Krokový motor

Předměty:

Úvod
Krokový motor s permanentním magnetem (typ PM)
Krokový motor s proměnnou reluktancí (VR)
Hybridní krokový motor

Předmluva:
Krokový motor, jak název napovídá, lze nastavit v několika krocích. Počet kroků se může lišit. V závislosti na aplikaci lze krokový motor nastavit od 4 do 200 kroků na otáčku, což může představovat řízenou rotaci rotace rotoru o 0,8°.
Úhlové natočení krokového motoru lze určit velmi přesně. Krokový motor je v podstatě jeden synchronní stejnosměrný elektromotor bez uhlíkových kartáčků, protože díly a způsoby ovládání jsou velmi podobné, ale přesto se od tohoto stejnosměrného motoru liší následujícími vlastnostmi:

Krokový motor má při nízkých otáčkách relativně velký točivý moment a může se proto velmi rychle rozběhnout z klidu;
Pohyb krokového motoru je pomalý a velmi přesný. Stejnosměrný motor se používá k rychlému běhu po dlouhou dobu;
Rychlost otáčení a poloha krokového motoru jsou řízeny řídicím signálem z řídicí jednotky. To znamená, že není vyžadován žádný snímač polohy ani jiná forma zpětné vazby;
Krokový motor vytváří více hluku a způsobuje více vibrací ve srovnání s bezkomutátorovým stejnosměrným motorem.

Krokový motor se používá na mnoha místech v autě k tomu, aby díly vykonávaly řízený elektrický pohyb. Níže jsou uvedeny tři aplikace, ve kterých lze krokový motor nalézt, a to: pro ovládání volnoběhu, ručičky v přístrojové desce a ventily topení pro ovládání ventilace.

Krokový motor pro ovládání volnoběhu:
Škrticí ventil benzínového motoru je v klidu uzavřen. Aby motor běžel na volnoběh, je zapotřebí malý otvor. Průchod musí být také nastavitelný, protože teplota a zatížení (např. při zapnutí spotřebičů jako je čerpadlo klimatizace) ovlivňují požadované množství nasávaného vzduchu.
U moderních motorů je poloha škrticí klapky přesně řízena. Najdeme i systémy, u kterých je škrticí klapka zcela uzavřena a vzduch je veden kolem škrticí klapky přes obtokové ovládání. Cirkulace vzduchu může být realizována buď pomocí stejnosměrného motoru řízeného PWM nebo pomocí krokového motoru. Podívejte se na stránku o plynu.

Na třech obrázcích níže je krokový motor, který slouží jako regulátor volnoběžných otáček. Otevírání obtoku je ovládáno hřídelí s kuželovým koncem. Otáčení kotvy v krokovém motoru má za následek otáčení šnekového kola.

Otočit proti směru hodinových ručiček: šnekové kolo se otočí dovnitř (velký otvor v obtoku);
Otáčení ve směru hodinových ručiček: šnekové kolo se otáčí směrem ven (malý otvor v bypassu).

Přístrojová deska:
Přístrojová deska je často vybavena více krokovými motory pro stavoměr nádrže, rychloměr, otáčkoměr, teplotu motoru a v příkladu níže i měřič spotřeby pod tachometrem. Přístrojová deska BMW je zobrazena níže.

V zadní části (uvnitř) přístrojové desky najdeme pět krokových motorů s černým krytem. Vpravo vidíme dotyčný krokový motor bez pouzdra. Zde jsou jasně vidět dvě cívky a čtyři zapojení (dvě levé, dvě pravé), podle kterých poznáme bipolární krokový motor. Krokový motor může nastavit jehly ukazatele v malých krocích. Příkaz k nastavení přichází z ECU ve sdruženém přístroji.

Následující schéma ukazuje vstupy a výstupy ovladače krokového motoru. Toto je integrovaný obvod v přístrojové desce, který převádí příchozí informace na výstup pro krokový motor:

hladina paliva v nádrži (plovák nádrže);
rychlost vozidla (generátor impulzů v převodovce nebo snímače ABS);
otáčky motoru (snímač polohy klikového hřídele);
teplota (snímač teploty chladicí kapaliny).

V blokovém schématu znázorňují červené a zelené šipky zapojení (A až D) na cívkách v krokovém motoru.

Ventily pro vedení vzduchu v kamnech:
Krokové motory často najdeme v elektronicky ovládaných odvzdušňovacích ventilech v kamnářství. Na obrázcích níže je fotografie ventilu teploty vzduchu (vlevo) a ilustrace montážní polohy (vpravo). Krokový motor ovládá ventil pomocí mechanismu, kde číslo 4 na obrázku označuje otočný bod. Pokud krokový motor nefunguje správně nebo po výměně, musí být počáteční a koncová poloha oznámena v ECU. Pomocí diagnostického zařízení se můžeme naučit, jak se ventil zastaví, takže ECU ví, kdy je ventil plně otevřený nebo zavřený, takže může také určit, jak dlouho má pohánět krokový motor, aby se ventil částečně otevřel.

Krokový motor s permanentním magnetem (typ PM):
Tento typ krokového motoru má rotor s permanentním magnetem. Výhodou tohoto krokového motoru je jeho jednoduchá konstrukce a tedy nízká pořizovací cena. Níže jsou uvedeny informace o provozu tohoto krokového motoru.

Rotor krokového motoru může provést plnou rotaci s několika mezikroky. V příkladu na čtyřech obrázcích níže jsou zobrazeny čtyři mezikroky na jedno otočení. Rotor lze proto zastavit každých 90 stupňů. Levý krokový motor je v pozici 1, severní pól rotoru je nahoře a jižní pól dole. Pro posunutí rotoru o 90 stupňů ve směru hodinových ručiček se proud do cívky se svorkami C a D přeruší a druhá cívka se nabudí. To je vidět na druhém krokovém motoru. Levá pólová bota zčervená (severní pól) a pravá zčerná (jižní pól). Tím se rotor přesune do polohy 2.

Toto funguje také s nastavením 3 a 4; cívka mezi C a D je nabuzena pro polohu 3, ale proud teče opačným směrem než v poloze 1. Horní pólová patka je nyní severní pól a spodní je jižní pól. Rotor bude nyní v poloze 3. Pro polohu 4 je spodní cívka znovu pod napětím a rotor se otočí do polohy 4.

Čtyřrychlostní krokový motor lze zastavit každých 90 stupňů. Pokud to nestačí pro aplikaci, pro kterou se krokový motor používá, lze jej nastavit také v osmi krocích. To je možné se stejným krokovým motorem, ale během těchto mezikroků budou obě cívky napájeny současně.

Níže uvedený obrázek ukazuje tyto mezikroky. Toto jsou kroky 5 až 8. Jak můžete vidět, nastavení 5 je mezi kroky 1 a 2. Totéž platí pro krok 6 (mezi kroky 2 a 3) atd. Během těchto mezikroků protéká oběma cívkami proud.
Když je třeba rotor otočit na krok 5, proud protéká jak spodní cívkou z A do B, tak horní cívkou z C do D. Takže nyní existují dva severní póly (červené pólové boty) a dva jižní póly (černé pólové boty). Rotor bude v poloze 5.

Pro otočení rotoru o 45 stupňů dále (do polohy 2) platí opět schéma krokového motoru se čtyřmi polohami. Spodní cívka bude znovu nabuzena, aby umožnila proudění proudu z A do B.
Pokud se potom krokový motor otočí o 45 stupňů dále (do polohy 6), bude znovu platit výše uvedený obrázek s oběma cívkami napájenými.

Krokový motor je vždy ovládán ovládacím zařízením. Tranzistory v IC budiče řídicího zařízení zajišťují napájení a vybíjení pólových nástavců a z nich. Řídicí jednotka obsahuje osm tranzistorů. Správným ovládáním těchto osmi tranzistorů krokový motor udělá úplnou otáčku ve čtyřech nebo osmi krocích. Rotace může být ve dvou směrech; vlevo a vpravo. Řídicí zařízení zajišťuje, že správné tranzistory jsou vodivé.

Na obrázku vidíme krokový motor, který je řízen řídicím zařízením. Tranzistory 1 a 4 jsou zapnuté. Pro upřesnění ovládání jsou tranzistory a vodiče zbarveny červeně a hnědě. Tranzistor 1 (červený) spojuje svorku A s kladným pólem a tranzistor 4 (hnědý) spojuje svorku B se zemí.

Protože tranzistory 2 a 3 nejsou zapnuté, neprotéká jimi žádný proud. Pokud by tomu tak bylo, došlo by ke zkratu.
Na obrázku je krokový motor otočen o něco dále. Za tímto účelem musí být tranzistory 6 a 7 také vodivé.

Aby se krokový motor mohl otočit o něco dále, zastaví se vedení tranzistorů 1 a 4. Stále vedou pouze tranzistory 6 a 7, což způsobí, že krokový motor zaujme polohu 3.

Pro další krok musí být tranzistory 2 a 3 zapnuty.

Krokový motor s proměnnou reluktancí (VR):
Stejně jako krokový motor s permanentním magnetem obsahuje krokový motor s proměnnou reluktancí statorové póly s cívkami. Od dříve diskutovaného krokového motoru se liší svým ozubeným rotorem vyrobeným z feromagnetického kovu, jako je nikl nebo železo. To znamená, že rotor není magnetický. Tento typ krokového motoru se v dnešní době používá jen zřídka.

Cívka statoru na jedné straně (A) je navinuta opačně než cívka na druhé straně (A'). Totéž samozřejmě platí pro B a B' atd. Zuby rotoru jsou přitahovány magnetickým tokem vytvářeným buzením cívek statoru.

Výhody krokového motoru VR oproti verzi s permanentními magnety jsou:

Díky absenci permanentních magnetů je výroba krokového motoru VR méně škodlivá pro životní prostředí;
Není nutné přepólovat statorové cívky. To umožňuje jednodušší ovládání;

Nevýhody jsou:

Nízký točivý moment;
Nízká přesnost;
Vyšší produkce hluku. Počet aplikací, včetně automobilového, je proto omezený;
Díky absenci permanentních magnetů nedochází při stání k žádnému přídržnému momentu.

Hybridní krokový motor:
Hybridní krokový motor má ozubený rotor s permanentními magnety a ozubený stator s osmi cívkami s malou vzduchovou mezerou mezi rotorem a statorem. Rotor se skládá ze dvou ozubených kol přesazených o 3,6° od sebe. Uvnitř rotoru je velký magnet. Přes magnet jsou nalisována dvě ocelová ozubená kola. Ozubená kola se také stávají magnetickými díky přítomnosti magnetu. Jedno ozubené kolo je magnetizováno jako severní pól a druhé jako jižní pól. Každý zub na rotoru se stává magnetickým pólem. Hovoříme proto o „rotoru severního pólu“ a „rotoru jižního pólu“. Díky řazení převodových stupňů se bude při rotaci střídat severní a jižní pól. Každé ozubené kolo má 50 zubů.

V okamžiku, kdy budič krokového motoru vede proud přes cívku statoru, cívka se stane magnetickou. Severní póly cívek budou přitahovat jižní póly rotoru, což způsobí otáčení rotoru.

Tři obrázky níže ukazují ovládání dvou fází (červené a oranžové) hybridního krokového motoru.

A. Rotor krokového motoru se otočil do své aktuální polohy (viz obrázek), protože zobrazené cívky byly zmagnetizovány.

Zelené ozubené kolo je jižní pól, který je přitahován k severním pólům na statoru;
Zuby mezi rotorem a statorem jsou vzájemně zarovnány v místech, kde byl rotor tažen. Pro přehlednost jsou tyto body ve všech třech situacích označeny černou značkou;
Červené ozubené kolo je za zeleným ozubeným kolem. Protože jsou ozubená kola vůči sobě natočená, jsou vidět červené zuby. Severní póly na rotoru jsou přitahovány k jižním pólům na statoru.

B. Řízení změnilo fáze. Magnetické pole mezi oranžovými cívkami a rotorem zmizelo. Nyní jsou cívky „červené“ fáze řízeny, což způsobuje vytváření magnetického pole mezi červenými cívkami a rotorem.

V důsledku přepnutí magnetického pole z oranžové na červené cívky se rotor otočí o 1,8° ve směru hodinových ručiček;
Aby se rotor otáčel proti směru hodinových ručiček místo po směru hodinových ručiček, musela být polarita (směr proudu) obrácena přes červené spoje. Směr proudu cívkou totiž určuje směr magnetického pole, a tedy i „polohu“ severního a jižního pólu.

C. Řízení opět změnilo fázi a rotor se opět otočil ve směru hodinových ručiček o 1,8°.

Stejné cívky jako v situaci A jsou pod napětím, ale polarita na oranžových vodičích byla obrácená;
Rotor lze opět otočit proti směru hodinových ručiček ovládáním cívek, jak je znázorněno v situaci B;
Aby se rotor otáčel ve směru hodinových ručiček, jsou napájeny také červené cívky, ale polarita je obrácená ve srovnání se situací B.

Ve výše uvedených příkladech je vidět, že rotor se severním pólem je přitahován k cívce jižního pólu a současně je rotor jižního pólu přitahován k cívce severního pólu. To zajišťuje, že hybridní krokový motor dělá velmi přesné pohyby a má také vysoký točivý moment.

Hybridní krokový motor může být vybaven více páry pólů a více zuby na rotoru, což umožňuje kroky až 0,728° a 500 kroků na otáčku.

Související stránky: