Najpogostejša vprašanja o koračnih motorjih, 1. del

 

Od naših strank prejmemo veliko vprašanj na temo koračnih motorjev, od povsem splošnih do bolj kompleksnih, ki zahtevajo temeljitejšo poglobitev in ob katerih se še sami naučimo nekaj novega. Delo s koračnimi motorji se tako kot vsako novo področje, ki se ga lotimo in ga sčasoma skušamo osvojiti, začne z osnovnimi vprašanji (kaj, kako, zakaj…) in nato nadaljuje z vedno bolj kompleksnimi. Da bi bilo iskanje odgovorov na najpogostejša vprašanja, s katerimi se vsi slej ko prej srečamo, enostavno, smo jih zbrali na enem mestu, v prispevku z naslovom Najpogostejša vprašanja o koračnih motorjih 1. del. Vprašanja in odgovori so razdeljeni v dva sklopa. Prvi del zajema bolj splošna najpogostejša vprašanja o koračnih motorjih, medtem ko drugi del (Najpogostejša vprašanja o koračnih motorjih 2. del) gradi na poznavanju in povezovanju osnovnih principov delovanja koračnega motorja iz 1. dela.

1. Kaj pomenijo oznake koračnega motorja Nema 17, Nema 23, Nema 34…?

Ne gre za ime podjetja, ki proizvaja te vrste koračnih motorjev, kot bi marsikdo zmotno pomislil. Ameriško nacionalno združenje proizvajalcev električnih naprav (The US National Electrical Manufacturers Association (NEMA)) standardizira različne mere, označevanje in druge vidike koračnih motorjev v standardu NEMA (NEMA ICS 16-2001). Koračni motorji NEMA so definirani z velikostjo sprednje plošče. NEMA 17 je koračni motor z 1,7 x 1,7 palca (43 mm × 43 mm) veliko sprednjo ploščo. Obstajajo še drugi parametri za opis koračnih motorjev, podrobnosti najdete v standardu ICS 16-2001.

 

2. Kdaj uporabiti koračni motor namesto DC motorja?

Koračni motorji delajo korake na podlagi posameznih impulzov in vsak korak, ki ga naredijo, je približno enake velikosti. Ti impulzi omogočajo, da se motor vrti pod natančnim kotom (1,8 ° oziroma manj z uporabo microstepping-a (glej spodnje vprašanje)), kar posledično vrzdržuje natančen položaj motorja brez potrebe po mehanizmu povratne informacije.
Kje se uporabljajo koračni motorji? Koračni motorji se uporabljajo v industrijskih in komercialnih okoljih. So motor izbire za aplikacije nadzora gibanja, ki zahtevajo visoko natančnost. Priljubljeni so zaradi nizkih stroškov, visoke zanesljivosti in visokega navora pri nizkih hitrostih. So preprosti, robustni motorji, ki lahko delujejo v skoraj vsakem okolju.

• Pozicioniranje: 3D tiskalniki, CNC stroji, XY pozicionirne mize, transportni trakovi na proizvodnih linijah, platforme kamer, objektivi kamer/fotoaparatov in nekateri diski zahtevajo natančno pozicioniranje. Koračni motorji so kot nalašč za to, saj se premikajo v natančnih, ponovljivih korakih.
• Navor pri nizkih hitrostih. Največji navor koračnega motorja je vedno pri nizki hitrosti, zato so odlična izbira za aplikacije, ki potrebujejo nizko hitrost brez žrtvovanja natančnosti. Klasični DC motorji običajno ne ponujajo kombinacije nizke hitrosti, visokega navora in visoke natančnosti.
• Nadzorovana hitrost. Natančno nadzorovani koraki koračnih motorjev zagotavljajo odličen nadzor v procesih avtomatizacije in robotike

3. Kako izberemo ustrezen koračni motor?

Najprej je potrebno vedeti kakšen navor potrebujemo pri določeni hitrosti vrtenja koračnega motorja. Ko imamo ta podatek, izberemo koračni motor na podlagi dveh parametrov:

• držalnega navora koračnega motorja (v specifikacijah ga najdemo pod “holding torque”) in
• krivulje hitrost – navor.

Vrednost držalnega navora kot merilo zmogljivosti koračnega motorja je potrebno jemati z rezervo, saj držalni navor predstavlja navor, ki ga motor proizvede v mirovanju. Ko se koračni motor začne vrteti, njegov navor pade. Vsak koračni motor ima svojo značilno krivuljo hitrost-navor, iz katere je razviden padec navora z večanjem hitrosti vrtenja. 

 

Krivulja predstavlja navor, pri katerem se motor ustavi. Priporočam, da podvojimo (100% varnostni faktor) zahtevani navor pri določeni hitrosti, nato pa izberemo kombinacijo motor/gonilnik/napajanje, ki lahko zagotovi ta navor (tj. če potrebujemo 1,0 Nm navora pri določeni hitrosti, uporabimo motor, ki proizvede 2,0 Nm pri tej hitrosti).

4. Zakaj je velikost motorja pomembna, zakaj ne moremo uporabiti zgolj večji koračni motor?

Če vztrajnost rotorja motorja predstavlja večino vztrajnosti sistema, postanejo vse resonance izrazitejše (glej vprašanje o razmerju med vztrajnostjo motorja in bremena v naslednjem prispevku). Obenem, večji koračni motor potrebuje več časa za pospešitev rotorja, ki ima večjo vztrajnost, do želene hitrosti. Tako da, manjše je lahko boljše. 

5. Kako krmilimo koračni motor?

Sistem s koračnim motorjem sestoji iz koračnega motorja, gonilnika koračnega motorja in krmilnika. Koračni motorji se vrtijo na podlagi vlaka impulzov, ki jih generira krmilnik. V načinu s polnim korakom je običajno 200 korakov (ali 1,8 stopinje na korak) za vsak 360-stopinjski obrat in vsak impulz premakne motor za en korak. Če potrebujemo večjo preciznost kot je 1,8 stopinje in da se izognemo resonanci, ki je pogostejša v tem načinu, način s polnim korakom ni prava izbira. Zato običajno izberemo načine s pol koraka, četrt koraka…, ki delujejo pri 400, 800 ali do 50.000 korakih na obrat. Krmilnik je priklopljen na gonilnik koračnega motorja, ki nato sinhrono z vhodnimi impulzi krmilnika regulira tok skozi tuljave koračnega motorja. Krmilnik je lahko “programmable logic controller” (PLC), mikrokrmilnik ali še enostavnejši generator impulzov, kot je na primer NE555 čip. 

 

6. Ali je za napajanje varno uporabljati enosmerno napetost, ki je višja od nazivne napetosti koračnega motorja?

Med osnovnimi specifikacijami vsakega koračnega motorja so nazivni tok, upor navitja, navor in nazivna napetost. Pomemben tukaj je tok. Proizvedeni navor je proporcionalen toku skozi navitje. Nazivni tok je tisti tok, ki proizvede nazivni navor koračnega motorja. Nazivno napetost izračunamo enostavno s pomočjo Ohmovega zakona iz vrednosti nazivnega toka in upora navitja.

To je napetost, ki bo v stanju ravnovesja (če na primer direktno na tuljavo priklopimo nazivno napetost in počakamo toliko časa, da se tok stabilizira) skozi navitje motorja pognala nazivni tok. Realno dogajanje v koračnem motorju ne predstavlja vedno stanja ravnovesja, saj prihaja do hitrega spreminjanja toka. Induktivnost navitja motorja preprečuje hitre spremembe toka, ki tako potrebuje čas, da naraste do vrednosti nazivnega toka. Ta čas je tem daljši, tem nižja je aplicirana napetost. Zato za dosego velikih hitrosti vrtenja in hkrati zadostnega navora uporabimo napetost, ki je nekajkrat višja od nazivne napetosti koračnega motorja. 

Primer: Nema 23 koračni motor, 2,8 Nm navora, nazivna napetost 3.78 V, nazivni tok 4,2 A, upor faze 0,9 Ω normalno priklopimo na 36 V napajalnik. Uporabili smo skoraj 10x višjo napetost od nazivne. 

7. Kaj so mikro-koraki (“microstepping”)?

Tipični koračni motor naredi 200 korakov pri enem obratu za 360 stopinj (velikost koraka je 1,8 stopinje). V načinu s polnim korakom bo tako koračni motor naredil en polni obrat ob 200 vhodnih impulzih iz krmilnika. Vrtenje motorja bo v tem primeru zelo “klocajoče” in precej glasno zaradi resonance, še posebej pri nizkih hitrostih.

Z regulacijo toka skozi tuljave koračnega motorja gonilnik omogoči, da posamezen 1,8 stopinjski korak razdelimo na 2, 4, 8, 16, 32,… enake, majhne mikrokorake. To pomeni, je da pri izbiri microsteppinga 1/32 najmanjši korak, ki ga lahko koračni motor naredi velik 0,056 stopinje.

8. Kako napajanje vpliva na največjo hitrost motorja?

Vsak motor pri vrtenju deluje kot generator, ki pošilja napetost nazaj v gonilnik. To se imenuje “Electromotive force” ali povratna EMF napetost. Velikost proizvedene EMF se sorazmerno povečuje s hitrostjo in induktivnostjo motorja. Ta povratna EMF poveča impedanco/efektivno upornost navitja. Ker še vedno velja Ohmov zakon, se tako zmanjša efektivni tok, ki teče skozi navitje pri določeni napetosti na začetku vsakega koraka (I=U/R; tok=napetost/upor). Teoretično, ko se povratna EMF izenači z napetostjo gonilnika, se motor ustavi. Na podlagi tega vidimo, da če povečamo napetost napajalnika, lahko dosežemo višje hitrosti. Vendar pa lahko višja napetost povzroči večje vibracije motorja pri nižji hitrosti, lahko pa tudi povzroči vklop zaščite pred prenapetostjo na gonilniku ali celo poškoduje gonilnik. Zato je predlagano, da izberemo napajalno napetost, ki je ravno dovolj visoka za predvideno aplikacijo.

9. Koliko koračnih motorjev lahko poganjamo z enim gonilnikom?

Večina standardnih gonilnikov je zasnovanih za pogon enega koračnega motorja. Teoretično lahko priklopimo več kot en koračni motor na en gonilnik, kar pa nikakor ni priporočljivo. V tem primeru je navitja večih motorjev najbolje povezati zaporedno med sabo, kar bo seveda posledično omejilo največjo možno hitrost. Za večjo hitrost in nižji navor, pa je potrebno navitja večih motorjev povezati vzporedno.

 

10. Kakšna je varna delovna temperatura koračnega motorja?

Večina koračnih motorjev ima izolacijo razreda B, ki je ocenjena na 130 °C . Normalno je, da temperature koračnega motorja dosežejo 70 °, 80 ° ali celo 90 °C. Medtem ko je motor pri teh temperaturah prevroč, da bi se ga dotaknili, je sam motor nepoškodovan. Vendar kljub tem dejstvom, je za čim daljšo življenjsko dobo koračnega motorja smotrno poskrbeti, da je njegova temperatura čim nižja. To lahko dosežemo na več načinov:

• Zmanjšanje toka v mirovanju: Mnogi sistemi za nadzor gibanja potrebujejo največji navor, ko motor pospešuje in zavira. Ko motor miruje oziroma zgolj drži položaj, potrebuje veliko manj navora. Takrat je pravi trenutek za zmanjšanje toka motorja. Mnogo gonilnikov koračnih motorjev omogoča zmanjšanje toka v mirovanju na 50 % nastavljenega toka. Zmanjšanje toka v mirovanju ima lahko dramatičen učinek na temperaturo motorja.

• Zmanjšanje delovnega toka: ko izbiramo pravi motor za naše potrebe, izberemo motor z največjim navorom, ki je 100 % večji od navora, ki ga potrebujemo. Zato največkrat ni razloga, da na gonilniku izberemo največji nazivni tok koračnega motorja. Smiselno je izbrati takšen tok, ki zagotavlja motorju navor, ki je za določen faktor rezerve večji od potrebovanega.

• Uporaba sistema koračnega motorja z zaprto zanko: sistem koračnih motorjev z zaprto zanko uporablja povratno zanko za natančen nadzor toka, hitrosti in položaja koračnega motorja. Tokovna zanka zagotavlja, da je tok, ki ga motorju daje gonilnik, natančno takšen, kot je potreben za zadosten navor. Ko motor ne proizvaja navora (ali proizvaja manj od največjiega navora), se tok samodejno ustrezno zmanjša. Ta krmilna shema z zaprto zanko bistveno izboljša temperaturo motorja.

• Uporaba hladilnih reber in/ali aktivno hlajenje: zelo enostavni in cenovno ugodni rešitvi, ki ne vplivata na količino proizvedene toplote, temveč povečata njeno odvajanje. 

11. Zakaj je koračni motor topel tudi v mirovanju?

Gonilnik koračnega motorja poganja tok skozi navitja koračnega motorja ves čas, tudi, ko ta miruje. To omogoča, da koračni motor proizvede navor brez posredovanja gonilnika v mirovanju, ko zunanja sila poskuša zavrteti njegovo os, ter tako ohrani določeno pozicijo. Gretje motorja v mirovanju lahko zmanjšamo tako, da na gonilniku (če ta to omogoča) nastavimo tok v mirovanju na polovico.  

12. Zakaj koračni motor včasih skoči med vklopom ali izklopom napajanja?

Rotor koračnega motorja je najpogosteje sestavljen iz dveh delov, od katerih ima vsak po 50 zob. Ko skozi stator steče tok, se rotor premakne tako, da se njegovi zobci poravnajo z namagnetenimi zobci statorja. Ker je 50 naravnih položajev rotorja, se ta lahko premakne za +/- 3,6 stopinje v eno izmed smeri.

Viri:

• https://www.nkxmotor.si/
• https://en.wikipedia.org/wiki/Stepper_motor
• http://www.cncitalia.net/file/pdf/nemastandard.pdf
• https://www.linearmotiontips.com/what-is-stepper-motor-resonance-and-how-can-it-be-avoided/
• http://www.stepperchina.com/2018/07/06/stepper-motor-settling-time-ringing-and-resonance/
• https://electromate.blog/2014/01/27/step-motor-frequently-asked-questions/
• https://www.linengineering.com/news/tips-on-how-to-reduce-stepper-motor-resonance
• https://www.automate.org/tech-papers/solutions-to-reduce-stepper-motor-resonance