapnuto.
Polokrokový režim se skládá z osmikrokové elektrické sekvence. V případě pětifázového motoru používajícího metodu '4-5 Phases On' prochází motor 20-krokovou elektrickou sekvencí.
(V případě potřeby lze přidat další informace o mikrokrokování.)
Mikrokrokování je technika používaná k ještě jemnějším menším krokům. Čím menší kroky, tím vyšší rozlišení a lepší vibrační charakteristiky motoru. Při mikrokrokování není fáze ani plně zapnutá, ani zcela vypnutá; místo toho je částečně pod napětím. Sinusové vlny jsou aplikovány na fázi A i fázi B s fázovým rozdílem 90° (nebo 0,9° v pětifázovém krokový motor ).
Když je maximální výkon aplikován na fázi A, fáze B je na nule, což způsobí, že se rotor vyrovná s fází A. Jak se proud do fáze A snižuje, proud do fáze B se zvyšuje, což umožňuje rotoru dělat malé kroky směrem k fázi B. Tento proces pokračuje, když proud koluje mezi dvěma fázemi, což má za následek hladký mikrokrokový pohyb.
Mikrokrokování však představuje určité problémy, zejména pokud jde o přesnost a točivý moment. Vzhledem k tomu, že fáze jsou nabuzeny pouze částečně, motor obvykle zaznamená snížení točivého momentu asi o 30 %. Navíc, protože rozdíl točivého momentu mezi kroky je minimální, motor může mít potíže s překonáním zatížení, což může vést k situacím, kdy je motoru přikázáno, aby se pohnul o několik kroků, než se skutečně začne pohybovat. V mnoha případech je začlenění kodérů nezbytné pro vytvoření systému s uzavřenou smyčkou, i když to zvyšuje celkové náklady.
Systémy s otevřenou smyčkou
Systémy s uzavřenou smyčkou
Servosystémy
Krokové motory jsou typicky navrženy jako systémy s otevřenou smyčkou. V této konfiguraci vysílá generátor impulsů impulsy do obvodu sekvenování fází. Fázový sekvencer určuje, které fáze by měly být zapnuty nebo vypnuty, jak bylo dříve popsáno v metodách plného a polovičního kroku. Sekvencer řídí vysoce výkonné FETy pro aktivaci motoru.
V systému s otevřenou smyčkou však neexistuje žádné ověření polohy, což znamená, že neexistuje způsob, jak potvrdit, zda motor provedl přikázaný pohyb.
Jednou z nejběžnějších metod implementace systému s uzavřenou smyčkou je přidání kodéru na zadní hřídel dvouhřídelového motoru. Kodér se skládá z tenkého disku označeného čarami, který se otáčí mezi vysílačem a přijímačem. Pokaždé, když linka prochází mezi těmito dvěma komponentami, generuje impuls na signálových linkách.
Tyto výstupní impulsy jsou pak přiváděny zpět do regulátoru, který je eviduje. Typicky na konci pohybu ovladač porovnává počet impulzů, které poslal do ovladače, s počtem impulzů přijatých z kodéru. Provede se specifická rutina, přičemž pokud se tyto dva počty liší, systém se přizpůsobí, aby napravil nesrovnalost. Pokud se počty shodují, znamená to, že nedošlo k žádné chybě a pohyb může plynule pokračovat.
Systém s uzavřenou smyčkou má dvě hlavní nevýhody: cenu (a složitost) a dobu odezvy. Zahrnutí kodéru zvyšuje celkové náklady systému spolu se zvýšenou sofistikovaností řídicí jednotky, která přispívá k celkovým nákladům. Navíc, protože korekce se provádějí pouze na konci pohybu, může to do systému vnést zpoždění a potenciálně zpomalit dobu odezvy.
Alternativou k krokovým systémům s uzavřenou smyčkou je servosystém. Servosystémy obvykle používají motory s nízkým počtem pólů, které umožňují vysokorychlostní výkon, ale postrádají vlastní schopnost polohování. K přeměně serva na poziční zařízení jsou zapotřebí mechanismy zpětné vazby, často využívající kodér nebo resolver spolu s řídicími smyčkami.
V servosystému se motor aktivuje a deaktivuje, dokud resolver neukáže, že bylo dosaženo zadané polohy. Pokud je například servo instruováno, aby se pohnulo o 100 otáček, začne s počtem resolverů na nule. Motor běží, dokud počet resolveru nedosáhne 100 otáček, v tomto okamžiku se vypne. Pokud dojde k jakémukoli polohovému posunu, motor se znovu aktivuje, aby polohu upravil.
Odezva serva na polohové chyby je ovlivněna nastavením zesílení. Nastavení vysokého zesílení umožňuje motoru rychle reagovat na změny chyb, zatímco nastavení nízkého zesílení má za následek pomalejší odezvu. Úprava nastavení zesílení však může do systému řízení pohybu vnést časové zpoždění, které ovlivní celkový výkon.
AlphaStep je inovativní BesFoc řešení krokového motoru s integrovaným resolverem, který nabízí zpětnou vazbu o poloze v reálném čase. Tato konstrukce zajišťuje, že je vždy známa přesná poloha rotoru, což zvyšuje přesnost a spolehlivost systému.
Ovladač AlphaStep obsahuje vstupní počítadlo, které sleduje všechny impulsy odeslané do měniče. Současně je zpětná vazba z resolveru směrována do čítače polohy rotoru, což umožňuje nepřetržité sledování polohy rotoru. Případné nesrovnalosti jsou zaznamenány v počítadle odchylek.
Motor obvykle pracuje v režimu otevřené smyčky a generuje vektory točivého momentu, které motor následuje. Pokud však čítač odchylek ukazuje odchylku větší než ±1,8°, řadič fází aktivuje vektor momentu v horní části křivky posunu momentu. To generuje maximální krouticí moment pro opětovné seřízení rotoru a jeho návrat do synchronizace. Pokud se motor vypne o několik kroků, řadič nabudí více vektorů momentu na horním konci křivky posunu momentu. Řidič zvládne přetížení po dobu až 5 sekund; pokud se mu nepodaří obnovit synchronizaci v tomto časovém rámci, spustí se porucha a spustí se alarm.
Pozoruhodnou vlastností systému AlphaStep je jeho schopnost provádět v reálném čase opravy jakýchkoli zameškaných kroků. Na rozdíl od tradičních systémů, které s opravou chyb čekají až do konce pohybu, ovladač AlphaStep provede nápravu, jakmile se rotor dostane mimo rozsah 1,8°. Jakmile je rotor zpět v tomto limitu, ovladač se vrátí do režimu otevřené smyčky a obnoví příslušné fáze napájení.
Doprovodný graf znázorňuje křivku posunu točivého momentu a zvýrazňuje provozní režimy systému – otevřená smyčka a uzavřená smyčka. Křivka posunutí točivého momentu představuje točivý moment generovaný jednou fází, dosahující maximálního točivého momentu, když se poloha rotoru odchýlí o 1,8°. Krok lze vynechat pouze v případě, že rotor překročí o více než 3,6°. Protože řidič převezme kontrolu nad vektorem točivého momentu, kdykoli odchylka překročí 1,8°, je nepravděpodobné, že by motor vynechal kroky, pokud nedojde k přetížení trvajícímu déle než 5 sekund.
Mnoho lidí se mylně domnívá, že přesnost kroku motoru AlphaStep je ±1,8°. Ve skutečnosti má AlphaStep přesnost kroku 5 obloukových minut (0,083°). Ovladač řídí vektory točivého momentu, když je rotor mimo rozsah 1,8°. Jakmile se rotor dostane do tohoto rozsahu, zuby rotoru se přesně vyrovnají s generovaným vektorem točivého momentu. AlphaStep zajišťuje, že se správný zub zarovná s aktivním vektorem krouticího momentu.
Řada AlphaStep přichází v různých verzích. BesFoc nabízí modely s kulatým hřídelem a převody s více převodovými poměry, které buď zvyšují rozlišení a točivý moment, nebo minimalizují odraženou setrvačnost. Většina verzí může být vybavena bezpečnou magnetickou brzdou. Kromě toho BesFoc poskytuje verzi 24 V DC s názvem série ASC.
Závěrem lze říci, že krokové motory jsou velmi vhodné pro polohovací aplikace. Umožňují přesné ovládání vzdálenosti i rychlosti jednoduše změnou počtu pulzů a frekvence. Jejich vysoký počet pólů umožňuje přesnost i při provozu v režimu otevřené smyčky. Při správné velikosti pro konkrétní aplikaci, a krokový motor nebude chybět kroky. Navíc, protože krokové motory nevyžadují zpětnou vazbu o poloze, představují cenově výhodné řešení.
