Pohony s krokovými motorky V současné technické praxi v oblasti řídicí, výpočetní a regulační techniky se nejvíce používají krokové a synchronní motorky malých výkonů. Nejvíce máme možnost setkat se s nimi u různých typů tiskáren, zapisovačů a elektrických posuvných zařízení, pozadu nezůstává ale i oblast regulační a řídicí techniky, kde se využívají spolu s převodovkou na změnu mechanických poloh ventilů, směšovačů, posuvy X a Y malých NC strojů aj. Krokový motor je nejjednodušším akčním členem pro převádění digitálního signálu na polohu úhel natočení rotoru. V principu si můžeme krokový motor představit jako synchronní stroj, v němž místo točivého pole, generovaného třífázovým sinusovým napájecím napětím statorového vinutí, je generováno "poskakující" magnetické pole postupným napájením jednotlivých pólových dvojic stejnosměrným proudem Počet stabilních poloh rotoru je pak dán počtem kroků motoru na jednu otáčku. Rozdělení krokových motorků Krokové motorky je možné podle jejich konstrukčního provedení rozdělit do tří základních skupin: •
Krokové motorky s pasivním rotorem, označované také jako reluktanční, reakční, s proměnnou reluktancí. Jsou to motorky s vyjádřenými póly na statoru i rotoru, využívající výrazně rozdílné magnetické reluktance (vodivosti) v příčné i podélné ose. Podmínkou funkce je rozdílný počet pólů (zubů) na statoru a rotoru.
•
Krokové motorky s aktivním rotorem, jejichž rotor je tvořen permanentním magnetem (odtud i název aktivní). Podle uspořádání pólů magnetu odlišujeme dvě skupiny těchto motorků,s radiálně polarizovaným nebo s axiálně polarizovaným permanentním magnetem. Mají rozdílný počet pólů na statoru i rotoru, přičemž rotorové póly jsou tvořeny permanentními magnety.
•
Krokové motorky hybridní – slučují konstrukční principy obou předchozích typů
Obr. 1. Magnetický obvod krokového motorku s pasivním rotorem
Princip činnosti krokových motorků Funkce krokového motorku bude vysvětlena pro čtyřfázový motor s pasivním rotorem. Řez magnetickým obvodem tohoto motorku je na obr. 1. Na statoru je 8 zubů spojených jhem. Na každém zubu je cívka vinutí. Dvojice cívek navinutých na protilehlých zubech jsou spojeny a tvoří vždy jednu fázi. Celkem máme 4 fáze - označeny A, B, C, D. Rotor má na svém povrchu směrem do vzduchové mezery 6 zubů a je bez vinutí. Šířka rotorových a statorových zubů je ve . vzduchové mezeře stejná. Fáze vinutí jsou připojeny na výstupy ovladače. Ovladač řídí (přes spínací koncové prvky) buzení jednotlivých fázi vinutí v určitém pořadí (podle určitého způsobu řízení), v rytmu řídicích impulsů. V případě, že je fáze vinutí buzena, protéká příslušným vinutím budicí stejnosměrný proud.
Obr. 2. Znázornění pohybu rotoru krokového motorku s pasivním rotorem v závislosti na přepínání buzení jednotlivých fází vinutí Na obr. 2 je znázorněna situace před připojením pohonu k napájecímu zdroji. Rotor se nachází v jedné z možných náhodných poloh, která je dána zbytkovým (remanentním) magnetismem rotoru. Předpokládejme, že první kombinace sepnutí fází bude (1, 0, 0, 0), což odpovídá tomu, že fázi A teče proud, kdežto fázemi B, C, D proud neteče. Tento stav je na obr. 2a. Je vidět, že rotor se pootočí tak, aby zaujal stav minimální reluktance (minimálního magnetického odporu). Jev lze popsat také tak, že se proti statorovým pólům, které jsou buzeny (nyní pod fázi A), nastavily nejbližší rotorové zuby do souhlasné polohy. Rotor se tak nachází do doby další změny kombinace sepnutí fází v magnetické klidové poloze. Upozorněme nyní na jiný počet zubů rotoru a statoru (uvedeno výše), dochází k tomu, že se rotorové zuby nekryjí se statorovými postupně o 1/4, 1/2, 3/4 rotorové zubové rozteče. Změníme-li nyní kombinaci buzení fází z (1, 0, 0, 0) na (0, 1, 0, 0), tj. bude buzena pouze fáze B, rotor se bude snažit zaujmout takovou polohu, aby protékal maximální magnetický tok
(stav minimální reluktance)- rotor se pootočí skokem vlevo (o jeden krok). V našem případě se rotor pootočí o 1/4 zubové rozteče. Stav motoru je znázorněn nyní na obr. 2b. Při další změně kombinace buzení na stav (0, 0, 1, 0) se pootočí magnetické pole do osy statorových zubů fáze C a rotor se pootočí obdobným způsobem do nové magnetické klidové polohy, která je nyní zobrazena na obr.2c. Krokování motorku neprobíhá skokovou změnou, nýbrž podle obr. 3.
Obr. 3. Znázornění pohybu rotoru krokového motorku během jednoho kroku v závislosti na čase Rotor nejprve překývne a teprve potom se ustálí v klidové poloze. Velikost překmitu a časové ustálení kmitů rotoru závisi na momentu setrvačnosti poháněného zařízení. Dalším řídicím impulsem se změní fáze na (0, 0, 0, 1) a rotor se opět otočí o 1 krok podle obr.2d. Následujícím řídicím impulsem se nastaví kombinace buzení fází (1, 0, 0, 0), která odpovídá výchozí situaci a děj se cyklicky opakuje. Pro uvažovaný druh dosahujeme velikost kroku:
∆Φ =
2π m⋅ N
kde m je počet fází vinutí statoru a N je počet zubů rotoru. Pro výše uvedený krokový motor (viz. obr.2) je m = 4 a N = 6 odpovídá krok ∆Φ = 150 a motor tedy vykoná 24 kroků za jednu otáčku. Zvětšení počtu kroků je možné zvětšením počtu zubů rotoru, např. konstrukcí rotoru a pólových nástavců podle obr. 4. Krokový motor podle obr. 4 má opět čtyřfázový stator, tj. 8 pólů, každý pólový nástavec má 3 zuby. Na statoru je tedy 24 zubů, rotor má 30 zubů, pootočení rotoru o jeden krok je:
∆Φ =
360 = 30. 4 ⋅ 30
Krokový motor tedy vykoná 120 kroků na jednu otáčku.
Obr. 4. Princip zvětšení počtu kroků reluktančního krokového motoru
Obr. 5. Průběhy proudu při různých způsobech ovládání a) čtyřtaktní po jedné fázi, b) čtyřtaktní po dvou fázích, c) osmitaktní Časový průběh buzení fází našeho čtyřfázového motorku v závislosti na řídicím impulsu je na
obr. 5a. Je vidět, že v každé periodě řídicího signálu je magnetické pole buzeno pouze jednou ze čtyř fází vinutí.Druhý způsob řízení krokového motorku je zobrazen na obr. 5b. Při tomto způsobu řízení se budí současně vždy dvě blízké fáze: (1, 0, 0, 1), (1, 1, 0, 0), (0, 1, 1, 0), (0, 0, 1, 1). Tímto způsobem řízení se realizuje stejná velikost kroku v předchozím příkladě, neboť se pouze změní klidová magnetická poloha, která je mezi statorovými póly. Nevýhodou tohoto způsobu řízeni je dvojnásobná proudová a tím i výkonová náročnost, která má za následek větší oteplení motoru. Výhodou je zvětšení statického momentu motoru, který je v porovnání s předchozím způsobem buzení asi dvakrát větší. Oběma dosud uvedeným způsobům řízení říkáme "čtyřtaktní", protože se v nich střídají dokola čtyři možné kombinace. Třetí způsob řízení vznikne sloučením prvního a druhého způsobu řízení tak, že vložíme mezi kombinace jednofázové kombinace dvoufázové a vznikne tak "osmitaktní" způsob řízení. Časový průběh osmitaktního řízení vidíme na obr. 5c. Výhoda tohoto způsobu řízení je v tom, že zmenšíme základní velikost kroku na polovinu a získáme tak větší ,úhlové rozlišení. Protože se střídá při řízení zapojení jedné a dvou fází motorku, nutně se nám i v tomto rytmu mění velikost provozního momentu motorku, takže celkový výsledný moment bude menší než v případě čtyřtaktniho řízení po dvou fázích. Mikrokrokování
Plná délka kroku krokového motoru může být rozdělena do menších inkrementů pohybu rotoru, tento režim se nazývá mikrokrokování, respektive drobení kroku (mikrostepping, mini-steps). Budeme -li v jedné fázi postupně snižovat hodnotu budícího proudu a v sousední fázi hodnotu proudu zvyšovat, bude se výsledný vektor magnetické indukce pohybovat mezi krajními polohami, danými vybuzením jednotlivých fází. Pro dvoufázový hybridní motor je pro jeden plný krok motoru požadována rotace magnetického pole o 90° elektrických. Uvažujeme - li dále moment motoru, měnící se sinusově s polohou rotoru a mezní vazební moment úměrný proudu fází, můžeme napsat rovnice: M A = − kT ⋅ i A ⋅ sin( N ⋅ ∆Φ )
M B = −k T ⋅ i B ⋅ sin( N ⋅ ∆Φ −
π 2
)
kde kT je konstrukční konstanta motorku a iA a iB proudy v jednotlivých fázích. Při provozu s plnou délkou kroku jsou fáze buzeny kladnou nebo zápornou hodnotou proudu o velikosti I a výsledný vektor magnetického pole se pootočí o výše zmíněných ϕ = 90° elektrických. V režimu drobení kroku si tento úhel ϕ rozdělíme na n mikrokroků, pro velikost proudu jednotlivými fázemi pak platí rovnice: ⎛ k ⋅ϕ ⎞ i A = I ⋅ cos ⎜ ⎟ ⎝ n ⎠
⎛ k ⋅ϕ π ⎞ iB = I ⋅ cos ⎜ − ⎟ 2⎠ ⎝ n kde k = 0, 1, 2 …
Pro uvedený motor budeme uvažovat vykonání čtyř mikrokroků na jeden krok, pro poměry proudů bude platit následující tabulka :
Mikrokrok číslo 0 1 2
Elektrický úhel ϕ
3 4
0 22,5 45
Proud fází A iA I 0,924 I 0.707 I
Proud fází B iB 0 0,383 I 0,707 I
67,5 90
0,383 I 0
0,924 I I
Tab.l. Velikost proudu jednotlivými fázemi při mikrokrokování Hodnota mezního vazebního momentu je potom konstantní a odpovídá velikosti momentu, získaného při buzení jedné fáze velikostí proudu I. Na rozdíl od režimu plného krokování, kde je křivka momentu posunována vždy o 90°, při mikrokrokování je posunuta vždy o malý přírůstek úměrný velikosti kroku; tedy mikrokrokování nemění sklon křivky statické momentové charakteristiky a nezvětšuje tedy přesnost polohování. Výhody mikrokrokování jsou následující : • klesne zvlnění momentu se vzrůstem počtu mikrokroků. • poklesnou přirozené rezonance, protože došlo k omezení velikosti přechodových dějů mezi jednotlivými polohami kroků. • poklesne hluk úměrně ke zvětšení počtu mikrokroků. Hluk je způsobován velkými změnami proudu a následnou změnou momentu. • návrh pohonu může být upraven podle požadavků aplikace. Zde je nezbytný požadavek na přesnou velikost proudu s minimálním zkreslením pro jednotlivé fáze. • systémová účinnost je zlepšena díky lepšímu využití momentu. Mikrokrokování tedy zvětšuje citlivost krokového motoru, ale chyba polohování plynoucí ze statické momentové charakteristiky pro daný moment zátěže, zůstává stejná jako pro režim plného kroku. Pro standardní řízení na plné kroky je rovnovážná poloha kroku dosahována sesouhlasením statorových a rotorových zubů a je tedy nezávislá na velikosti proudu. Při mikrokrokování je výsledná poloha rotoru kriticky závislá na velikosti proudu tekoucí každou fází a jakákoliv chyba ve velikosti proudu je přenesena přímo do chyby polohy. Statická momentová charakteristika krokových motorků
Statická momentová charakteristika krokových motorků (obr.6) je závislost momentu motorku na napájecí frekvenci, která představuje střední hodnotu rychlosti otáčení motorku.Výrobci krokových motorků zpravidla uvádějí dvě statické charakteristiky pro daný typ motorku, z nichž jedna je jmenovitou charakteristikou, udávající doporučený zatěžovací moment v závislosti na otáčkách a druhá je charakteristika mezní, jejíž překročení znamená vypadnutí ze synchronismu, což představuje ztrátu kroku a v důsledku polohovou chybu.
Obr. 6. Statická momentová charakteristika krokového motorku Řídicí systém pro napájení krokových motorků od firmy MICROCON.
Programovatelné jednotky typu CD (viz.obr.7) obsahují řídicí þást realizovanou kontrolerem M1486 (plně programovatelné řízení krokového motoru s funkcemi malého programovatelného automatu) výkonovou část pro bipolární napájení krokového motoru s pulsní regulací proudu. Standardně jsou jednotky osazeny kontrolerem M1486E1 s vnitřní pamětí pro povely EEPROM 2 000 bitů.Povely jsou uchovány v paměti i po vypnutí napájení,bez potřeby zálohování. Kontroler je ovládán jednoduchými ASCII povely po sériové lince.Povely kontroleru jsou snadno zapamatovatelné,znakem povelu je vždy první písmeno anglického názvu povelu. Např. povel pro zadání rychlosti “Velocity ” 500 kroků za sekundu: V500. Uživatel se tak nemusí zabývat složitým programováním,ale jednoduchým zápisem povelů. Jednotky umožňují dělení celokroku - mikrokrokování, které výrazně omezuje oscilace jednotlivých kroků a rezonance při nízkých rychlostech. Realizace poháněného stroje či zařízení je díky jednoduchému ovládání velmi rychlá s možností pružného přizpůsobení případným změněným požadavkům pouhou změnou povelového souboru.
Obr.7. Programovatelné jednotky typu CD
Všechny desky typu CD mají shodnou řídicí část a liší se pouze specifickými parametry výkonové části -viz tabulka.
Kontrolní otázky
1. Princip činnosti krokových motorků, základní rozdělení, vliv konstrukčního provedení na počtu kroků. Momentová charakteristika KM. 2. Způsob řízení krokových motorků, unipolární a bipolární řízení, mikrokrokování.
