Krokový motor je bezkefový jednosmerný motor, v ktorom je otáčka rozdelená na pevný počet krokov vyplývajúci z konštrukcie motora. Plná otáčka hriadeľa o 360° je rozdelená na 200 krokov, čo znamená, že jedno posunutie hriadeľa, krok, sa vykoná každých 1,8°. Dostupné sú aj motory, v ktorých sa krok hriadeľa vykonáva každých 2; 2,5; 5, 15 alebo 30°.

Opísanú funkcionalitu je možné získať vďaka špeciálnej konštrukcii krokového motora, čo si vysvetlíme nižšie. Tým, že je plná otáčka hriadeľa rozdelená na konkrétne diskrétne úseky, krokový motor sa neotáča plynule, ale pri vykonávaní krokov (skokov) a prechádzaní medzistavmi chod krokového motora sprevádza charakteristický zvuk a vibrácie.

Súčasné ovládače krokových motorov sa vyrábajú na báze elektronických obvodov ovládajúcich ovládače zvyšujúce zaťažiteľnosť výstupov. V takom ovládači zvyčajne nájdeme mikrokontrolér, aj keď nie vždy, pretože bez väčších ťažkostí možno takýto ovládač vyrobiť na báze hradiel a preklápacích obvodov. Samotný spôsob ovládania motora závisí od jeho druhu, počtu fáz a od toho, či prebieha pomocou spätnej väzby alebo bez nej. V niektorých ovládačoch je možné prúd pretekajúci cez vinutie regulovať pomocou PWM priebehu, avšak smer otáčok a ovládanie krokov prebieha pomocou pravouhlých priebehov. Ak máme do činenia s konkrétnym modelom motora a jeho ovládačom, pre správnu metódu ovládania je potrebné siahnuť po ich katalógových listoch.

Vinutia, ktoré predstavujú záťaž výstupov ovládača, sú cievky charakteristické určitou indukčnosťou a kapacitou. Ich reaktancia rastie spolu s nárastom frekvencie, čo obmedzuje pretekajúci prúd a limituje maximálny kmitočet prepínania. Pri výbere motora pre konkrétne použitie treba vždy zvážiť určité kompromisy, napríklad maximálnu uhlovú rýchlosť a požadovaný točivý moment vo vzťahu k rozlíšeniu. V článku sú uvedené základné informácie o princípoch fungovania bipolárnych a unipolárnych krokových motorov a o tom, čo si treba všímať pri výbere krokového motora pre danú aplikáciu.

Krokový motor – ako funguje?

Krokový motor sa skladá z rotora a statora. Stator je nepohyblivá časť, rotor osadený na hriadeli v ložiskách rotuje v magnetickom poli tvoriacom sa okolo statora. Stator, vyrobený z ocele alebo iného kovu, tvorí kostru pre elektromagnety, teda cievky osadené na konkrétnych miestach okolo rotora. Keď cez cievky statora preteká prúd, vzniká okolo nich magnetické pole. Smer a intenzita magnetického toku závisí od intenzity a smeru prúdu pretekajúceho cez danú cievku.

Keď cievkou preteká prúd, vzniknutý elektromagnet priťahuje magnet (zub) namontovaný na rotor, posunutý o určitý offset. Vtedy sa rotor s hriadeľom otáča o uhol, pri ktorom jeho poloha kladie najmenší odpor magnetickému toku alebo výslednici viacerých magnetických tokov. Po posune o daný offset sa zopne ďalší elektromagnet (cievka alebo cievky) na statore a rotor je opäť priťahovaný do novej polohy. Prepínaním ďalších cievok robí ďalšie kroky vpred alebo vzad alebo dosahuje plnú alebo čiastočnú otáčku rotora a spolu s ním hriadeľa.

Na základe uvedeného opisu si môžeme predstaviť krokový motor ako rad elektromagnetov priťahujúcich magnet rotora. V skutočnosti je však situácia podstatne komplikovanejšia, pretože magnet je priťahovaný výsledným poľom vznikajúcim okolo elektromagnetov, čo umožňuje prevádzku nielen v režime plného kroku, ale aj polkroku (krok rozdelený na 2) alebo menšieho, nazývaného aj microstep.

Krokový motor – prevádzka v režime plného kroku

Princíp fungovania krokového motora v režime plného kroku znázorňuje obr. 1. V tomto režime sa motor otáča o uhol daný jeho konštrukciou, ktorý môže mať hodnotu napríklad 1,8°. Jednoduchým výpočtom zistíme, že v tomto prípade je potrebné pre plnú otáčku urobiť 200 krokov (200×1,8°=360°).

Krok hriadeľa nastáva po napájaní jednej alebo dvoch cievok. Prevádzka pri napájaní samostatnej cievky vyžaduje minimálny výkon drivera. Pri 2-fázovej prevádzke, teda zapojení cievok umiestnených oproti sebe, je potrebný dvojnásobne vyšší výkon napájacieho prúdu, no s ním rastie zároveň aj rýchlosť a točivý moment.

Obr. 1. Princíp fungovania v režime plného kroku pri 2-fázovom napájaní

Krokový motor – prevádzka v polovičnom kroku

Princíp fungovania motora v režime polovičného kroku je znázornený na obr. 2. Ako hovorí samotný názov, v tomto režime je diskrétny krok rotora delený 2 a vykonaním samostatného kroku sa otáča o polovicu nominálneho uhla. Ak to prenesieme na spomínaný príklad, samostatný krok bude každých 0,9°, počet krokov na plnú otáčku narastie na 400.

Pri práci v režime polovičného kroku sa vyžaduje zapojenie dvoch fáz (cievok). Výsledkom je nárast točivého momentu v porovnaní s prevádzkou pri 1-fázovom napájaní, „hladší“ chod motora a spomínané fázové rozlíšenie.

Obr. 2. Princíp fungovania motora v polovičnom kroku pri 2-fázovom zapojení.

Krokový motor – prevádzka v režime microstep (mikrokrok)

V režime microstep je nominálny krok delený na ešte kratšie úseky ako pri práci v režime polovičného kroku. Maximálny deliaci koeficient je 256. Jednotlivé polohy rotora sa získavajú pomocou výsledného magnetického toku cievok zapojených pomocou schodovitého priebehu. Prevádzka v režime mikrokroku sa preferuje v tých aplikáciách, v ktorých je potrebný „hladký“ chod motora a/alebo vysoká presnosť jeho polohovania.

Pri používaní motora v režime mikrokroku treba pozornosť upriamiť na požiadavky aplikácie vo vzťahu k rýchlosti otáčok motora. Ako už bolo spomenuté, indukčná reaktancia cievky narastá spolu s kmitočtom kľúčovania prúdu vo vinutí motora. Väčšia rýchlosť otáčok si vyžaduje častejšie prepínanie, a tým aj väčší kmitočet kľúčovania vinutia. V dôsledku toho narastá impedancia cievky a klesá intenzita stredného prúdu prechádzajúceho vinutím. To ovplyvňuje chod motora – spolu so znižovaním intenzity prúdu pretekajúceho vinutím sa znižuje aj točivý moment, čo môže viesť k oscilácii, zastaveniu rotora alebo strate krokov a tým poháňaného prvku stroja. Preto je potrebné pri používaní motora v režime mikrokroku venovať zvýšenú pozornosť jeho katalógovému listu, ktorý by mal obsahovať vykreslenú závislosť točivého momentu ako funkcie kmitočtu prúdu pretekajúceho cievkou.

Typy krokových motorov

Krokový motor nie je v porovnaní s bežným kefovým jednosmerným motorom komplikovaný a nemá ani zložitejšiu konštrukciu, no vyžaduje si väčšiu precíznosť pri výrobe. Veľkú podobnosť s krokovými motormi s permanentným magnetom vykazujú súčasné motory BLDC, ktoré sa navyše aj podobne ovládajú.

Podľa základného kritéria sa typy krokových motorov delia podľa spôsobu konštrukcie a počtu fáz potrebných pre zapájanie cievok. V závislosti od konštrukcie sa jednotlivé typy líšia účelom použitia (cieľová aplikácia), rozlíšením a dosiahnutým točivým momentom.

Krokový motor s permanentným magnetom

Motor s permanentnými magnetmi by mohol mať dve cievky (elektromagnety), ktoré by tvorili štyri striedavé póly a rotor motora by bol magnetizovaný radiálne. Zmena polohy rotora by spočívala v zmene smeru pretekania prúdu v cievkach, čo by zmenilo magnetické póly. Pri zmene smeru prúdu by sa rotor v takom motore otočil o 90°. Jednotlivý krok takého motora, napriek tomu, že by mohol byť vhodný pre určité aplikácie, by bol veľmi veľký a nepresný. Preto majú v skutočnosti motory s permanentnými magnetmi viac pólov rotora a pre zvýšenie počtu krokov a presnosti pozície je na ich rotore namontovaných niekoľko magnetov.

Krokové motory s permanentnými magnetmi obvykle vykonávajú krok od 7,5° do 15°, čo dáva od 48 do 24 krokov pri plnej otáčke. Magnetizované póly rotora ovplyvňujú zvýšenie magnetickej indukcie, preto sa motory s permanentným magnetom vyznačujú veľkým točivým momentom. Jednoduchá konštrukcia sa prejavuje na priaznivej cene motora pri menšom rozlíšení.

Krokové motory s premenlivou reluktanciou

Motory s premenlivou reluktanciou boli jednými z prvých modelov krokových motorov. V súčasnosti sa už používajú len zriedkavo. V tomto type motora je rotor zložený z mnohých zubov vyrobených z mäkkého železa. Keď sú cievky statora napájané jednosmerným prúdom, zub rotora je priťahovaný magnetickým poľom. Vďaka sekvenčnému prepínaniu sa rotor otáča o uhol daný konštrukciou motora.

Motory tohto typu majú aj napriek jednoduchšej konštrukcii a jednoduchému ovládaniu malé rozlíšenie a malý točivý moment.

Hybridný krokový motor

Hybridný motor je jedným z najčastejšie používaných typov krokových motorov v priemysle. Charakterizuje sa veľkým rozlíšením – jeho rotor vykonáva kroky každých 0,9° až 3,6° (od 400 do 100 krokov). Tento typ motora prevyšuje ostatné typy z hľadiska spoľahlivosti, točivého momentu, prídržného momentu a dosahovanej rýchlosti otáčok.

Rotor hybridného motora pozostáva z permanentných magnetov, ale v porovnaní s už spomínanými typmi motorov s permanentným magnetom sa nemontujú radiálne, ale sú magnetizované axiálne. Rotor pozostáva z dvoch prstencov magnetizovaných nesúhlasne na hriadeli motora. Každý z prstencov má drážkovanie, ktoré tvorí zuby rotora.

Unipolárny a bipolárny motor

Iné delenie krokových motorov vyplýva zo spôsobu zhotovenia vinutia v 2-fázových motoroch. V závislosti od neho sa motory delia na unipolárne a bipolárne. Hlavný rozdiel je v tom, že unipolárny motor pracuje s jednou polaritou prúdu (napätia), bipolárny motor s dvomi polaritami, čo znamená, že smer prietoku prúdu v cievke je striedavý. Ďalší rozdiel je v potrebe zapojenia cievok takým spôsobom, aby bolo možné koncom jednej cievky napájať začiatok druhej. Taký spôsob prepojenia umožňuje používať prúd (napätie) s jednou polarizáciou. Rozdiely v konštrukcii oboch druhov motorov sú zjednodušene znázornené na obrázkoch 3 a 4.

Obr. 3. Bipolárny motor a spôsob zapojenia jeho vinutia      

Obr. 4. Koncepčný výkres unipolárneho motora a spôsob zapojenia jeho vinutia

Bipolárny motor má väčší točivý moment ako unipolárny motor, aj keď je to na úkor zložitejšieho ovládania.

Plusy a mínusy krokových motorov

Základnými výhodami krokového motora sú precíznosť fungovania, jednoduchá kontrola polohy rotora a jeho rýchlosti otáčok. To sa dá dosiahnuť pri pomerne jednoduchej konštrukcii a nízkych nákladoch hotového riešenia. Točivý moment motora je veľmi veľký už pri veľmi malej rýchlosti otáčok. V konštrukcii motora nie sú kefy, čo sa odzrkadľuje na jeho veľkej mechanickej odolnosti a spoľahlivosti. Inou dôležitou vlastnosťou je jednoduché ovládanie motora: rýchly štart vďaka veľkému točivému momentu, ľahké zastavenie vďaka veľkému prídržnému momentu a možnosť rýchlej zmeny smeru otáčok. V mnohých aplikáciách má význam aj jednoduchá modulácia charakteristiky štartu a zastavenia.

Jedným z výrazných nedostatkov krokového motora je jeho energetická náročnosť. Motor vyžaduje napájanie rovnako v momente vykonávania pohybu, ako aj počas zastavovania. Točivý moment je najväčší pri relatívne nízkej rýchlosti otáčok a klesá pri vyššej rýchlosti. Ako sme už spomenuli, úzko súvisí s intenzitou prúdu pretekajúceho cievkami, ten závisí od ich impedancie, ktorá rastie spolu s nárastom kmitočtu prepínania. Je to dôvod, pre ktorý nie je možné dosiahnuť vysokú rýchlosť otáčok pri zachovaní točivého momentu a schopnosti motora „zvládnuť“ zadanú záťaž.

Ak nie je točivý moment postačujúci, dochádza k javu, ktorý nazývame preklzávanie alebo strata krokov. Preto je pre spoľahlivé ovládanie motora potrebný mechanizmus spätnej väzby, ktorý sa môže realizovať napríklad na báze enkódera alebo iného typu snímača. Vďaka tomu sa môže kontrolér motora „uistiť“, že vykonal zadaný počet krokov.

Ovládanie krokového motora

Dobrou praxou pri výrobe pohonov je zohľadňovanie celého pohonného systému, teda motora s ovládačom, pretože nie je možné posudzovať vlastnosti celého hnacieho ústrojenstva bez zohľadnenia parametrov jednej aj druhej časti. Zjednodušene povedané, aj najlepší motor nebude správne pracovať bez vhodného ovládača a naopak. Výber zostavy motor + ovládač bude zásadným spôsobom ovplyvňovať charakteristiku celého pohonu.

Hlavným trendom vo vývoji krokových motorov je snaha o znižovanie zotrvačnosti motora pri súčasnom zvyšovaní rozlíšenia (počtu krokov), točivého momentu a energetickej účinnosti. Preto sa v praxi môžeme stretnúť okrem uvedených typov motorov aj s mnohými ich modifikáciami, ktorých cieľom je zlepšiť spomínané parametre. Jednotlivé motory sa v závislosti od použitia líšia aj počtom vinutí a s tým súvisiacim algoritmom ovládania.Na internete možno nájsť mnoho projektov krokových motorov, od tých konštrukčne najjednoduchších, vybavených potenciometrom pre reguláciu rýchlosti otáčok alebo tlačidlom štart/stop, vytvorených s použitím diskrétnych súčiastok ako hradlá a preklápacie obvody či tranzistorové kľúče, až po mimoriadne komplikované, napríklad vyrobené na báze špecializovaných integrovaných driverov a procesorov DSP. Zdá sa však, že takéto projekty sú vhodnejšie pre výrobu neprofesionálnych alebo experimentálnych zariadení skôr ako pre priemyselné použitie. Tu siahneme skôr po hotové riešenia od overených producentov.

V prípade neprofesionálneho použitia je najjednoduchšie postaviť ovládač motora na báze Arduino a vhodný prúdový zosilňovač alebo driver motora. Výber dosky – rozširujúceho modulu – bude závisieť od použitého motora.

V bipolárnom motore je potrebné zaistiť možnosť prietoku prúdu v dvoch smeroch. Preto je na zmenu smeru magnetického toku v jadre potrebné použiť samostatný dvojstavový preklápací obvod skonštruovaný zo striedavo spínaných tranzistorov (polomostíkový obvod). Pri ovládaní unipolárneho motora je potrebné zabezpečiť tok prúdu v danom vinutí iba v jednom smere, stačí preto použiť samostatný kľúčovací tranzistor na cievku. Ako si môžeme ľahko všimnúť, unipolárne ovládanie si vyžaduje menší počet kľúčovacích tranzistorov, ale ako si pamätáme z predošlého textu, v danom momente pracuje iba polovica vinutia, preto aj samotný unipolárny motor vytvára menší točivý moment ako bipolárny motor. Bipolárny motor si vyžaduje komplexnejšie ovládanie, no mnoho výrobcov polovodičov ponúka špeciálne integrované obvody, ktoré obsahujú dva kompletné tranzistorové mostíky, obvody chrániace pred prehriatím, preťažením, prepätím, logické hradlá zjednodušujúce ovládanie samotného motora. Takéto integrované obvody nájdete v portfóliu STM, Toshiba Electric a pod.

Na záver

Súčasné krokové motory sa využívajú v mnohých zariadeniach, ktoré vyžadujú precíznu kontrolu pohybu a presné stanovenie polohy. Preto nachádzajú uplatnenie najmä v aplikáciách náročných na precíznu kontrolu polohy, v polohovacích zariadeniach, pretože pomocou počítača a ovládača je jednoduché vyrobiť vhodné zariadenie aj softvér. Sú široko zastúpené v biomedicínskej aparatúre, pohonoch počítačových diskov, v tlačiarňach, skeneroch, v inteligentnom osvetlení, používajú sa na kontrolu kamerových objektívov, kontrolu polohy regulačných prvkov v spaľovacích motoroch, v robotike, 3D skeneroch a tlačiarňach, XY plotroch, CNC strojoch a v mnohých iných zariadeniach. Medzi populárne zariadenia, v ktorých sa bohato používajú krokové motory, patria tlačiarne: od starších modelov ihličkových tlačiarní až po moderné, ktoré nemajú s tradičnou tlačou 3D tlačiarní veľa spoločného.

Aplikácie krokových motorov sú v súčasnej dobe veľmi dobre známe, používateľsky nenáročné ani pre domácich majstrov, ktorí s ich pomocou konštruujú napríklad amatérske obrábacie CNC stroje alebo 3D tlačiarne. Krokový motor je ľahké ovládať pomocou Arduina s vhodným doplnkom (napr. shieldom s integrovaným obvodom L293D). To otvára široké možnosti pre vytvorenie mnohých zaujímavých aplikácií, ktoré môžu nájsť uplatnenie v rôznych priemyselných oblastiach, v domácnostiach alebo v domácej dielni.

Zdroj : tme.eu