Merkur perfekt Challenge Studijní materiály T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 1 / 11
Název úlohy: Krokový motor a jeho řízení Anotace: Úkolem týmu je nastudovat problematiku krokových motorů a jejich řízení a sestavit ze stavebnice Merkur funkční trojfázový krokový motor. Tým má k dispozici: konstrukční díly stavebnice Merkur, Cu drát, osazenou desku s tranzistory, tlačítky a potenciometrem pro řízení motoru a řídicí mikroprocesor v podobě desky Arduino Pro Micro. Výsledem práce by měl být funkční krokový motor, který je možné zapnout a vypnout pomocí jednoho tlačítka, dále pak provést reverzaci otáček pomocí druhého tlačítka a měnit otáčky motoru pomocí potenciometru. Garantující ústav: Ústav výkonové elektrotechniky a elektroniky Laboratoř: Technická 12, SC2.58 (druhé patro) Foto předlohy: T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 2 / 11
Zadání: Z připravených komponent realizujte krokový motor podle následujícího zadání: 1. Na zuby sestaveného statoru krokového motoru naviňte šest cívek po 150 200 závitech. 2. Změřte frekvenci, amplitudu a efektivní hodnotu indukovaného napětí pro jednotlivé fáze. Rychlost otáčení si volte sami, ale měla by být pro každé měření podobná. 3. Sestavte program pro Arduino, který pomocí řídicí jednotky bude ovládat sestavený motor. Základní funkce programu jsou: 1. Pomocí tlačítek bude možné provést: spuštění/zastavení motoru a reverzace směru otáček. 2. Pomocí potenciometru bude možné regulovat rychlost otáčení. V programu zajistěte, že otáčky budou regulovatelné od nuly do maximální rychlosti. 3. Pomocí sériového portu (sériového monitoru) zobrazujte aktuální stav motoru. T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 3 / 11
Teoretický rozbor úlohy: Krokový motor Krokový motor je svou konstrukcí velmi jednoduchý točivý elektrický stroj. V principu si je možné krokový motor představit jako synchronní stroj, v němž místo točivého pole, generovaného tří fázovým sinusovým napájecím napětím statorového vinutí, je generováno magnetické pole postupným napájením jednotlivých pólových dvojic stejnosměrným proudem. Počet stabilních poloh rotoru je pak dán počtem kroků motoru na jednu otáčku. Typickými aplikacemi krokových motorů jsou pohony periferních zařízení počítačů, jako jsou diskové paměti, tiskárny a plotry, z průmyslových aplikací to jsou např. servomechanismy nastavování polohy souřadnicových stolů pro vrtání plošných spojů, malé manipulátory a roboty pro bezobslužné výrobní stroje apod. Rozdělení krokových motorů Krokové motory je možno rozdělit podle konstrukční ho provedení do tří základních skupin: 1. Krokové motory reluktanční jsou to motory s vyjádřenými póly (zuby) na statoru i na rotoru, využívající výrazně rozdílné magnetické vodivosti (reluktance) v příčné a podélné ose. Podmínkou funkce je rozdílný počet pólů (zubů) na statoru a na rotoru. 2. Krokové motory s permanentními magnety nazývané též krokovými motory s aktivním rotorem. Tyto motory vykazují výrazný reluktanční moment i ve stavu, kdy statorové vinutí není napájeno, který udržuje klidovou polohu rotoru. Mají různý počet pólů na statoru i na rotoru, při čemž póly na rotoru jsou permanentní magnety. 3. Krokové motory hybridní slučující konstrukční principy obou předcházejících typů. T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 4 / 11
Konstrukční uspořádání Konstrukční princip reluktančního krokového motoru je patrný z obrázku níže. Je to třífázový motor se šesti póly na statoru a čtyřmi póly na rotoru. Stator i rotor jsou skládané z vylisovaných dynamových plechů. Pólové dvojice na statoru jsou buzeny stejnosměrným proudem postupně tak, že v daném okamžiku je buzena pouze jedna pólová dvojice, v našem případě je sled buzení AA BB CC, tj. rotor se otáčí proti směru hodinových ručiček. Opačného směru točení by se docílilo přehozením sledu buzení statorových cívek, tj. AA CC BB. Rotor se pootočí při každém kroku o polovinu pólové rozteče statorových pólů, vykoná tedy 12 kroků na jednu mechanickou otáčku. Obecně lze velikost jednoho kroku vyjádřit vztahem 360 krok, (1) n N kde n je počet fází vinutí statoru a N je počet zubů rotoru. A C' B B' C A' T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 5 / 11
Pro zobrazený krokový motor je n = 3, N = 4, proto je krok roven 30, motor tedy vykoná 12 kroků na jednu otáčku (12 30 =360 ). Napájení krokových motorů Princip činnosti krokových motorů spočívá v postupném buzení jednotlivých fázových vinutí statoru stejnosměrným proudem. Po připojení napětí na další statorové vinutí vznikne moment, který přinutí rotor k vykonání jednoho kroku. Schéma nejjednodušší ho tranzistorového napáječe tří fázového krokového motoru je zobrazeno na obrázku níže. Stejnosměrné napájecí napětí je voleno tak, aby cívkou protékal po zapnutí příslušným tranzistorem jmenovitý proud. Ke každému vinutí je připojena tzv. nulová dioda, která převezme proud při vypnutí tranzistoru. A B C Ve spojení s napáječem lze zvětšit počet kroků krokového motoru změnou způsobu řízení. Tomuto principu se říká drobení kroku nebo též mikrokrokování. Princip drobení kroku spočívá v současném napájení dvou sousedních statorových fází. Výsledná rovnovážná poloha rotoru je v tom případě uprostřed mezi původními polohami, odpovídajícími samostatnému napájení obou fází. T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 6 / 11
Výpočet potřebného počtu závitů Výpočet pro potřebný počet závitů statorových cívek vychází z Faradayova indukčního zákona, kde indukované napětí u v N závitech cívky se vypočte podle vztahu d u N. (2) dt Za předpokladu, že napětí má sinusový průběh, tj. u sin t, je možné vypočíst magnetický tok jedním pólem statoru jako d u N sin t sin t dt cos t. dt N (3) N Magnetický tok procházející plochou pólu S je též roven magnetické indukci B ve vzduchové mezeře, tj. mezeře mezi zubem statoru a rotorem, B S k, (4) N kde k je činitel plnění železa, u normálních strojů bývá v rozmezí 0,8 až 0,98. Činitel plnění železa zohledňuje to, že samotný průřez železného jádra plechů je nižší než celkový průřez plechu vlivem toho, že každý plech je izolován, tj. je úmyslně zvětšen jeho objem (průřez) o izolaci tak, aby při skládání jednotlivý plechů na sebe byly tyto galvanicky oddělené. V našem případě, kdy místo běžných plechů jsou použity plechy ze stavebnice Merkur, je nutné uvažovat tuto hodnotu řádově menší. Vhodnou volbou velikosti magnetické indukce B, indukovaného napětí a otáček lze ze vztahu (4) lze určit potřebný počet závitů jednoho pólů vinutí N. (5) B S k T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 7 / 11
Výpočet indukčnosti cívky Vinutí ve své podstatě představuje RL článek, tzn., že proudu cívkou nějakou dobu trvá, než dosáhne své maximální hodnoty. Časový průběh proudu cívkou i lze popsat vztahem R t 1 L i e, (6) R kde R je odpor cívky a L je její indukčnost. Prakticky to znamená, že minimální čas sepnutí je omezen velikostí odporu a indukčnosti cívky. Odpor cívky je možné změřit klasickým způsobem pomocí Ohmovy metody, nebo pomocí ohmmetru anebo výpočtem na základě vztahu l R, (7) S kde je rezistivita mědi ( 0,0169 10-6.m), l je délka vodiče a S je jeho průřez. V případě určení indukčnosti cívky jsou prakticky možné následující tři způsoby. Prvním je využití vztahu (6), tj. cívka je napájena napětím a z grafického průběhu proudu se určí její indukčnosti. Druhý vychází s Ohmova zákona, kdy je cívka připojena na střídavá napájení síť za předpokladu, že je zanedbán její odpor, potom se indukčnost cívky snadno určí z proudu a napětí na cívce L. (8) I Třetí způsob, jak vypočítat indukčnost cívky, je z geometrie magnetického obvodu a celkové počtu závitů cívky N. Indukčnost se vypočte jako 2 N L, (9) R m T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 8 / 11
kde magnetický odpor R m se vypočte jako součet magnetického odporu vzduchové mezery R m,, statoru R m,s a rotoru R m,r : R m 2R m,δ 1 2 S k 0 R m,s R 0 m,r 1 r S l,s k 1 0 r S l,s k (10) kde 0 je permeabilita vakua (=4 10-7 ), 0 je permeabilita železa ( 1000), je délka vzduchové mezery, l,s je střední délka siločáry ve statoru a l,s je střední délka siločáry v rotoru. Zapojení řídicí jednotky Řízení výkonová části krokového motoru, tj. tranzistorů, je provedeno pomocí procesoru ATMEL ATmega324 osazeného v Arduinu Pro Micro. Zapojení Arduina, ovládacích tlačítek a potenciometru je zobrazeno na následujícím obrázku: T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 9 / 11
Zapojení výkonové části, tj. tranzistorů a nulových diod je na následujícím obrázku: Tranzistory jsou spínány výstupními hradly procesoru přes integrovaný obvod 4047, který zajištuje to, aby nebylo možné nechat spínaný tranzistor trvale sepnut, tj. aby nedošlo ke zkratování napájeného zdroje pouze přes odpor vinutí a zamezilo se možnému shoření tohoto vinutí. T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 10 / 11
Partneři soutěže T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 11 / 11