Mechatronika, část 2 Stejnosměrné a krokové motory. Modelářské servomechanismy

DC motory

Zdálo by se, že malé stejnosměrné elektromotory s mechanickým přepínáním (komutací) orientace magnetických pólů rotoru (kotvy) jsou ve 21. století již překonány, ale opak je pravdou. Nalezneme je dosud prakticky všude, od subminiaturních vibračních motorků v mobilních telefonech přes domácí spotřebiče až po desítky (možná i stovky) motorků v moderních automobilech.

Je pravda, že s postupujícím časem jsou už dnes nahrazovány motory bezkomutátorovými (BLDC), ty však pro svůj provoz potřebují poměrně komplikované elektronické obvody, zatímco běžný komutátorový motor funguje na jednoduchém elektromechanickém principu, nevyžaduje žádné podpůrné obvody a i jeho řízení je jednoduché: připojíte zdroj stejnosměrného proudu a motor se roztočí.

Komutátorové motorky malého výkonu mají v současnost stator tvořený permanentními magnety, ty výkonnější z magnetů s obsahem vzácných zemin. Rotor je u těch nejlevnějších motorků složen z plechů, na kterých jsou navinuta jednotlivá rotorová vinutí, a u těch dražších je rotor tvořen samonosným vinutím, které je zpevněno lakem. Společným znakem obou typů rotorů je komutátor složený z elektricky dobře vodivých lamel, na které přiléhají kartáčky zajišťující přívod proudu. Ty nejobyčejnější hračkové motorky mají většinou tři magnetické póly a tři lamely komutátoru, ty o trochu kvalitnější mají pólů i lamel pět.

Obr. 3 Schéma trojpólového komutátorového motoru

Výhodou takových motorků je jejich snadné ovládání; rychlost je možno měnit změnou napájecího napětí, směr otáčení přepólováním napětí. Obecně platí, že rychlost otáčení komutátorového motoru je úměrná napájecímu napětí, zatímco točivý moment je úměrný odebíranému proudu.

V dobách dávno minulých se rychlost otáčení takového motorku měnila pomocí reostatu – tedy výkonového proměnného rezistoru, na kterém se ztrácela část napájecího napětí, dnes se k témuž účelu používá buď lineární regulovaný zdroj napětí, který má ovšem značné tepelné ztráty, nebo regulovaný zdroj spínaný, který tepelnými ztrátami netrpí. Napěťová regulace však není příliš dobrá; pokud snížíme napájecí napětí, sníží se i proud motorem protékající a tím se zmenší točivý moment motoru až téměř k nepoužitelnosti. V digitální době se ale našlo jiné řešení…

Pulzně-šířková modulace (PWM)

Základní myšlenkou je, že velikost střední hodnoty stejnosměrného napětí a tím i množství energie, které je za určitý čas dodáno do zátěže, se může měnit podle poměru doby zapnutí tohoto napětí k době celého cyklu.

Počet cyklů za jednu sekundu nazýváme opakovací frekvencí, jejíž jednotkou je hertz (Hz). Pro poměr doby zapnutí napětí k době celého cyklu se používá název činitel plnění. Rozsah činitele plnění se může měnit od 0 %, kdy je napětí trvale vypnuto a motor se neotáčí, až po 100 %, kdy je napětí trvale zapnuto a motor se otáčí plnou rychlostí.

H-můstek

V době polovodičů je pochopitelně řízení rychlosti a směru otáčení jejich doménou. Oboje společně je řešeno zapojením motorku mezi čtveřici spínacích prvků, která dovoluje změnit polaritu napájecího napětí motoru a zároveň přerušovaným buzením jednoho ze spínacích prvků generovat PWM a tím řídit rychlost jeho otáčení.

Obr. 4 Tomuto uspořádání spínačů se obecně říká H-můstek

Předstih

Aby elektromotor pracoval s co možná nejvyšší účinností, je nutno zavést předstih. Jeho podstata je velmi podobná nastavení předstihu u spalovacích motorů, místo pohybu pístu zde máme natočení rotoru vůči orientaci magnetického pole statoru. Velikost předstihu je dána úhlem pootočení komutátoru proti magnetickým pólům rotoru. Předstih zajišťuje, že k přepnutí proudu dojde ve správný čas, tedy dříve, protože rychlost nárůstu proudu ve vinutí motoru je omezena mimo jiné indukčností vinutí a ihned po přepnutí nedosáhne plné velikosti.

Pokud elektromotor nemá nastaven předstih, bude se v obou směrech otáčet stejně rychle, ale nebude mít příliš dobrou účinnost. Zavedeme-li předstih, účinnost se ve správném směru otáčení citelně zlepší, v druhém se ale naopak zhorší.

Předstih se u „hračkových“ motorků nedá změnit bez zásahu do konstrukce, protože je nastaven ve výrobě pootočením a zalisováním zadního čela motoru proti plášti motoru a magnety statoru jsou v plášti pevně usazeny. Některé motory mají v plášti u zadního čela tři výřezy, zatímco na čele je výstupek, který zapadne do jednoho z nich. Podle natočení ve výrobě se pak motor nastaví jako levý, symetrický nebo pravý a následně zalisuje. Uživatelská změna je ale stále problematická.

U motorů určených pro profesionální použití často najdeme na čele prvky, jimiž se dá předstih nastavit. Na obrázku je malý stejnosměrný elektromotor, který má vyznačený směr otáčení a polaritu napájení. Seřízení předstihu v rozsahu asi ±10 stupňů je možné povolením šroubů a pootočením zadního čela proti plášti (proto jsou také napájecí vývody ve velkých oválných otvorech).

Obr. 5 Nastavení předstihu u motoru u průmyslového motorku

Pokud se vám tedy zdá, že se váš motorek točí na jednu stranu rychleji, není to způsobeno nekvalitní výrobou, ale tím, že má nastaven předstih pro jeden ze směrů otáčení.

Na čelech motorků je často doporučený směr otáčení označen buď šipkou, nebo je u jednoho z vývodu znaménko + či značka.

Životnost motoru

Limitujícím prvkem pro životnost komutátorových stejnosměrných motorů jsou kartáčky a komutátor. Konec života stejnosměrného motoru je obvykle způsoben opálením těchto dvou částí jiskřením, které vzniká při přechodu kartáčů mezi lamelami komutátoru, případně ubroušením kartáčků, které jsou jen z tenkého plechu.

U malých elektromotorků hračkového typu, které jsou v modelářství, robotice nebo domácí automatizaci nejobvyklejší, se dá počítat s životností do 1 000 provozních hodin.

Odrušení

Kromě toho, že odrušení omezuje opotřebení komutátoru a kartáčků, je třeba zajistit, aby motorek nerušil ani vlastní zařízení, ani další elektrické a elektronické spotřebiče. Odrušení je velmi důležité, vyvarujete se tak různých „záhadných“ poruch, výpadků programu a podobných problémů.

Rušení v klasických stejnosměrných elektromotorech vzniká především při odskakování kartáčků od komutátoru motoru. Malé elektrické oblouky projevující se jiskřením, která přitom vznikají, generují širokopásmové elektromagnetické rušení. Základním odrušovacím prvkem je keramický kondenzátor zapojený mezi oba vývody motoru. Dalším stupněm odrušení je zapojení dvou tlumivek do přívodu proudu k motoru a dvojice keramických kondenzátorů s hodnotou (přibližně) 22 nF vždy mezi jeden vývod motoru a plášť motoru.

 

Motorem sem, motorem tam
Od stejnosměrných elektromotorků většinou požadujeme, aby se otáčely rychlostí a směrem, které potřebujeme. Podívejme se, jak na to.
Odkaz na celý článek

JDR DC motor controller (knihovna pro Arduino)
Knihovna pro řízení stejnosměrných (DC) komutátorových motorů. Knihovna umožňuje obousměrné řízení rychlosti otáčení stejnosměrného komutátorového motoru, plynulé zvyšování a snižování otáček (ramping) a umožňuje nastavit pásmo necitlivosti k řídícímu signálu v okolí nulové rychlosti.
Odkaz na celý článek

Motohrátky s Arduinem
Pro řízení stejnosměrného motoru budeme muset výstupy Arduina proudově posílit. Jeho digitální výstupy je možné zatěžovat proudem typicky 20 mA, maximálně pak 40 mA. Běžný miniaturní motorek odebírá bez zatížení kolem 60 mA, při zatížení přes 300 mA a při násilném zastavení i několik ampér.
Odkaz na celý článek

 

Krokové motory

Při konstrukci strojů a přístrojů se často setkáváme s potřebou přesného polohování jejich pohyblivých částí. Použijemeli k pohonu stejnosměrné (DC) nebo střídavé (AC) motory, je přesné polohování bez použití koncových spínačů, enkodérů a často také brzdy nebo spojky obtížné. Proto se, zvláště v menších zařízeních, velmi často používají krokové motory.

Krokový motor je bezkartáčový synchronní motor, jehož jedna otáčka je rozdělena na daný počet kroků vycházející z konstrukce motoru. U moderních motorů je typické základní rozdělení jedné otáčky hřídele na 200 kroků (v současnosti se ale prosazuje i dělení na 400 kroků), což znamená, že při jednom kroku se hřídel pootočí o 1,8 úhlového stupně. Setkat se ale můžete i s motory s velikostí kroku 7,5, 15, nebo dokonce 30 stupňů. Úhel kroku je možno zmenšit takzvaným mikrokrokováním. Mezi amatéry získaly krokové motory na popularitě s rozvojem 3D tiskáren a malých obráběcích strojů.

Typy krokových motorů

Na první pohled se krokové motory liší pouze velikostí, hmotností a počtem vodičů nebo pinů konektoru. V praxi se ale můžeme setkat se třemi základními typy.

Motor s proměnnou reluktancí

• Rotor je tvořen obyčejným kovovým magneticky měkkým materiálem. Toto je nejstarší konstrukce motoru, se kterou se dnes již setkáme málokdy.
• Motor má v poměru ke své velikosti a hmotnosti malý točivý moment a je vhodný pouze pro aplikace, které nevyžadují velkou přesnost polohování.

Obr. 10 Motor s proměnnou reluktancí

Motor s rotorem tvořeným permanentním magnetem

• Na obvodu rotoru vytvořeného z radiálně pólovaného permanentního magnetu se u tohoto typu motoru střídají severní a jižní póly, jejichž počet je poloviční než počet pólů statoru.
• Jednoduchá konstrukce těchto motorů a tím pádem nízké výrobní náklady je předurčují k použití ve spotřební a automobilové elektronice, kde není překážkou velikost jejich kroku (7,5 nebo 15°) a malý dosažitelný točivý moment.

Obr. 11 Motor s permanentním magnetem

Hybridní krokový motor

• Motory této konstrukce vykazují nejlepší momentové i dynamické parametry a jsou dnes v průmyslových aplikacích používány téměř výhradně.
• Rotor hybridního motoru má na hřídeli z nemagnetického materiálu nalisovány dva pólové nástavce. Mezi pólovými nástavci je uložen axiálně polarizovaný permanentní magnet, který zmagnetuje každý z pólových nástavců na opačnou polaritu. Rotorové pólové nástavce mají na svém obvodu drážky tvořící ozubení, jejichž počet určuje velikost kroku. Pro výše zmíněný motor s krokem 1,8 úhlového stupně je to 50 zubů. Rotorové pólové nástavce jsou proti sobě v osovém směru natočeny o polovinu rotorové zubové rozteče, proti zubům jednoho nástavce leží drážky druhého nástavce. Počty zubů statoru a rotoru nejsou shodné; obvykle se volí počet rotorových zubů větší.

Obr. 12 Hybridní krokový motor

Napájení krokových motorů

Krokové motory jsou až na drobné výjimky napájeny ze zdroje konstantního proudu. Proto se často na jejich výrobních štítcích objevuje podivně malý a často nezaokrouhlený údaj o napětí. Toto napětí ale není napájecí; je to údaj o úbytku napětí na vinutí při průtoku jmenovitého proudu.

Řídicí obvody

Řídicí obvod krokového motoru má dva hlavní úkoly:

• Měnit směr magnetického toku obvodem motoru změnou směru toku proudu vinutím.
• Omezit velikost proud vinutím na bezpečnou velikost a zároveň zajistit co nejrychlejší nárůst proudu ve vinutí, aby bylo dosaženo co nejvyššího výkonu a úplného využití možnosti motoru.

Změna směru magnetického toku

Aby se mohl krokový motor nepřetržitě otáčet, je třeba po každém kroku změnit směr magnetického toku magnetickým obvodem statoru. Toho se dosahuje obrácením směru toku proudu vinutím. Změny směru toku proudu je možno dosáhnout dvěma způsoby: unipolárním nebo bipolárním řízením.

Unipolární řízení

• Pro tento způsob řízení je nutno každé fázové vinutí statoru krokového motoru rozdělit na dva segmenty a změny směru magnetického toku dosahovat jejich střídavým spínáním. Protože poloviny vinutí jsou navinuty protisměrně, protéká proud každou polovinou opačným směrem.
• Pro každou fázi jsou potřebné jen dva spínací prvky zapojené na jednom konci (pólu) vinutí. Proto je tento způsob spínání pojmenován UNIpolární.

Obr. 13 Schéma unipolárního řízení krokového motoru

Bipolární řízení

• Každé fázové vinutí krokového motoru je zapojeno do úhlopříčky nám již známého Hmůstku, který je zde pro názornost představován čtyřmi spínači. Podle způsobu sepnutí jednotlivých spínačů můstku se vinutí přepólovávají a tím se mění směr toku elektrického proudu a následně magnetického toku ve statoru, případně se mohou úplně odpojit od napájecího napětí.
• Jak je zřejmé z obrázku, pro každou fázi jsou potřebné čtyři spínací prvky zapojené na obou koncích (pólech) vinutí. Proto je tento způsob spínání pojmenován BIpolární.

Obr. 14 Schéma bipolárního řízení krokového motoru

Řízení velikosti proudu protékajícího vinutím

• Účelem řízení velikosti proudu protékajícího vinutím je omezit ztrátový výkon na odporu vinutí na přípustnou velikost a zároveň dosáhnout co nejlepších mechanických parametrů motoru.
• Existují dva hlavní principy: lineární omezení proudu a pulsní řízení proudu. Oba způsoby je možno použít pro bipolární i unipolární výkonové budiče. Podrobnosti v příručce.

Normalizace krokových motorů

Krokové motory s rotorem z permanentního magnetu se vyrábějí v mnoha různých velikostech a tvarech, které jsou poplatné způsobu jejich použití.

Hybridní krokové motory se naproti tomu vyrábějí většinou podle doporučení NEMA (National Electrical Manufacturers Association) ve standardním provedení se čtvercovou přírubou. Velikost motoru se určuje podle délky strany této příruby v palcích; velikost motoru NEMA 08 znamená přírubu rozměru 0,8 × 0,8 palce (přibližně 20 × 20 mm), NEMA 42 4,2 × 4,2 palce (107 × 107 mm). Běžné velikosti motorů jsou NEMA 8, 11, 14, 16, 17, 23, 24, 34 a 42.

Osová délka krokových motorů se stejnou velikostí příruby je různá a obecně se dá říci, že čím je motor delší, tím od něj můžeme očekávat větší točivý moment.

Normalizace velikosti příruby motoru ovšem neznamená, že motory různých výrobců jsou shodné i v ostatních parametrech. Naopak je nutno parametry velmi pečlivě srovnávat, protože především točivý moment se může lišit až řádově.

Krokové motory jsou v současné době velmi snadno dostupné a jsou k nim dostupné i řídicí jednotky (drivery). Kvalita těchto driverů však často velmi kolísá, a tak se snadno může stát, že se jejich vinou motor začne chovat jaksi „podivně“. V takovém případě nepomůže nic jiného než pečlivé změření parametrů; osciloskop je v těchto případech velmi dobrým pomocníkem.

 

Krokové motory
Při konstrukci strojů a přístrojů se často setkáváme s potřebou přesného polohování jejich pohyblivých částí. Použijeme-li k pohonu stejnosměrné (DC) nebo střídavé (AC) motory, je přesné polohování bez použití koncových spínačů, enkodérů a často také brzdy nebo spojky obtížné. Proto se, zvláště v menších zařízeních, velmi často používají krokové motory.
Odkaz na celý článek

GRBL – výkonný interpret G‑kódů pro Arduino
Program Grbl je volně dostupný interpret G-kódů (podmnožiny standardu RS274) a zároveň ovladač krokových motorů pro CNC stroje, určený pro platformu Arduino.
Odkaz na celý článek

Krokohrátky: vyzkoušejte si spojení krokových motorů a Arduina
Začneme tím nejjednodušším, tedy řízením rychlosti otáčení krokového motoru potenciometrem.
Odkaz na celý článek

AccelStepper – knihovna pro Arduino nabízí pokročilé řízení krokových motorů
Knihovna Arduina umožňuje prostřednictvím svých tříd AccelStepper a MultiStepper objektový přístup k řízení krokových motorů.
Odkaz na celý článek

Stepper – základní knihovna Arduina pro řízení krokových motorů
K využití knihovny je potřeba kromě krokového motoru také odpovídající řadič; nikdy nepřipojujte krokový motor přímo k Arduinu! Knihovna je jednou ze standardních knihoven Arduino a je instalována společně s prostředím Arduino IDE.
Odkaz na celý článek

 

Modelářské servomechanismy

Serva (servomechanismy) byla původně určena pro použití v rádiem řízených (RC) modelech. Jsou však také dobře použitelná pro řadu školních experimentů, řízení laboratorních zařízení, automatizaci domácnosti (například polohování žaluzií, automatické krmení rybiček) a podobné použití.

Obr. 15 Průřez klasickým modelářským servem

Základem serva je stejnosměrný elektromotorek, vícestupňová převodovka sestavená z ozubených kol, zpětnovazební snímač polohy výstupního hřídele (potenciometr nebo bezkontaktní snímač) a řídicí elektronika. Požadovaná pozice výstupní osy serva je přenášena do řídicí elektroniky z nadřazeného řídicího systému pomocí pulzně-šířkově (PWM) modulovaného řídicího signálu.

Napájení a připojení

Do serva vedou tři vodiče; dva servo napájejí a po třetím jsou přenášeny povely. Jako připojovací konektor se obvykle používá plochý trojpinový typ s roztečí dutinek 2,54 mm. Napájecí napětí běžných serv se pohybuje v rozmezí 4,8 až 6 V. Takzvaná mikroserva pracují většinou už od napájecího napětí 3 V, ovšem při tomto napětí jsou už nespolehlivá a jejich točivý moment zcela zanedbatelný.

Moderní serva mohou naopak pracovat i při vyšších napájecích napětích (7,2, 8,4 nebo i 12 V), jejich cena je ale vysoká a pro běžné aplikace jsou zbytečná.

Aby servo mohlo správně pracovat, je třeba, aby napájecí zdroj dodal odpovídající proud; většina serv má špičkový odběr v řádu jednotek ampér.

Právě v napájení serv se dělají největší chyby. Téměř v každém návodu dostupném na internetu jsou zobrazena serva připojená přímo k napájecímu zdroji mikrokontrolérů Arduino nebo micro:bit. To je ovšem zásadní chyba: zdroje napájející tyto mikrokontroléry nejsou dimenzovány na proudový odběr elektromotorků v servech a tak – při troše štěstí – dochází v okamžiku rozběhu zatíženého serva k resetu mikrokontroléru, v horším případě k jeho zničení.

A druhým nepříjemným průvodním jevem takového připojení je vnesení rušivých prvků do napájecího napětí, takže se často stává, že při běhu programu dochází k různým „záhadným“ výpadkům.

Řídicí signál serva

Řídicí impulz je pozitivní s amplitudou od 3 V do napájecího napětí, s aktivní dobou trvání proměnnou od 1 do 2 ms a opakovací frekvencí obvykle 50 Hz. Době trvání řídicího pulzu odpovídá rozsah polohy výstupního hřídele serva ±45°. Většina serv dovoluje zvětšit mechanický rozsah pohybu výstupní osy na ±90° zvětšením rozsahu řídicích impulzů od 0,5 do 2,5 ms. Řídicí impulzy mimo uvedený rozsah už mohou způsobit najíždění serva na mechanický doraz a tím jeho poškození.

Obr. 16 Řídicí signál RC serv

Řídicí impulz se obvykle opakuje 50x za sekundu (perioda 20 ms). Tato hodnota však není kritická, protože na ní závisí především dosažitelný točivý moment a klidový přídržný moment serva.

Pro generování řídicího signálu se samozřejmě výborně hodí mikrokontrolér. Pro mezi amatéry nejpopulárnější kontrolér Arduino jsou k dispozici programové knihovny, které dovolují nejen snadno servo ovládat, ale i řídit rychlost a rozsah jeho pohybu.

 

Servo – základní knihovna pro Arduino
Knihovna Servo je určena pro řízení modelářských servomotorů. K jejímu využití je potřeba nejméně jedno servo a odpovídající zdroj napájení. Knihovna je jednou ze standardních knihoven Arduino a je instalována společně s prostředím Arduino IDE.
Odkaz na celý článek

VarSpeedServo – knihovna pro Arduino
Knihovna umožňuje současně nezávisle na sobě pohybovat osmi RC servy. U každého z nich je možno nastavovat rychlost pohybu, blokovat vykonání dalšího příkazu před dokončením pohybu podle toho předchozího a vytvářet sekvence pohybů.
Odkaz na celý článek

Serva v robotice
Tato příručka se zabývá především modelářskými servy a jejich použitím v jiných oblastech, než pro která byla původně určena. Snaží se poskytnout přehled o rozdělení serv, jednotlivých konstrukčních celcích a nejdůležitějších parametrech, které jsou podstatné pro správný výběr výrobku k danému účelu, uvádí i nejčastěji prováděné úpravy.
Odkaz na celý článek

 

Závěr

Prohlédněte si doprovodné materiály k tomuto článku [1], naleznete v nich mnoho zajímavostí a návodů, které se do tištěné verze nevešly.

Stejnosměrné motory, krokové motory a modelářské servomechanismy umožňují vdechnout život vašim projektům z oblasti modelářství, robotiky, malé domácí automatizace a nejnověji i chytrých domů (Smart Home). Jejich společným jmenovatelem je, že všechny je možno – byť různými způsoby – řídit programy malých amatérských mikrokontrolérů Arduino, micro:bit, ESP 8266, ESP32 a Raspberry Pi Pico, takže náklady na realizaci projektů jsou velice nízké.

david.obdrzalek@mff.cuni.cz | rotta@jederobot.cz
www.robodoupe.cz | www.dps-az.cz/zajimavosti/mechatronika