Krokové motory

Author: Kamil Řezáč, 2002-10-28

princip funkce, metody řízení

Občas se v praxi vyskytne potřeba pohonu, který umí přesně nastavit svoji polohu a tuto polohu i přes působící síly udržet (např. souřadnicové zapisovače nebo počítačem řízené obráběcí stroje). Právě to jsou aplikace jako šité na míru pro krokové motory. V robotice používáme krokové motory z důvodu jejich snadné obsluhy. Pro precizní řízení rychlosti nepotřebujeme naprogramovat komplexní PID kontrolér a, pokud motory nepřetěžujeme, lze se obejít bez zpětné vazby o změně natočení – stačí počítat kroky.

V rámci objektivity hned na začátku zmíníme i nevýhody pohonů s krokovými motory. Nejzávažnější je pravděpodobně trvalý odběr proudu i když se motor netočí. Nepříliš výhodný je i poměr výkonu (kroutícího momentu) vůči hmotnosti motoru. Ani cena není ve srovnání s DC motory příliš výhodná.

Anatomie krokového motoru

Na obrázcích je krokový motor s 200 kroky na otáčku (1.8 stupně na krok). Stator krokového motoru je tvořen sadou cívek. Pólové nástavce statoru jsou vroubkovány se stejnou roztečí jako je rozteč magnetů na rotoru. Toto je jedna z částí zvyšující přesnost motoru při stejném počtu cívek. Rotor je tvořen hřídelí usazenou na kuličkových ložiskách a prstencem permanentních magnetů.

Celkový pohled

Stator

Rotor

Funkce krokového motoru

Základní princip krokového motoru je úplně jednoduchý. Proud procházající cívkou statoru vytvoří magetické pole, které přitáhne opačný pól magnetu rotoru. Vhodným zapojováním cívek dosáhneme vytvoření rotujícího magnetického pole, které otáčí rotorem.

Podle požadovaného kroutícího momentu, přesnosti nastavení polohy a přípustného odběru volíme některou z variant řízení. Všechny možnosti jsou probrány v další části textu. Kvůli přechodovým magnetickým jevům je omezena rychlost otáčení motoru a to na několik stovek kroků za sekundu (závisí na typu motoru a zatížení). Při překročení této maximální rychlosti (nebo při příliš velké zátězi) motory začínají ztrácet kroky.

Metody řízení krokových motorů

Unipolární versus bipolární řízení

Schéma unipolárního řízení

Při unipolárním řízení prochází v jednom okamžiku právě jednou cívkou. Motor s tímto buzením má nejmenší odběr, ale také poskytuje nejmenší kroutící moment. Výhodou tohoto řešení je jednoduché zapojení řídící elektroniky - v podstatě stačí jeden tranzistor na každou cívku. Pro menší motory lze výhodou použít integrovaný obvod ULN2803. V jednom pouzdře je dostatek budičů pro řízení dvou motorů.

Při bipolárním řízení prochází proud vždy dvěma protilehlými cívkami. Ty jsou zapojené tak, že mají navzájem opačně orientované magnetické pole. Motor v tomto režimu poskytuje větší kroutící moment, ovšem za cenu vyšší spotřeby. Pro řízení jsou zapotřebí 2 H-můstky: pro každou větev jeden. To ve výsledku znamená jednak složitost zapojení a větší počet kontrolních linek (jejich počet lze zredukovat pomocí přídavné logiky). Vhodným integrovaným obvodem pro bipolární řízení menších motorů je H-můstek L293D.

Upozornění: Při konstrukci budiče z diskrétních součástek se nesmí zapomenout na ochranné diody (ve schématech nejsou nakresleny).

Schéma bipolárního řízení

Jednofázové versus dvoufázové řízení

Jednofázové řízení znamená, že magnetické pole generuje pouze jedna cívka (případně dvojice cívek při bipolárním buzení).

Při dvoufázovém řízení generují shodně orientované magnetické pole vždy dvě sousední cívky. Daní za vyšší kroutící moment je dvojnásobná spotřeba oproti řízení jednofázovému.

Řízení s plným versus polovičním krokem

Řízení s plným krokem znamená, že na jednu otáčku je potřeba přesně tolik kroků, kolik zubů má stator daného motoru. Dosáhneme ho použitím kterékoliv doposud uvedené metody řízení.

Řízením s polovičním krokem dosáhneme dvojnásobné přesnosti. Technicky se jedná o střídání kroků s jedno- a dvoufázovým řízením.

Metody řízení v praxi

Rozložení cívek

Následující obrázky používají číslování cívek podle tohoto schématu (pro jednoduchost uvažujeme zjednodušený motor se čtyřmi kroky na otáčku).

Je-li cívka nakreslena hnědě(v tabulce označená "0"), je bez proudu. Magnetické pole modře nakreslené cívky (v tabulce označené "-") přitahuje červený konec magnetu (rotoru) a naopak - magnetické pole červeně nakreslené cívky (v tabulce označené "+") přitahuje modrý konec magnetu.

Pro přehrávání animací (animovaný GIF) je nutné mít povoleno přehrávání animací na webových stránkách ve vašem prohlížeči.

Unipolární jednofázové řízení s plným krokem

Animace
Cívka 1	-	0	0	0
Cívka 2	0	-	0	0
Cívka 3	0	0	-	0
Cívka 4	0	0	0	-

Unipolární dvoufázové řízení s plným krokem

Animace
Cívka 1	-	0	0	-
Cívka 2	-	-	0	0
Cívka 3	0	-	-	0
Cívka 4	0	0	-	-

Unipolární řízení s polovičním krokem

Animace
Cívka 1	-	-	0	0	0	0	0	-
Cívka 2	0	-	-	-	0	0	0	0
Cívka 3	0	0	0	-	-	-	0	0
Cívka 4	0	0	0	0	0	-	-	-

Bipolární jednofázové řízení s plným krokem

Animace
Cívka 1	-	0	+	0
Cívka 2	0	-	0	+
Cívka 3	+	0	-	0
Cívka 4	0	+	0	-

Bipolární dvoufázové řízení s plným krokem

Animace
Cívka 1	-	+	+	-
Cívka 2	-	-	+	+
Cívka 3	+	-	-	+
Cívka 4	+	+	-	-

Bipolární řízení s polovičním krokem

Animace
Cívka 1	-	-	0	+	+	+	0	-
Cívka 2	0	-	-	-	0	+	+	+
Cívka 3	+	+	0	-	-	-	0	+
Cívka 4	0	+	+	+	0	-	-	-

Praktické zapojení

Následující zapojení demonstruje základní zapojení pro řízení motoru v unipolárním dvoufázovém režimu. Jako výkonový budič je použit obvod ULN2803. Ten obsahuje jednak ochranné diody, jednak invertor před každým výkonovým stupněm. To výrazně zjednodušuje dvoufázové řízení při malém počtu řídících linek. V rámečku je přehledněji nekresleno propojení cívek motoru a budičů (včetně ochranných diod).

Schéma

Schéma unipolárního dvoufázového řízení

Řídící sekvence

	Krok 1	Krok 2	Krok 3	Krok 4
Vstup 1	1	1	0	0
Vstup 2	1	0	0	1
Animace
Cívka L1	1	0	0	1
Cívka L2	1	1	0	0
Cívka L3	0	1	1	0
Cívka L4	0	0	1	1

Odkazy

Zaujal vás tento článek? Našli jste věcnou chybu či překlep? Nebo něčemu nerozumíte? Napište nám!