Krokový motor je elektromechanické zariadenie, ktoré premieňa elektrickú energiu na mechanickú. Konštrukčne sa jedná sa o bezkartáčový synchrónny elektromotor, ktorý dokáže rozdeliť celú rotáciu na rozsiahly počet krokov. Polohu motora je možné presne ovládať bez spätnoväzbového mechanizmu, pokiaľ je motor starostlivo dimenzovaný pre danú aplikáciu. Krokové motory sú podobné spínacím reluktančným motorom.

Krokový motor využíva sériu magnetov na to, aby hriadeľ motora otočil o presnú vzdialenosť, keď je k dispozícii impulz. Stator má osem pólov a rotor má šesť pólov. Rotor bude preto vyžadovať 24 elektrických impulzov na to, aby sa presunul o 24 krokov, teda aby sa urobila jedna úplná rotácia. Ďalším spôsobom, ako to povedať je, že rotor sa bude pohybovať presne v kroku 15° pre každý impulz, ktorý motor dostane.

Obrazok znázorňujúci vnútro krokového motora s usporiadaní cievok statora (1 - 8) a detailom rotora.

Typy krokových motorov

Existujú tri hlavné typy krokových motorov, ktorými sú:

• Krokový motor s permanentným magnetom
• Hybridný synchrónny krokový motor
• Variabilný krokový motor

Krokový motor s permanentným magnetom: Motory s permanentným magnetom používajú permanentný magnet (PM) v rotore a pôsobia na príťažlivosť alebo odpudzovanie medzi rotorom s PM a statorovými elektromagnetmi.

Hybridný synchrónny krokový motor: Hybridnými sú pomenované preto, lebo na dosiahnutie maximálneho výkonu v malom balení používajú kombináciu techník s permanentným magnetom (PM) a variabilnou reluktanciou (VR).

Krokový motor s variabilnou reluktanciou: Motory s variabilnou reluktanciou (VR) majú rotor zo železa a fungujú na princípe, že minimálna reluktancia nastáva s minimálnou medzerou, a preto sú body rotora priťahované k pólom magnetu statora.

Výhody krokového motora:

• Uhol natočenia motora je úmerný vstupnému impulzu.
• Motor má pri zastavení plný krútiaci moment.
• Presné umiestnenie a opakovateľnosť pohybu, pretože dobré krokové motory majú presnosť 3 - 5% kroku a táto chyba nie je kumulatívna z jedného kroku na druhý.
• Vynikajúca reakcia na štart, zastavenie a spätný chod.
• Vysoká spoľahlivosť, pretože v motore nie sú žiadne kontaktné kefy. Životnosť motora jednoducho závisí od životnosti jeho ložiska.
• Odozva motora na digitálne vstupné impulzy poskytuje riadenie v otvorenej slučke, vďaka čomu je riadenie motora jednoduchšie a lacnejšie.
• Je možné dosiahnuť synchrónne otáčanie s veľmi nízkou rýchlosťou so záťažou, ktorá je priamo spojená s hriadeľom.
• Je možné realizovať širokú škálu rýchlostí otáčania, pretože rýchlosť je úmerná frekvencii vstupných impulzov.

Aplikácie:

• Priemyselné stroje - Krokové motory sa používajú v automobilových meradlách a automatizovaných výrobných zariadeniach a CNC obrábacích strojov.
• Bezpečnosť - nové produkty sledovania pre bezpečnostný priemysel - presné natáčanie kamerových systémov.
• Zdravotníctvo - Krokové motory sa používajú vo vnútri lekárskych skenerov, vzorkovačov a nachádzajú sa tiež v digitálnej dentálnej fotografii, tekutinových pumpách, respirátoroch a prístrojoch na analýzu krvi.
• Spotrebná elektronika - Krokové motory vo fotoaparátoch na automatické zaostrovanie.

Prevádzka krokového motora

Krokové motory pracujú inak ako motory s jednosmerným prúdom, ktoré sa otáčajú, keď je na ich svorky pripojené napätie. Krokové motory majú na druhej strane efektívne viaczubé elektromagnety usporiadané okolo centrálneho statora v tvare ozubeného kolesa. Elektromagnety sú napájané externým riadiacim obvodom, napríklad mikrokontrolérom.

Obrázok zapojenia ovládania krokového motora.

Aby sa hriadeľ motora otočila, je najskôr napájaný jeden elektromagnet, vďaka ktorému sú zuby prevodu magneticky priťahované k zubom elektromagnetu. Bod, keď sú zuby ozubeného kolesa takto zarovnané s prvým elektromagnetom, sú mierne posunuté od nasledujúceho elektromagnetu. Takže keď je ďalší elektromagnet zapnutý a prvý je vypnutý, ozubené koleso sa mierne pootočí, aby sa vyrovnalo s nasledujúcim elektromagnetom, a odtiaľ sa postup znova opakuje. Každá z týchto miernych rotácií sa nazýva krok, pričom celý počet krokov vedie k úplnej rotácii. Týmto spôsobom je možné motor presne otočiť. Krokový motor sa netočí nepretržite, otáča sa po krokoch. Na statore sú upevnené 4 cievky s 90° uhlom medzi sebou. Pripojenia krokového motora sú určené spôsobom vzájomného prepojenia cievok. V krokovom motore nie sú cievky spojené. Motor má krok otáčania 90°, pričom cievky sú napájané v cyklickom poradí, čo určuje konečný smer otáčania hriadeľa. Cievky sa aktivujú sériovo v 1-sekundových intervaloch. Hriadeľ sa otáča o 90° pri každej ďalšej aktivácii cievky. Jeho krútiaci moment pri nízkych otáčkach sa bude meniť priamo podľa prúdu.

Konštrukcia krokového motora

Detailný rez krokovým motorom s popisom jeho konštrukčných častí.

Ovládanie krokového motora striedaním impulzov

Ovládací obvod krokového motora je jednoduchý a lacný obvod, ktorý sa používa hlavne v aplikáciách s nízkym výkonom. Obvod je znázornený na obrázku nižšie, ktorý pozostáva z jednoduchého časovača 555 v zapojení ako astabilný multivibrátor. Frekvencia sa vypočíta pomocou nižšie uvedeného vzťahu:

Frekvencia = 1 / T = 1,45 / (RA + 2RB) C, kde RA = RB = R2 = R3 = 4,7 kiloohmu a C = C2 = 100 uF.

Obrázok ovládania krokového motora striedaním impulzov

Výstup časovača sa používa ako výstup signálu pre dva 7474 duálne klopné obvody „D“ (U4 a U3) nakonfigurované ako kruhový čítač. Keď je napájanie na začiatku zapnuté, nastaví sa iba prvý klopný obvod (tj. Výstup Q na pine 5 U3 bude v logike „1“) a ďalšie tri klopné obvody sa resetujú (tj. Výstup Q je v logike 0). Po prijatí hodinového impulzu sa logický výstup „1“ prvého klopného obvodu prevedie na druhý klopný obvod (pin 9 na U3). Logický výstup 1 sa tak neustále posúva kruhovo s každým hodinovým impulzom. Q výstupy všetkých štyroch klopných obvodov sú zosilnené Darlingtonovými tranzistorovými pármi vo vnútri ULN2003 (U2) ktoré pripojené k vinutiam krokového motora oranžová, hnedá, žltá, čierna na 16, 15,14, 13 ULN2003 a červená na + pól napájania.

Spoločný bod vinutia je pripojený k zdroju + 12V DC, ktorý je tiež pripojený k pinu 9 ULN2003. Farebné označenie vodičov používaný pre vinutia sa môže líšiť od značky po značku. Keď je napájanie zapnuté, riadiaci signál pripojený k pinu SET prvého klopného obvodu a pinom CLR ostatných troch klopných obvodov je aktívny „nízky“ (z dôvodu zapnutia / vypnutia obvodu vytvoreného obvodom R1- Kombinácia C1) na nastavenie prvého klopného obvodu a vynulovanie zvyšných troch klopných obvodov. Po resetovaní bude Q1 na IC3 „vysoký“, zatiaľ čo všetky ostatné Q výstupy budú mať stav „nízky“. Externý reset je možné aktivovať stlačením resetovacieho spínača. Stlačením resetovacieho spínača môžete zastaviť krokový motor. Uvoľnením resetovacieho spínača sa motor opäť začne otáčať v rovnakom smere.