Krokový motor — DriveLab

Tohle je statická kopie kapitoly pro vyhledávače. Interaktivní verze má animované obrázky, kontrolní otázky a tlačítka, která příklad načtou do kalkulačky.

9. Krokový motor

Krokový motor je synchronní stroj s velmi mnoha póly, který se provozuje bez zpětné vazby. To je jeho jediná výhoda a zdroj všech jeho zvláštností.

Geometrie

Hybridní motor s krokem 1,8° má na rotoru 50 zubů a jeden krok je čtvrtina zubové rozteče. Z toho plyne 200 kroků na otáčku a — což je pro výpočet důležitější — elektrická frekvence:

f_el = N_zubů · n60 N_zubů = kroků na otáčku4Oriental Motor

Při 600 ot/min je to už 500 Hz. Právě tahle frekvence, ne mechanické otáčky, rozhoduje o tom, kdy motor přestane stíhat.

Proč moment padá s otáčkami

Vinutí je indukčnost. Aby v něm byl jmenovitý proud, musí měnič překonat odpor, indukované napětí a induktivní reaktanci:

U = √( (I·R + E)² + (ω_el·L·I)² ) E = k_e·ω

Konstantu k_e lze získat z držného momentu energetickou bilancí: dvě fáze buzené sinusově dodají E·I mechanického výkonu, takže k_e = T_h/I_jm. Řešení téhle rovnice pro I dává celou křivku momentu.

Spočítáno z téhož modelu, který pohání kalkulačku, pro jeden motor NEMA 23 (1,9 N·m, 2,8 A, 0,9 Ω, 3,8 mH) na třech napětích. Do zlomové rychlosti chopper drží jmenovitý proud a moment je plný. Za ní už vinutí proud nestíhá přijmout a moment padá. Napětí tu kupuje výhradně otáčky — držný moment je u všech tří stejný.

Zlomová rychlost 509 1/min · absolutní strop 675 1/min · pravidlo 32·√L dovolí 62 V
Zvyš napětí a zlom se posune doprava, ale držný moment se nehne — napětí u krokového motoru kupuje jen otáčky. Zvyš indukčnost a zlom se přitáhne zpátky: vinutí prostě nestíhá přijmout proud.

Zvyš napětí a zlomová rychlost se posune doprava — ale držný moment vlevo se nehne ani o kousek. Zvyš indukčnost a zlom se přitáhne zpátky. Přesně tohle znamená „napětí kupuje u krokového motoru jen otáčky".

Do zlomové rychlosti chopper proud udrží a moment je plný. Za ní už ne a moment padá zhruba s 1/ω, tedy při konstantním výkonu. Nakonec, když samotné indukované napětí dosáhne napájecího, motor se nemůže točit vůbec.

Napětí je jediné, čím se u krokového motoru kupují otáčky. Držný moment na napětí nezávisí vůbec. Zjednodušený odhad zlomu, U/(2π·L·I), zanedbává indukované napětí, a je proto optimistický — kalkulačka počítá celou rovnici a oba údaje ukazuje vedle sebe. Horní mez napájení dává empirické pravidlo výrobců měničů: U ≤ 32·√L [mH], jinak zvlnění chopperu motor zbytečně hřeje.

Mikrokrokování

Mikrokrokování dělí krok na jemnější polohy tím, že se proud mezi fázemi rozdělí podle sinu a kosinu. Co dělá a co nedělá:

Dělá: výrazně tišší a hladší chod, méně buzení rezonancí, jemnější rozlišení požadované polohy.
Nedělá: nezvyšuje přesnost polohy — tu určuje geometrie rotoru a zátěžný úhel. A přírůstek momentu na jeden mikrokrok klesá s jemností dělení, takže velmi jemné mikrokrokování polohu jistě nedodrží proti tření.
Nemění: vytahovací (pull-out) moment zůstává zhruba stejný.

Jak ho dimenzovat

Protože není zpětná vazba, ztráta kroku je tichá a nevratná — poloha se už nikdy sama nenajde. Proto se dimenzuje s rezervou, která by u servopohonu byla plýtvání:

Využívej nejvýš 50 % momentu, který má motor při daných otáčkách (ne držného!).
Poměr setrvačností drž do 10 : 1; absolutní strop bývá 30 : 1.
Počítej s tím, že motor hřeje i vestoje — proud teče pořád. To je proti všemu ostatnímu v téhle učebnici a je to nejčastější příčina přehřátí.
Vyhni se pásmu rezonance kolem 100–200 Hz elektricky, nebo jím projeď rychle.

9. Krokový motor

Geometrie

Proč moment padá s otáčkami

Mikrokrokování

Jak ho dimenzovat

Vzorce v této kapitole