Elektromotorji

Motorji napajani in krmiljeni z elektriko oziroma elektromotorji, so široka skupina naprav, ki pretvarja električno energijo v mehansko na različne načine (večina s pomočjo magnetizma). V tem zapisu si bomo na kratko pogledali vrste motorjev, ki jih lahko najdete v naši ponudbi, predvsem z namenom lažje izbire in poznavanja njihovih osnovnih lastnosti.

Preden se lotimo motorjev si poglejmo še dva elementa, ki se pojavljata v povezavi z motorji:

-reduktor

reduktor


Reduktor je naprava, ki je namenjena zmanjševanju vrtljajev pogonske osi, vretena ali drugega prenosnika, brez da bi se spremenila hitrost pogonskega motorja. Reduktor je možno dodati na katero koli vrsto elektromotorja, vendar je navadno v večini primerov namenjen zmanjševanju vrtljajev in povečevanju navora na osi, zato so najpogostejši gostitelji krtačni motorji (in vsi ostali tipi, ki imajo v osnovi veliko vrtljajev).

Glavni podatek, ki ga srečamo pri reduktorju je prenosno razmerje npr. 100:1, ki pomeni kolikokrat se mora zavrteti vhodna os, da dobimo en vrtljaj na izhodni osi. V opisanem primeru bi z elektromotorjem, ki ima 10000 vrtljajev/min, na izhodni osi dobili 100 vrtljajev/min.

Nekateri reduktorji so lahko zgrajeni tudi tako, da jim lahko z menjavo zobnikov ali na drug način spremenimo prenosno razmerje (tipičen primer bi bil menjalnik v avtomobilu). Pri reduktorjih je poleg prenosnega razmerja pomembna še zmogljivost prenosa moči, zato moramo ne glede na zgradbo moramo paziti, da ga ne preobremenimo. Ta običajno vodi v poškodbe zobnikov ali drugih elementov, razen če ima vgrajeno varnostno sklopko, ki v primeru preobremenitve zdrsne in ga tako zaščiti.

-enkoder (radialni)

motor z enkoderjemoptični enkoder

Enkoder je elektromehanska naprava, ki pretvarja kotni položaj ali gibanje osi v analogni ali digitalni električni signal. Glavni namen je spremljanje dejanskega stanja osi ali izhoda motorja, kar je pomembno za regulacijo vrtljajev ali premika, ter tudi spremljanja napak na motorju (ali se sploh premika, je hitrosti prava, ....). Obstaja več vrst enkoderjev glede na način delovanja: magnetni (slika zgoraj), optični, mehanski, ...., ločijo pa se še glede na informacijo, ki jo posredujejo: absolutni, impulzni, ....

Za nadzor elektromotorjev so najpogosteje uporabljeni impulzni enkoderji (ali dajalniki impulzov), ki nam generirajo električni impulz na določen kot vrtljaja. Vsak enkoder ima podano število razdelkov na vrtljaj (angleško CPR - counts per revolution) in iz tega izvemo kako natančno bomo lahko spremljali vrtenje motorja npr. 12 CPR pomeni, da bomo za vsak vrtljaj motorja dobili na izhodu enkoderja 12 impulzov. Če pa imamo za motorjem nameščen še reduktor, se nam na izhodni osi reduktorja ta faktor poveča še za prenosno razmerje in to pomeni, da bomo pri reduktorju, ki ima razmerje 100:1 za vsak vrtljaj izhodne osi dobili 1200 impulzov (približno na vsake 0,3 stopinje vrtljaja).

Enkoderji so običajno nameščeni na osi motorja, zato moramo paziti, da motor to omogoča (običajno z podaljšano osjo), če ga nameravamo montirati kasneje, v določenih primerih pa tudi na izhodni osi, če aplikacija to zahteva.

KRTAČNI MOTOR (enosmerni)

krtačni motor mot2nmotor in reduktor

Krtačni motor spada med najbolj razširjene vrste elektromotorjev, predvsem zaradi zelo enostavne zgradbe in posledično tudi ugodne cene, ter enostavnega načina krmiljenja. Uporabljajo se samostojno in kot sestavni deli hibridnih motorjev (npr. servomotor), glavna omejitev pa je obraba krtačk, ki pa jo lahko precej nevtraliziramo z pravilnim režimom delovanja ali pa uporabo motorjev, ki uporabljajo krtačke iz trajnejših materialov. Kjer to ni možno, krtačni motor lahko nadomestimo z brezkrtačnim, ki pa je običajno bolj zahteven za krmiljenje.

Osnovne lastnosti/podatki

-število vrtljajev (vrt/min)
Poleg dimenzij in moči je število vrtljajev običajno najbolj pomemben podatek pri izbiri elektromotorja. Pri načrtovanju je pomembno, da upoštevamo nekaj višje število vrtljajev pri motorju v prostem teku, kar pomeni da se bo ob obremenitvi zmanjšalo in moramo računati na rezervo pri krmiljenju, če je to pomembno.

-delovna napetost (V)
Krtačni motorji običajno lahko delujejo v napetostnem razponu (npr. od 10V do 13V), kar nam omogoča tudi enostavno regulacijo vrtljajev. Pri izbiri motorja se poskušamo čimbolj približati predvideni (razpoložljivi) napetosti, ker prevelik odmik vpliva na povečano obrabo in seveda tudi življensko dobo motorja.

-tok prostega teka (A)
Običajno pomeni minimalni tok, ki ga elektromotor potrebuje za vrtenje, ko ni obremenjen.

-kratkostični(držalni) tok (A)
Ta podatek označuje največji tok, ki bo stekel čez motor ob obremenitvi, ki ga bo zaustavila (ali kratkotrajno ob zagonu) in je običajno indikator kako močan krmilnik oziroma vir potrebujemo za delovanje. Če motor ne bo deloval v tem režimu lahko uporabimo šibkejši krmilnik, vseeno pa je dobro da ima tokovno zaščito.

-držalni navor (kg/cm)
S tem podatkom je podana mehanska obremenitev, ki bo zaustavila vrtenje motorja in vsako delovanje motorja v tem režimu običajno pomeni preobremenitev in uničenje. Podatek je namenjen temu, da izberemo motor ali motor z reduktorjem, kjer obremenitev ne bo nikoli dosegla te stopnje. Pri motorjih z reduktorjem je pomemben tudi podatek, da bo pri takšni obremenitvi najverjetneje prišlo do poškodb zobnikov, zato moramo pri večjih prestavnih razmerjih to obvezno preprečiti.

Krmiljenje

Za delovanje enosmernega krtačnega elektromotorja ne potrebujemo kakšnega posebnega krmilnika, ampak je dovolj da ga priklopimo na enosmerni vir napetosti (ki lahko dovaja zadosten tok) in motor se bo pričel vrteti. Vrtljaji motorja so odvisni od same zgradbe in pa od napajalne napetosti. Večina motorjev te vrste dopušča nekaj odstopanja od nazivne napetosti, je pa potrebno vedeti, da delovanje na nižji napetosti zmanjšuje navor motorja, delovanje na višji napetosti od predvidene pa lahko drastično zmanjša njegovo življenjsko dobo.

KORAČNI MOTOR

koračni motor

Koračni motor je posebna vrsta elektromotorja, katerega glavna značilnost je, da se naenkrat premakne za določen predviden kot (v normalnem delovanju za kot enega koraka npr. 1,8°). Uporabljamo ga predvsem za premikanje bremen, kjer potrebujemo predvidljivo natančnost (pomiki po XYZ oseh, vrtenje za določen kot, ...). Obstaja več vrst koračnih motorjev glede na zgradbo, od katerih sta najpogostejša bipolani in unipolarni. Vsaka vrsta ima svoje prednosti in lastnosti, vendar je glede tega najpomembneje, da poznate vrsto motorja pred izbiro krmilnika, ki ga seveda izberete glede na motor. Kot že omenjeno se ti motorji večinoma uporabljajo za pozicijske pomike, ker lahko ostanejo in držijo točno določeno pozicijo, so pa tudi običajno omejeni z številom vrtljajev navzgor.

Osnovne lastnosti/podatki

-kot/korak (koraki/vrtljaj ali °/korak)
Koliko normalnih korakov potrebuje motor za vrtljaj je osnovni podatek in iz njega tudi izpeljemo kakšen krožni pomik to pomeni (npr. 200 korakov/vrtljaj pomeni kot nega koraka 1,8°). Z določenimi krmilniki je koračne motorje možno premikati tudi v manjših kotih (mikro-korakanje ali microstepping).

-napetost (V)
Ker se koračni motorji običajno krmilijo tokovno, je napetost ponavadi samo podatek kakšen vir bomo potrebovali za največji izkoristek, saj se običajno uporabljajo napetosti višje od nazivne, krmilnik pa poskrbi za pravilno omejitev glede na tok (odvisno od krmilnika).

-tok (A)
To je glavni podatek za izbiro krmilnika, ki mora za največji izkoristek motorja in največjo moč, biti sposoben dovajati specificiran tok. Upoštevati je potrebno tudi, da je lahko hkrati aktivnih več kot ena faza motorja, kar pomeni da mora biti tudi napajalnik sposoben to zagotavljati.

-držalni navor (kg/cm)
Pomeni največjo mehansko obremenitev, kjer bo motor še lahko ostal na želeni poziciji. Če bo ta vrednost presežena se lahko motor premakne nekontrolirano, zato mora biti pri te meji dovolj rezerve.

Krmiljenje

Za praktično uporabo koračnega motorja potrebujemo poseben krmilnik, ki poskrbi za pravilne kombinacije signalov na motorju, tako da se ta vrti na želen način. Poleg te osnovne funkcije krmilnik poskrbi še za to, da motor izkoristimo v največji meri z nadzorom toka skozi posamezna navitja, ter da ga lahko vrtimo natančneje od posameznega koraka (mikro-korakanje/microsteping). Odvisno od izvedbe nam lahko ponuja še druge funkcije kot so zaznavanje napake na motorju, preobremenitev, temperaturna zaščita, ...

Za premikanje koračnega motorja poleg napajanja nujno potrebujemo vsaj še dva signala:

-smer
Ta signal ima lahko vrednost 1 ali 0 in s tem določamo v katero smer se bo motor vrtel

-korak/step
na ta vhod krmilnika moramo pripeljati impulze in ob vsaki spremembi se bo motor obrnil za 1 korak

SERVO MOTOR

servo motor

Servo motor spada v hibridno vrsto motorjev, saj je običajno sestavljen iz klasičnega motorja (različnih vrst), senzorja(-ev) in elektronskega vezja, ki skrbi da izhodna os sledi krmilnemu signalu. Glavna značilnost servo motorja je, da sam poskrbi za pravilni položaj ali gibanje osi, glede na vhodni signal, tako da se nam s tem ni potrebno ubadati. Servo motorjev obstaja precej vrst, glede na namen, način krmiljenja in še druge posebnosti, so pa tudi pogost nadomestek za koračne motorje, predvsem kadar potrebujemo višjo hitrost.

V naši ponudbi imamo samo servo motorje, ki jih lahko krmilimo z tako imenovanim RC signalom (več pod krmiljenje) in so namenjeni predvsem manjšim robotom, modelarstvu ali za druge podobne funkcije.

Osnovne lastnosti/podatki

-napetost (V)
Večina RC servo motorjev deluje v napetostnem območju od 4-6V, zato moramo paziti, da imamo ustrezen napajalnik, ker drugače lahko pride do poškodb motorja. Pri napajanju moramo paziti tudi na zagotavljanje tokovne zmogljivosti napajalnika, saj močnejši servo motorji za hitre premike potrebujejo kar precejšen tok.

-kot premikanja osi (°)
Pozicijski servo motorji imajo delovni pomik lahko samo 180° ali celo manj, nekatere izvedbe pa imajo delovno območje polnih 360°, zato moramo pri načrtovanju to upoštevati in izbrati pravilen motor. Rotacijski servo motorji se vrtijo zvezno, smer in hitrost pa določamo z vhodnim signalom.

-hitrost premika (s/kot° - npr. 0.10 sec/60°)
Če potrebujemo zelo hitre premike, potem nam ta podatek pove ali bo naš motor to zmogel ali ne.

-navor (kg/cm)
Določa največji navor pri katerem servo motor lahko drži nastavljen položaj.

-natančnost/ločljivost
Pri motorju je lahko podan tudi najmanjši možni premik oz. zaznana sprememba signala, kar v bistvu pomeni kako natančno bo lahko servo motor sledil krmilnemu signalu

Krmiljenje

Servomotor, ki je narejen za krmiljenje z RC signalom potrebuje napajanje in signal, ki mu pove v kateri položaj naj se premakne. Za krmiljenje ne potrebujemo končne stopnje kot pri ostalih motorjih, saj za to poskrbi motor, ampak le pravilen signal, ki mu regulacijsko vezje v motorju sledi.

servo signali

Osnovni signal za krmiljenje RC servo motorjev so impulzi, ki imajo običajno frekvenco okrog 50 Hz, čeprav se lahko ta giblje od 30 Hz do 200 Hz. Ta signal je osnova, dejansko pa predstavlja krmilni del signala širina impluza kot prikazuje slika.
Nevtralna pozicija je običajno širina signala 1,5 ms, minimalni in maksimalni odmiki pa se lahko precej razlikujejo od proizvajalca in tudi vrste servo motorja. Minimalni položaj lahko tipično pomeni širina med 0,5 ms in 0,8 ms, največja širina impulza pa je tipično med 2,5 ms do 3 ms.

Na sliki so predstavljeni trije signali, ki določajo:
1. nevtralni položaj (ali stanje brez vrtenja pri rotacijskem servo motorju)
2. minimalno širino impulza in prvi skrajni položaj (rotacijski servo-vrtenje v eno smer)
3. maksimalno širino impulza in drugi skrajni položaj (rotacijski servo-vrtenje v drugo smer)