Co je to krokový motor a jak funguje

Od jednoduchého DVD přehrávače nebo tiskárny ve vaší domácnosti až po vysoce sofistikovaný CNC stroj nebo robotické rameno, krokové motory najdete téměř všude. Díky své schopnosti provádět elektronicky řízené přesné pohyby tyto motory našly uplatnění v mnoha felidech, jako jsou sledovací kamery, pevný disk, CNC stroje, 3D tiskárny, robotika, montážní roboti, laserové řezačky a mnoho dalšího. V tomto článku se naučíme, v čem jsou tyto motory speciální a v čem spočívá teorie. Naučíme se, jak použít jednu pro vaši aplikaci.

Úvod do krokových motorů

Stejně jako všechny motory mají krokové motory také stator a rotor, ale na rozdíl od běžného stejnosměrného motoru se stator skládá z jednotlivých sad cívek. Počet cívek se bude lišit podle typu krokového motoru, ale prozatím jen pochopte, že v krokovém motoru se rotor skládá z kovových pólů a každý pól bude přitahován sadou cívek ve statoru. Níže uvedený diagram ukazuje krokový motor s 8 póly statoru a 6 póly rotoru.

Pokud se podíváte na cívky na statoru, jsou uspořádány podle párů cívek, například A a A 'tvoří pár B a B' tvoří pár atd. Každý z těchto párů cívek tedy tvoří elektromagnet a mohou být napájeny jednotlivě pomocí obvodů budiče. Když je cívka pod napětím, funguje jako magnet a tyč rotoru se k ní zarovná, když se rotor otáčí, aby se přizpůsobil tak, aby se vyrovnal se statorem, se nazývá jeden krok. Podobně postupným napájením cívek můžeme motorem otáčet v malých krocích, aby došlo k úplnému otočení.

Typy krokových motorů

Existují hlavně tři typy krokových motorů založených na konstrukci, které jsou:

• Variabilní krokový motor s reluktancí: Mají rotor s železným jádrem, který je přitahován k pólům statoru a zajišťuje pohyb s minimální reluktancí mezi statorem a rotorem.
• Krokový motor s permanentními magnety : Mají rotor s permanentními magnety a jsou odpuzovány nebo přitahovány ke statoru podle aplikovaných impulzů.
• Hybridní synchronní krokový motor: Jsou kombinací variabilní reluktance a krokového motoru s permanentním magnetem.

Kromě toho můžeme také klasifikovat krokové motory jako Unipolární a Bipolární na základě typu vinutí statoru.

• Bipolární krokový motor: Statorové cívky na tomto typu motoru nebudou mít společný vodič. Pohon tohoto typu krokového motoru je odlišný a složitý a také řídicí obvod nelze snadno navrhnout bez mikrokontroléru.
• Unipolární krokový motor: U tohoto typu krokového motoru můžeme převzít středové klepání obou fázových vinutí pro společnou zem nebo pro společný výkon, jak je uvedeno níže. To usnadňuje řízení motorů, existuje také mnoho typů krokových motorů Unipolar

Dobře, takže na rozdíl od běžného stejnosměrného motoru z něj vychází pět vodičů všech efektních barev a proč je to tak? Abychom tomu porozuměli, měli bychom nejprve vědět, jak stepper, o kterém jsme již hovořili. Nejprve se krokové motory neotáčejí, krokují, a proto jsou známé také jako krokové motory. To znamená, že se budou pohybovat pouze po jednom kroku. Tyto motory mají v sobě sled cívek a tyto cívky musí být napájeny zvláštním způsobem, aby se motor otáčel. Když je každá cívka napájena, motor udělá krok a sekvence napájení způsobí, že motor bude dělat nepřetržité kroky, čímž se otáčí. Podívejme se na cívky uvnitř motoru, abychom věděli přesně, odkud tyto vodiče pocházejí.

Jak vidíte, motor má unipolární uspořádání 5-vodičových cívek. Existují čtyři cívky, které musí být napájeny v určitém pořadí. Červené vodiče budou napájeny + 5 V a zbývající čtyři vodiče budou staženy k zemi pro spuštění příslušné cívky. K napájení těchto cívek v určitém pořadí používáme jakýkoli mikrokontrolér a zajišťujeme, aby motor provedl požadovaný počet kroků. Znovu existuje mnoho sekvencí, které můžete použít, obvykle se používá 4-krok a pro přesnější ovládání lze také použít 8-krokové ovládání. Tabulka sekvencí pro čtyřstupňové řízení je uvedena níže.

Krok	Cívka pod napětím
Krok 1	A a B
Krok 2	B a C.
Krok 3	C a D
Krok 4	D a A

Proč se tedy tento motor nazývá 28-BYJ48 ? Vážně!!! Nevím. Neexistuje žádný technický důvod pro to, aby byl tento motor pojmenován; možná bychom se do toho neměli ponořit mnohem hlouběji. Podívejme se na některá důležitá technická data získaná z datového listu tohoto motoru na obrázku níže.

To je hlava plná informací, ale musíme se podívat na několik důležitých, abychom věděli, jaký typ stepperu používáme, abychom jej mohli efektivně programovat. Nejprve víme, že se jedná o 5V krokový motor, protože napájíme červený vodič 5V. Potom také víme, že se jedná o čtyřfázový krokový motor, protože měl v sobě čtyři cívky. Nyní je převodový poměr uveden na 1:64. To znamená, že hřídel, kterou vidíte venku, provede jedno úplné otočení, pouze pokud se motor uvnitř otáčí 64krát. Je to proto, že ozubená kola, která jsou spojena mezi motorem a výstupním hřídelem, pomáhají při zvyšování točivého momentu.

Dalším důležitým údajem je Stride Angle: 5,625 ° / 64. To znamená, že motor, který pracuje v 8krokové sekvenci, se bude pohybovat o 5 625 stupňů pro každý krok a bude trvat 64 kroků (5 625 * 64 = 360) k dokončení jedné plné rotace.

Výpočet kroků na otáčku krokového motoru

Je důležité vědět, jak vypočítat počet kroků na otáčku vašeho krokového motoru, protože pouze tehdy jej můžete efektivně programovat / řídit.

Předpokládejme, že budeme motor provozovat ve 4krokové sekvenci, takže úhel kroku bude 11,25 °, protože je to 5 625 ° (uvedené v datovém listu) pro 8krokovou sekvenci, bude to 11,25 ° (5,625 * 2 = 11,25).

Kroky na otáčku = 360 / úhel kroku Zde 360 ​​/ 11,25 = 32 kroků na otáčku.

Proč potřebujeme moduly ovladačů pro krokové motory?

Většina krokových motorů bude fungovat pouze pomocí modulu ovladače. Důvodem je to, že řídicí modul (mikrokontrolér / digitální obvod) nebude schopen poskytnout dostatek proudu ze svých I / O pinů pro provoz motoru. Jako ovladač krokového motoru tedy použijeme externí modul, jako je modul ULN2003. Existuje mnoho typů modulů ovladače a hodnocení jednoho se bude měnit podle typu použitého motoru. Primárním principem pro všechny budicí moduly bude zdroj / odběr dostatečného proudu pro provoz motoru. Kromě toho existují také moduly ovladačů, které mají předem naprogramovanou logiku, ale zde o tom nebudeme hovořit.

Pokud jste zvědaví, jak otáčet krokový motor pomocí nějakého mikrokontroléru a ovladače IC, pak jsme se zabývali mnoha články o jeho provozu s různými mikrokontroléry:

• Propojovací krokový motor s Arduino Uno
• Propojovací krokový motor s STM32F103C8
• Propojovací krokový motor s mikrokontrolérem PIC
• Propojovací krokový motor s MSP430G2
• Rozhraní krokového motoru s mikrokontrolérem 8051
• Ovládání krokového motoru s Raspberry Pi

Nyní věřím, že máte dostatek informací k ovládání jakéhokoli krokového motoru, který pro svůj projekt potřebujete. Pojďme se podívat na výhody a nevýhody krokových motorů.

Výhody krokových motorů

Jednou z hlavních výhod krokového motoru je, že má vynikající řízení polohy, a proto jej lze použít pro přesnou aplikaci řízení. Také má velmi dobrý přídržný moment, což z něj činí ideální volbu pro robotické aplikace. Krokové motory se také považují za motory s delší životností než běžné stejnosměrné nebo servomotory.

Nevýhody krokových motorů

Stejně jako všechny motory mají i krokové motory své vlastní nevýhody, protože se otáčejí malými kroky a nemohou dosáhnout vysokých rychlostí. Také spotřebovává energii k udržení točivého momentu, i když je ideální, čímž zvyšuje spotřebu energie.