Výběr správného motoru - DC vs Stepper vs Servo
Je velmi možné, že se právě nacházíte v blízkosti alespoň jednoho typu motoru. Jsou téměř všude, od fotoaparátů a fanoušků po přehrávače DVD a vibrace telefonu. Je jich tolik, že je těžké vybrat ten správný motor a nevynechat některé z jeho důležitých parametrů. Díky této příručce se dozvíte, jaké jsou rozdíly mezi jednotlivými motory.
Druhy motorů
Porovnáme 3 nejběžnější typy motorů - DC, Stepper a Servo. Jejich použití, výhody a nevýhody jsou zde uvedeny.
1. Kartáčové a střídavé stejnosměrné motory
Stejnosměrné motory jsou elektromagnetická zařízení. Využívají interakci mezi magnetickým polem a elektrickým vodičem k přeměně elektrické energie na mechanickou energii ke spuštění rotace. Na trhu existuje mnoho typů stejnosměrných motorů. Nejběžnější jsou kartáč a kartáč.
Kartáčovaný stejnosměrný motor
Kartáčované stejnosměrné motory existují od 19. století. Nyní jsou téměř všude - v hračkách, domácích spotřebičích, počítačových fanoušcích atd. Jejich výroba a ovládání je velmi snadné. Je tedy normální, že elektrické kartáčované motory jsou stále oblíbenými motory profesionálů a fandů.
Stejnosměrné kartáčované motory se dodávají v různých velikostech
(Zdroj: Alliedmotion)
Vnitřek motoru kartáče
Proč takové jméno? Proud je dodáván dvěma stacionárními kovovými kartáči, které se dotýkají různých segmentů na prstenci. Jak se komutátor otáčí, kartáče se dotýkají každého následujícího segmentu a tak pokračují v otáčení motoru. Jak si dokážete představit, vytváří to velké tření, a proto také teplo a někdy i jiskry.
Princip činnosti:
Schéma činnosti motoru kartáče.
(Zdroj: Renesas)
Jak se pohybuje elektromotor? Skládá se z cívek připojených k segmentům na prstenci nebo komutátoru. Cívky jsou obklopeny dvěma magnety nebo statorem, který obklopuje cívky v elektrickém poli. Když je proud přenášen vodičem v magnetickém poli, prožívá energii. Cívky v motoru tedy také zažívají sílu, která je tlačí a začne se otáčet. Výše uvedený GIF představuje princip činnosti motoru kartáče. Cívka zažívá sílu řízení dolů, když dosáhne pravé části, a sílu řízení nahoru, když se dotkne levé části. Rovnoměrné rotace lze dosáhnout přidáním několika cívek zapojených do různých sekcí komutátoru. Směr otáčení se změní, když se změní polarita kontaktů motoru.
Výhody a nevýhody:
Výhody:
- Snadné ovládání
Ovládání stejnosměrného motoru kartáče je jednoduché. K zahájení práce stačí připojit k nim napětí. Zpomalí, když je napětí nižší, a otočí se opačně, když je napětí obráceno.
- Vynikající točivý moment při nízkých otáčkách
Vysokého točivého momentu je dosaženo při nízkých otáčkách.
- Docela efektivní
Stejnosměrné kartáčované motory jsou 75-80% účinné.
- Levný
Typický stejnosměrný kartáčový motor stojí jen asi 10 PLN.
Nevýhody
- Hlučný
Hluk je způsoben třením částí a silnými jiskrami. Vyrábí se na místech, kde kartáče přeskakují díry v komutátoru. To může způsobit potenciální rušení ostatních částí systému.
- Průběžná údržba
Nepřetržitý pohyb může kartáče rychle poškodit. Vyžadují neustálou údržbu. Rychlost může být také omezena zahřátím kartáče.
Aplikace:
V dnešní době někteří tvrdí, že kartáčové motory již nezáleží na tom, jak byly v mnoha případech nahrazeny bezkartáčovými motory. To však není pravda. Kartáčované motory mohou být stále nejlepším řešením pro mnoho průmyslových zařízení, která vyžadují konstantní točivý moment v celém rozsahu otáček motoru. Můžete je mimo jiné použít v mobilních telefonech (pro generování vibrací), hračkách, přenosných ventilátorech, akumulátorových vrtačkách, oknech v autě a mnoha a mnoha dalších. Kartáčovaný motor může být vhodnější volbou, pokud vám nejvíce záleží na jednoduchém řídicím systému a nízké ceně.
Střídavé stejnosměrné motory
Střídavé stejnosměrné motory jsou mechanicky jednodušší než kartáčové motory. Komutace se dosahuje elektricky, takže jiskry a hluk nepřicházejí v úvahu. Díky tomu je změna proudu tichá a motor pracuje bezhlučně. Takové tiché motory se používají u počítačových fanoušků, diskových jednotek, dronů, elektrických vozidel a vysoce přesných serv.
Schéma provozu střídavého motoru.
(Zdroj: Renesas)
Bezkartáčový plný proudový motor má pouze jednu pohyblivou část - rotor. Jeho přítomnost znamená, že nedochází ke komplikacím, které byly způsobeny kartáči v kartáčových motorech. Rotor se skládá z prstence permanentních magnetů a cívky jsou stacionární. Díky tomu jsou štětce zbytečné. Je obtížné řídit polaritu proudu protékajícího cívkami a udržovat jej v synchronizaci s rychlostí rotoru. Toho lze dosáhnout měřením elektromagnetické síly (EMF) nebo použitím Hallova snímače k přímému měření polohy magnetu. Z tohoto důvodu mají střídavé motory navzdory mnoha výhodám tendenci být dražší a složitější.
Výhody a nevýhody:
Výhody:
- Tichý
Ve srovnání s kartáčovanými motory generují méně elektrického šumu, protože nepoužívají kartáče. Proto jsou střídavé elektromotory voleny častěji, když je důležitý tichý chod motoru.
- Účinný
Elektrický střídavý motor je účinnější než kartáčovaný motor, protože může trvale dosahovat maximálního rotačního výkonu / točivého momentu. Na druhé straně motory kartáčů dosáhnou svého maximálního točivého momentu pouze v určitém bodě během otáčení. Aby motor kartáče běžel stejnou rychlostí jako bezkartáčový motor, potřebuje větší magnet.
- Vyžaduje méně údržby
Elektrický bezkartáčový motor má dlouhou životnost, protože nemá žádné vyměnitelné kartáče.
Nevýhody:
- Ovladač
Některé střídavé motory se obtížně ovládají a vyžadují speciální regulátor.
Aplikace:
Díky své účinnosti a dlouhé životnosti nahradily střídavé motory většinu svých kartáčovaných protějšků. Používají se v zařízeních, která pracují nepřetržitě, např. V pračkách, klimatizacích a ve spotřební elektronice (ventilátory v počítačích, diskové jednotky atd.). Nedávno se také používaly v dronech, protože lze přesně řídit rychlost otáčení každého rotoru. V blízké budoucnosti můžeme očekávat, že střídavé motory budou mít více aplikací.
2. Krokové motory
Krokové motory se pohybují pomalu a přesně. Jsou ceněny pro přesnou kontrolu polohy, a proto mají nespočet aplikací, včetně ve stacionárních tiskárnách, monitorovacích kamerách, CNC frézkách atd.
Princip činnosti:
Schéma činnosti krokového motoru.
(Zdroj: emmeshop)
Krokové motory mají řídicí systém, který vysílá elektrické impulsy do řídicí jednotky. Na oplátku je interpretuje a vysílá proporcionální množství napětí do motoru. Poté se motor pohybuje v přesně nastavených úhlech. Funguje podobně jako stejnosměrný stejnosměrný motor, kromě toho, že umožňuje mnohem menší otáčky. Jeho jedinou pohyblivou částí je také rotor, který se skládá z magnetů. Polarita každé cívky je řízena střídavým proudem. Po změně je každá cívka tlačena nebo tažena, čímž se motor pohybuje.
Tyto motory lze ovládat běžně dostupnými a levnými mikrokontroléry. Krokový motor je však pojídač síly. Malé kroky, které to vyžaduje, také znamenají, že nejvyšší rychlost je nízká, a kroky by mohly být teoreticky přeskočeny, když se používá velká zátěž.
Výhody a nevýhody:
Výhody:
- Přesné umístění
Krokové motory mají velký počet pólů, obvykle 50 až 100. Motory se mohou mezi těmito póly pohybovat přesně bez pomoci kodéru polohy. A protože se pohybují s přesnými rotacemi, nejčastěji se používají v zařízeních, která vyžadují přesné umístění, jako jsou 3D tiskárny, CNC stroje, kamerové platformy, plotry X a Y.
- Podrobná regulace rychlosti
Přesné zvýšení pohybů umožňuje vynikající řízení rychlosti, díky čemuž jsou tyto motory vhodné pro automatizaci a robotiku.
- Vynikající charakteristiky točivého momentu při nízké rychlosti
Krokové motory mají maximální točivý moment při nízkých otáčkách (pod 2 000 ot / min). Díky tomu jsou vhodné pro zařízení, která nepotřebují vysokou rychlost, ale vyžadují vysokou přesnost. Standardní elektromotory a serva nemají při nízkých otáčkách tolik točivého momentu.
- Perfektní točivý moment pro držení polohy
Vhodné pro zařízení s vysokým přídržným momentem.
- Snadné ovládání
Krokové motory lze snadno ovládat pomocí mikrokontrolérů, jako je ATmega, které jsou snadno dostupné na vývojových deskách Arduino.
Nevýhody
- Hluk
Krokové motory při provozu nejsou tiché. Pokud má být váš stroj bezhlučný, vydrží široký rozsah rychlostí a krouticích momentů a pro udržení přiměřeného výkonu, zvolte elektrický motor. Pokud je ale třeba vaše zařízení pro řízení pohybu postavit rychle, nemusí to být efektivní a nějaký hluk je přijatelný, je vhodnější krokový motor.
- Omezený vysokorychlostní točivý moment
Krokové motory mají obecně nižší točivý moment při vysokých rychlostech než při nižších rychlostech. Některé z těchto motorů lze optimalizovat tak, aby byl při vysokých rychlostech vyšší točivý moment. K tomu však musí být motor spárován s ovladačem.
- Nízká účinnost
Na rozdíl od elektrických motorů krokový motor odebírá maximální proud bez ohledu na zátěž. Může to být přehřátí.
- Může přeskakovat rotaci
Nejvyšší otáčky motoru jsou nízké, při vysokém zatížení mohou přeskakovat otáčky.
Aplikace:
Krokové motory mají řadu aplikací a používají se v mnoha běžných strojích a zařízeních. Jsou vhodné pro zařízení vyžadující přesné polohování, točivé momenty při nízké rychlosti a řízení rychlosti. Mezi tato zařízení patří CNC frézky, lékařské zobrazovací stroje, tiskárny, sledovací kamery, 3D tiskárny atd.
3. Servomechanismy
Servomechanismy jsou schopny poskytovat velmi přesné řízení pohybu. Zpětná vazba detekuje rozdíl mezi skutečnou a požadovanou rychlostí nebo polohou. Regulátor tak může upravit výstup tak, aby korigoval jakoukoli vzdálenost od cílové polohy. Polohování a konstantní rychlost jsou dva základní typy servomotorů.
Servo s konektorem Grove.
Princip činnosti:
Servo se skládá z elektromotoru. Elektromotory běží při vysokých otáčkách a velmi nízkém točivém momentu. V servomotoru jsou však uspořádána ozubená kola, která zpomalují vysokou rychlost vnitřního elektrického motoru a zvyšují točivý moment. Jinými slovy, rychlost otáčení servopohonu je mnohem pomalejší, ale má větší točivý moment. Ozubená kola jsou obvykle plastová, aby byl motor lehčí a levnější. Ale v servomotorech, které mají větší točivý moment a jsou konstruovány pro obtížnější úkoly, jsou ozubená kola kovová.
Servopohon má na posledním rychlostním stupni snímač polohy nebo kodér. Na základě řízení uzavřeného obvodu mikrokontrolér porovnává skutečnou a požadovanou polohu rotoru a generuje chybový signál. Poté se použije ke generování příslušného řídicího signálu k uvedení rotoru do jeho konečné polohy. Sofistikovaná serva také měří rychlost potřebnou k zajištění přesnějšího a plynulejšího pohybu.
Serva s proměnným úhlem otáčení - běžně se používají v malých projektech, kde je vyžadováno mírné umístění. Toto je nejběžnější a nejlevnější typ serva. Otočí se o 180 stupňů. Nemá žádnou regulaci rychlosti ani konstantní rychlost. Toto servo má zabudované fyzické zámky v převodovém mechanismu, aby se zabránilo jeho zkroucení nad limity, které chrání rotační senzor.
Kontinuální serva - Na rozdíl od polohovacích serv se mohou tato serva nepřetržitě otáčet ve směru hodinových ručiček a proti směru hodinových ručiček při různých rychlostech v závislosti na povelovém signálu.
Výhody a nevýhody
Výhody:
- Vynikající vlastnosti točivého momentu při vysokých rychlostech
Při rychlostech vyšších než 2 000 ot./min mají servomotory vyšší točivý moment a jsou nejvhodnější pro vysokorychlostní zařízení s vysokým točivým momentem, které zahrnuje dynamické změny zatížení. Tyto motory mohou produkovat vyšší špičkový točivý moment, protože mohou pracovat při vyšších rychlostech.
- Odrůda
Mají různé velikosti a momenty.
- Nízké náklady
Malá serva stála jen asi tucet zlotých. Mnoho z nich má plastové převody, aby byly lehké a levné.
Nevýhody:
- Vibrace
Mechanismus zpětné vazby serva se bude neustále snažit napravit jakoukoli odchylku od cílové polohy. Výsledkem této konstantní úpravy bude chvění při zachování stabilní polohy. Pokud takový problém nechcete, zvolte krokový motor.
Servopohony se používají na mnoha místech - od běžných hraček po předměty každodenní potřeby a automobily. Používají se v dálkově ovládaných automobilech k jejich řízení. Používají se také v DVD přehrávačích k vkládání a vysouvání disků. Používají se také ve velké míře v robotice. Přicházejí ve všech tvarech a velikostech, takže si můžete být jisti, že také najdete to správné servo.
Toto jsou základní informace, které můžete při výběru motoru vzít v úvahu. Specifikace, jako jsou otáčky, točivý moment, intenzita proudu a napětí, vám také pomohou rozhodnout, který motor je pro váš projekt vhodný, proto věnujte pozornost vašim požadavkům. Pamatujte také, že pro mnoho věcí bude často rozhodující jeden faktor. Znalostí dostupných motorů a vytvořením návrhových parametrů se můžete vyhnout nákladným chybám a vybrat si ten nejlepší motor.
Jste ve světě motorů nováčkem a nevíte, jak s nimi začít pracovat? Věříme že kdokoli dokáže vytvořit úspěšný elektronický design a nikdo by neměl být připraven o toto potěšení jen proto, že uvízl v pájení nebo ladění elektrických obvodů. Pro začátečníky doporučujeme sadu Grove - snadno použitelný systém plug-and-play. Jeho části lze sestavit jako kostky Lego, takže si nemusíte dělat starosti s používáním kontaktních desek nebo spojovacích kabelů. Soupravu si můžete koupit zde.
Máme také široký výběr stejnosměrných motorů , krokových motorů a servomotorů .