10 tipů jak vybrat krokový motor

Jak vybírat krokový motor? Jaké jsou jeho výhody a nevýhody?

Volba krokového pohonu má oproti servopohonu určité výhody, jmenovitě cenu. Pokud se krokový motor pro požadovanou funkci hodí, zvažte jeho použití – ale nejprve si přečtěte tyto odborné tipy a postupy, jak ho vhodně vybrat.

1. Seznamte se se čtyřmi nejrozšířenějšími mýty o mikrokrokování.
1. mýtus: Velký počet mikrokroků znamená rovnoměrně rozložení kroků při daném počtu.

Mikrokrokování je vhodné pro plynulý pohyb. Ale to, že máte ovladač s 256 mikrokroky na jeden krok, neznamená automaticky, že při tomto počtu mikrokroků dosáhnete s motorem 256 rovnoměrných posunů. 2. mýtus: Poloviční krok dává větší krouticí moment než mikrokrokování.

Poloviční krok představuje hrubou aproximaci sinusového průběhu proudu, kdežto mikrokroky nabízejí lepší aproximaci sinusového průběhu buzení; plocha pod křivkou se výrazně nemění, a proto je moment stejný. 3. mýtus: Plný krok dává větší krouticí moment než poloviční krok.

Plný krok s plným sepnutím obou fází motoru najednou dává větší moment než běh se stejným maximálním proudem na fázi při polovičním kroku nebo mikrokrokování. Krokový motor je však omezován vznikem tepla. Použití průběhu pro poloviční krok nebo mikrokrokování při vyšším špičkovém proudu (krát ?2) proto zajišťuje hladší pohyb se stejným krouticím momentem, ohřevem a spotřebou jako v režimu plného kroku. 4. mýtus: Servopohon je lepší než krokový motor.

Servo poběží plynuleji než krokový motor. Krokový motor však bude přesně dodržovat naprogramovanou trajektorii, zatímco u servomotoru tomu tak nemusí být kvůli odchylkám, které mohou kolísat podle rušení.

2. Určete požadavky na zatížení.
Nejprve určete typ zátěže. Jedná se o setrvačnou zátěž, nebo o zatížení třením? Pokud jde o čistě setrvačnou zátěž, použijte nějaký druh převodu, aby zatěžovací moment odpovídal momentu motoru. Pomocí přístroje změřte sílu potřebnou ktomu, aby se zátěž pohybovala požadovanou rychlostí a s požadovaným zrychlením. Sílu na lineární ose můžete změřit například pružinovými váhami a rotační sílu měřičem kroutícího momentu.
Zadruhé určete napájecí napětí aplikace. Potom vyberte krokový motor s nejméně dvojnásobným krouticím momentem oproti požadovanému momentu při cílové provozní rychlosti, a použijte motor s jmenovitou hodnotou odpovídající cca 1 napájecího napětí. Potom zjistěte budicí proud potřebný k získání cílového momentu motoru. Podle této hodnoty vyberte ovladač krokového motoru.

3. Mějte na paměti možné problémy s kroutícím momentem.
Základní příčinou mnoha problémů s krokovými motory bývá často krouticí moment. Mezi dva relativně časté případy patří:
Nedostatečný moment v určitých otáčkách: Většina krokových motorů má vinutí a konstrukci, které zajišťují optimální úroveň výkonu v určitém rozsahu otáček. Pokud použijete vysokootáčkový motor v nízkootáčkové aplikaci, je víc než pravděpodobné, že i přes obrovský odběr bude docházet k přetížení motoru kvůli nedostatečnému krouticímu momentu. Při použití nízkootáčkového motoru ve vysokootáčkové aplikaci budou výsledky obdobné.
Rozdílná setrvačnost: Motory nedokážou rychle akcelerovat, pokud se liší setrvačnost motoru a zátěže. Klíčem je zvolit velikost motoru, která se velmi blíží velikosti zátěže. V opačném případě bude mít motor problém těžkou nestabilní zátěž urychlit a při příliš prudké akceleraci by mohlo snadno dojít k přetížení systému. Na druhou stranu při připojení motoru s příliš velkým momentem může systém rezonovat a způsobovat nadměrný hluk, trhaný pohyb nebo nepřesné kroky. Při nedostatečné tíze zátěže, která by odůvodnila použití motoru s vysokým momentem, se kvůli rezonanci motoru všechno zesiluje.

4. Zvažte potřebné hodnoty napětí a proudu.
Jednoduchým způsobem, jak vybrat krokový pohon, je podívat se na čtyři věci – napětí, proud, mikrokrokování a maximální frekvenci kroků. Pohon by měl zvládat široký rozsah hodnot proudu, abyste mohli systém otestovat při různých úrovních napětí vyhovujících vaší aplikaci. Výstupní proud budiče by měl být minimálně 1,4násobkem jmenovitého proudu motoru. Vyberte budič, který disponuje několika rozlišeními kroků, abyste mohli otestovat různá nastavení mikrokrokování, a zajistit tak nejplynulejší pohyb. Nakonec zkontrolujte, jestli budič dokáže přijímat dostatečný počet krokovacích impulsů, aby se motor otáčel požadovanou rychlostí. Budiče jsou občas omezeny nějakou nízkou hodnotou, například 10kHz. Pokud byste chtěli použít mikrokrokování po 8 mikrokrocích při úhlu kroku 1,8°, maximální počet otáček za sekundu je 10000/(8 × 200) = 6,25 ot./s.

5. Použijte správné napětí.
Mikrokrokování může zvýšit rozlišení systému, což zvyšuje plynulost otáčení a zabraňuje vibracím a hluku. Pokud je však na budič s pulsně šířkovou modulací (PWM) neboli přerušovací budič (chopper drive) přivedeno nesprávné napětí, nastanou problémy. Ohledně těchto budičů dostáváme mnoho dotazů. Pokud má například motor jmenovité napětí 5V, mnoho uživatelů se diví, proč musejí použít vyšší hodnoty napětí. Také se diví, proč ani po přechodu na PWM/přerušovací budič nedosahují vyššího výkonu. Konstruktéři při použití krokových motorů a pohonů občas zapomínají na základy teorie motorů, jako jsou zpětné elektromotorické napětí a elektrické časové konstanty. Výsledkem je nesprávně specifikovaný krokový motor nebo budič a motor, kterým se v aplikaci nedostává síly (napětí a/nebo proudu).

6. Pochopte cíl mikrokrokování.
Pokud konstruktér nechápe účel mikrokrokování, může vzniknout řada problémů. Hlavním účelem je zvýšit plynulost chodu motoru vyhlazením rázů krokování, a tím zvýšit spolehlivost provozu. Při nesprávném použití mikrokrokování můžete ve skutečnosti výrazně snížit dostupný moment, který motor dokáže vyvinout. V takovém případě je obvykle potřeba mnohem větší motor, než by bylo jinak nutné. Ti, kdo nerozumí správnému použití mikrokrokování, ho raději nepoužívají, a volí místo toho systémy se servomotory, které přinášejí zbytečnou složitost a náklady. Konstruktéři také někdy dokončí mechanickou konstrukci a pak se pokoušejí zamaskovat nebo utlumit vibrace systému. Když konstruktér zvolí špatný krokový motor, nebude motor schopný pohnout hmotností zátěže. Vyberte motor nejen podle hmotnosti zátěže, ale také podle chování mechanismu při tření.

7. Zvolte správnou kombinaci motoru a ovladače.
Nevěřte tomu, že motor dosáhne jmenovitých otáček a krouticího momentu z technického listu, když ho doplníte libovolným ovladačem. Podobně jako u servomotoru závisí moment při nulových otáčkách, jmenovitý moment a jmenovité otáčky stejně tak na správné kombinaci ovladače a motoru jako na dostupném napětí a proudu.
Nejspolehlivějším vodítkem je momentová charakteristika (křivka závislosti otáček a momentu) s odpovídajícím ovladačem. Pamatujte také, že moment motoru při nulových otáčkách nevypovídá nic o momentu, který může vyvinout v pohybu – zvlášť při zrychlování a zpomalování s vyšším momentem.
Zvažte určení správné velikosti motoru a ovladače na základě spolehlivých momentových charakteristik pomocí softwarového programu. Zvolte ovladač, který odpovídá dostupnému napětí sběrnice a má požadované vlastnosti; potom vyberte motor, který nabízí požadovanou momentovou charakteristiku – mimo rezonanční frekvenci stroje – s použitím momentových charakteristik dané kombinace motoru a ovladače.

8. Zvolte správnou velikost motoru.
Volba nesprávné velikosti se projeví mnoha způsoby. Poddimenzování motoru bude mít za následek přinejmenším přehřívání, nedostatečné zrychlování a zpomalování a špatný výkon. Přinejhorším bude u motoru docházet ke ztrátě impulsů, nesprávnému polohování nebo celkovému přetížení při velké zátěži nebo prudkém zrychlování nebo zpomalování.
Předimenzování motoru povede k jeho hlučnějšímu běhu a vzniku většího elektromagnetického/vysokofrekvenčního rušení. Může to také vést k tomu, že uživatelé zaplatí za motor a ovladač víc, než je potřeba, a to penězi i prostorem.
Zásadní je i správné sladění momentu setrvačnosti zátěže a rotoru, protože se v zásadě jedná o systém s otevřenou smyčkou. Ani při doplnění o enkodér nemůže být rozdíl mezi momenty setrvačnosti větší než jeden řád. Při větším rozdílu bude u motoru docházet ke ztrátě impulsů, chybnému polohování, nadměrnému odběru proudu, nebo dokonce přetížení.

9. Rozumějte podmínkám přetížení.
Volba špatného krokového pohonu může vést ke vzniku podmínek přetížení, které se liší od úplného zastavení rotoru. Motory se mohou ve skutečnost protočit o pár pólů, ale i nadále pohybovat zátěží, nebo se mohou v některých případech přetočit, pokud se od nich požaduje vzhledem k setrvačné zátěži příliš prudké zastavení. Enkodér použitý jako zařízení zajišťující zpětnou vazbu může tento stav po vykonání požadovaného pohybu nahlásit a/nebo napravit, ale nemůže mu zabránit. I s enkodérem zůstává krokový motor ve své podstatě systémem s otevřenou smyčkou.

10. Používejte krokové motory k dosažení finanční úspory, ale dělejte to chytře.
Krokové pohony nabízejí vždy nejlevnější řešení, a proto použijte krokový motor všude tam, kde je to na místě. Pamatujte na tyto hlavní zřetele: Zaprvé, vyžaduje systém potvrzení polohy? Zadruhé: Špatný krokový pohon může způsobovat drnčení, rezonanci a špatnou funkci při nízkých otáčkách. Zatřetí, při vysokých otáčkách mohou krokové motory hvízdat. Protože mají krokové pohony vysoký počet pólů, jsou při vysokých otáčkách běžné i hysterezní ztráty a ztráty způsobené vířivými proudy; z těchto důvodů se krokový motor nedoporučuje pro nepřetržitý provoz při otáčkách nad 2000 ot./min. Konečně, vzhledem k tomu, že k vytvoření přídržného momentu je potřeba maximální proud, mohou se stojící krokové motory zahřívat.