Aktuální vydání

celé číslo

01

2024

Automatizace skladování, logistiky a manipulace s materiálem

Programovatelné automaty, průmyslové počítače, jednotky I/O, bezpečnostní systémy

celé číslo

Krokové motory s ovladači

číslo 8/2006

Krokové motory s ovladači

Moderní automatizační technika vyžaduje ve stále větší míře zařízení schopná rychle a přesně nastavovat polohu mechanických systémů. Požadavkům vyhovují, díky extrémně malým setrvačným hmotám a velkým krouticím momentům, elektrické servomotory. Nejprve se začaly používat stejnosměrné servomotory. Ty jsou však postupně nahrazovány střídavými synchronními motory, které jsou mechanicky robustnější a velmi dobře regulovatelné. Pro servomotory je typické průběžné porovnávání skutečné polohy rotoru s požadovanou polohou, takže pohony z nich sestavené musí být provozovány v uzavřeném regulačním obvodu. K tomu jsou třeba kvalitní senzory polohy a odpovídající obvody pro řízení servosmyčky.

V mnoha pohonech však dostačují motory, které vyvozují krokový pohyb. Nejčastěji se s malými krokovými motory lze setkat v kancelářské technice (PC, tiskárny, faxy atd.), projekční technice a v lékařských přístrojích, kde je jejich použití nesporné. Tento článek je však zaměřen spíše na větší krokové motory – s výkonem od 50 W nahoru – používané v průmyslu, především v balicích, tiskařských, dřevoobráběcích a manipulačních strojích.

Vlastnosti krokových motorů

Krokové motory jsou synchronní elektrické točivé stroje s relativně malým momentem setrvačnosti rotoru a velmi malými mechanickými a elektrickými časovými konstantami. Mají většinou vyniklé statorové póly, jejichž vinutí je cyklicky buzeno proudovými impulsy. Tím vzniká skokově rotující magnetické pole, po krocích sledované rotorem s trvalým magnetem.

K mechanickému kontaktu, a tudíž otěru nedochází u krokových motorů jinde než v ložiskách. Vyznačují se proto velkou mechanickou odolností, dlouhou dobou života a provozem téměř bez údržby.

Nevýhodou krokových motorů je „ztráta„ kroků, která nastává při překročení mezního zatížení, a sklon k mechanickému zakmitávání, které může vést k nestabilitě při pohybu. Obě tyto negativní vlastnosti lze předem vyloučit volbou vhodného motoru a ovladače s přihlédnutím k momentových charakteristikám pohonu a dalším doporučením výrobce.

Krokové motory pro široké použití

Důležitým předpokladem úspěchu na trhu je odpovídající úroveň technické podpory prodeje. Společnost Enika, spol. s r. o., která v ČR a SR výhradně zastupuje japonského výrobce motorů Sanyo Denki Ltd. (SD) a italského výrobce ovladačů R. T. A. s. r. l. (RTA), pojímá tuto záležitost tak, že nabízí co nejmenší počet modelů pokrývajících co možná nejširší oblast použití. Pro vybraný motor je k dispozici ovladač, který si zájemce může vypůjčit.

Obr. 1.

Obr. 1. Momentová charakteristika motoru SM 2863 s ovladačem RTA MIND B3

Dosavadní rozsáhlý sortiment krokových motorů od firmy SD byl proto zúžen na nové typy hybridních motorů (spojujících výhody motorů s trvalým magnetem a reluktančních motorů), které se vyznačují lepšími poměry krouticího momentu k setrvačné hmotě a výkonu k ceně. K dispozici jsou standardní velikosti: palcové od 1,7 do 4,2" a metrické 50 a 60 mm (podle příruby). Tomu odpovídá rozsah krouticích momentů od 0,37 do 24,60 N·m. V letošním roce firma SD dodává novou řadu motorů SM28 (obr. 1).

Ovladače pro krokové motory

Ovladače od firmy RTA jsou určeny především pro dvoufázové motory se čtyřmi, šesti nebo osmi vývody. Jsou navrženy jako bipolární se šířkově modulovaným (PWM) přepínačem, označovaným jako H-můstek. Impulsy generuje oscilátor (chopper). Po dobu zapnutí teče proud drahou 1. Během doby vypnutí je dráha proudu závislá na funkci ovladače. Při mikrokroku se používá dráha 2 (přes tranzistor a diodu) a při polovičním kroku, kvůli vyšší rychlosti, teče proud drahou 3 přes obě diody. Všechny tranzistory jsou zavřené.

Typické počty při mikrokrokování jsou 400, 800, 1 600 a 3 200 nebo 500, 1 000, 2 000 a 4 000 kroků/otáčku. Mikrokrokováním a elektronickým tlumením rezonancí se dosahuje plynulého otáčení rotoru bez rušivých efektů (akustický hluk, mechanické vibrace).

Všechny vstupy ovladačů jsou rozdílové, s galvanickým oddělením prostřednictvím optoelektronických členů. Je-li motor v klidu, automaticky klesá napájecí proud, popř. lze vnějším logickým signálem proud do motoru úplně vypnout. Ovladače mají ochrany před zkratem na výstupu, při přepětí či podpětí napájení a při překročení mezní teploty.

Obr. 2.

Obr. 2. Principiální schéma ovladače krokového motoru

Funkčně výkonnější provedení mají rozhraní RS-232 a nebo RS-485 s možností připojit několik ovladačů na jednu linku. K dispozici je i software nabízející různé typy instrukcí, příkazů, datových požadavků, odpovědí a potvrzovaných zpráv. Pro každý z šestnácti ovladačů lze vytvořit a uložit samostatný program, který je možné ovládat instrukcemi přenášenými po sériové sběrnici.

Mechanicky jsou ovladače provedeny buď jako deska plošného spoje s chladičem (rozměry 101 × 94 × 25 mm) a I/O konektory, upevněná šrouby v rozích, nebo deska plošného spoje (100 × 160 mm) v rámu, nebo je ovladač umístěn v kovovém pouzdru (180 × × 173 × 53 mm), které se přišroubuje na stěnu do rozváděče. Motorek, napájení a řídicí signály se připojují prostřednictvím svorkovnice. Obchodní označení těchto verzí jsou SDC, GMD a MIND.

Každý ovladač má pulsní vstup, vstup pro volbu směru otáčení motoru, vstup pro vypnutí proudu, alespoň dva výstupy a výstupy se stavovou informací. Vždy jde o dvouhodnotové signály.

Způsob generování řídicích signálů většinou závisí na způsobu použití. Signály lze vytvářet v programovatelném automatu nebo průmyslovém PC, naprogramovat do ovladače (MIND S) a nebo lze použít některou z volitelných karet od firmy RTA, která nabízí:

  • konvertor sledu impulsů na rampu s nastavením parametrů rampy prostřednictvím přepínačů (RMM 36),
  • generátor parabolické rampy (RAMP 20),
  • generátor velmi rychlé rampy (FFM).

Nové a speciální ovladače

Společnost Enika může dodat i napájecí zdroje pro ovladače. Zde je však třeba upozornit, že firma RTA uvádí nyní na trh jako novinku ovladač, který se připojuje přímo na síť 230 V AC. Jeho obchodní označení je X-MIND.

Obr. 3.

Obr. 3. Programovatelný ovladač MIND T (k připojení ke sběrnici)

Pro vývoj nových zařízení s krokovými motory nabízí společnost Enika ovladač MIND T, generační pokračování ovladače MIND S. Jde o přístroj použitelný jak k ladění vývojových úloh, tak i jako úplný ovladač s naprogramovaným řízením. Při použití vestavěného rozhraní RS-485 umožňuje vytvořit sériovou sběrnici až pro 48 účastníků (obr. 3).

Ovladač MIND T nabízí např. tyto instrukce:

  • indexovaný běh s definovanou rampou (počet kroků, směr otáčení, kmitočet, hodnoty zrychlení či zpomalení),

  • volný běh s definovanou rampou (počet kroků není definován, ostatní parametry zůstávají),

  • indexovaný běh bez definované rampy,

  • volný běh s rampou se zastavením v definované poloze s použitím senzoru přiblížení,

  • nastavení výstupů, časové prodlevy, nulové hodnoty a podmíněného skoku.

Obr. 4.

Obr. 4. Ovladače řady Hi-Mod mají kovová pouzdra a umísťují se přímo na motory

Dále jsou k dispozici instrukce pro řízení v otevřené i uzavřené smyčce a absolutní čítač s nulováním.

Příkazy mohou být aktivovány jak hardwarově (vstupy), tak softwarově. Jsou to např. zastavení volného běhu, nouzové zastavení a vypnutí či zapnutí proudu do motoru.

Pro distribuované řízení je určena nová řada ovladačů Hi-Mod, které se umísťují přímo na motor (obr. 4). Jsou k dispozici ve čtyřech variantách:

  • B: jednoduché řízení (krokování, směr) bez komunikace,
  • C: komunikace prostřednictvím protokolu CANopen při používání známých standardních příkazů,
  • D: stejná jako C, navíc je přidán inkrementální senzor,
  • S: komunikace prostřednictvím RS-485 (vlastní protokol), paměť pro program.

Dimenzování pohonů s krokovými motory

Závěrečná poznámka se týká dimenzování krokových motorů.

Obr. 5.

Obr. 5. Momentová charakteristika motoru SM 2863 s novým ovladačem X-MIND B6 (napájení 230 V AC)

Správně zvolit krokový motor, a to jak z hlediska technického, tak i finančního, lze pouze při znalosti těchto údajů:

  • mechanických vlastností zařízení, jako jsou např. třecí síly, pohybující se setrvačné hmoty, kinematika pohybu, rychlost, zrychlení, doba potřebná k provedení požadovaného pohybu, frekvence (perioda) opakování pohybu atd.,

  • parametrů ovladače motoru, nejčastěji v podobě rozpětí napájecího napětí a rozpětí výstupního proudu.

Velikost a průběh krouticího momentu pohonu nezávisí jen na samotném motoru, ale do značné míry i na použitém ovladači. Tentýž motor může pracovat s různými ovladači, při jejichž výběru se bere v úvahu jak požadovaný výkon, tak i cena zařízení: čím levnější je ovladač, tím „měkčí„ je průběh momentové charakteristiky.

Pro porovnání s průběhem na obr. 1 je na obr. 5 ukázána momentová charakteristika téhož standardního motoru SM 2863 od firmy SD s novým ovladačem RTA X-MIND (s inovovaným ošetřením přechodových stavů H-můstku). Je patrné, že charakteristika pohonu s novým ovladačem má podstatně výhodnější průběh – je protažená směrem k větším otáčkám.

Ing. Radislav Martinek,
Enika spol. s r. o.

ENIKA, spol. s r. o.
Nádražní 609
509 01 Nová Paka
tel.: 493 773 311
fax: 493 773 322
e-mail: enika@enika.cz
http://www.enika.cz