Koračni motori unipolarni

Jedna od zanimljivih primjena elektronike je upravljanje i regulacija koračnih motora, gdje je moguća primjena posebnih sklopovnih tehnika, za precizno i ponovljivo podešavanje kuta, za upravljanje brzinom odnosno smjerom vrtnje višefaznih koračnih motora. Koračni motori su građeni višefazno: uvijek kada strujni impulsi dođu na zavojnice motora u posve određenom redoslijedu, zaokrenut će se osovina motora za određeni kut obično su to koraci po 1,8° i 7,5°. Osovina motora se pomoću određenog broja upravljačkih impulsa, vrti za određeni kut, ali samo pomoću odgovarajućeg niza impulse, u bilo kom smjeru vrtnje, uz podesivu brzinu i na tzv. kvazikontinuirani način. koračnim motorima se relativno jednostavno upravlja pomoću mikroprocesora ili pomoću posebnog čipa za upravljanje koračnim motorima npr. tipa SAA1027 .0vi lC-ovi su uglavnom namijenjeni za slučajeve kada se želi zakrenuti osovinu motora za određeni kut, kao npr. za pokretanje robotske ruke, za pokretanje glave za tiskanje kod matričnih i kugličnih pisaca, te za pokretanje "traktora" odnosno valjka pisaca.
Stator (dio koji miruje) ovog motora sadrži osam polova, dok su namotaji nasuprotno namotani na polovima tako da međusobno uvijek predstavljaju, nasuprot postavljene, sjeverni i južni magnetski pol. Ova dva nasuprotna pola čine jednu fazu. Ako uzmemo u obzir svih osam polova, znači da imamo četiri faze. Ako sada poteče fazna struja, stvara se magnetsko polje koje se prostre od jednog magnetskog pola preko najkraćeg magnetskog puta i preko rotora od mekog željeza, do drugog magnetskog pola. Rotor ima, u tom primjeru, šest iskovanih polova. Budući da sustav teži zadržati ukupni magnetski otpor sto je moguće manjim, okreće se rotor sve dok se drugi pol ne postavi točno u liniju, jedan prema drugom, s pobuđenim polom. Na slici 1a je faza A pobuđena, tako da se zakreće crtom označeni referentni pol rotora sve do točke ispod pozitivnog pola faze A. Na slici 1 b pobuđena je faza B; rotor se zakreće za 15° u suprotnom smjeru od kazaljke sata, sve dok se ne pozicionira sljedeći pol rotora ispod pozitivnog pola statora. Ovakav hod rotora ponavlja se na slikama 1c i 1d, gdje su pobuđene redom faza C i faza D. Pritom rotor čini korake od 15° u smjeru suprotnom od kazaljke sata, tako da se nakon tri faze postiže pomak rotora od 45°. Nakon toga, referentni pol rotora stane ispod pozitivnog pola statora faze D. Sada se može ponoviti redoslijed faza A-B-C-D, cime će se rotor zaokrenuti dalje u istom smjeru. Rotor se vrti u smjeru suprotnom od kazaljki sata u slučaju da imamo redoslijed faza A-B-C-D dok se uz pomoć redoslijeda faza D-C-B-A, vrti u smjeru kazaljki sata, dakle obratno od ranije opisanog smjera. Drugim riječima: redoslijed faza određuje smjer vrtnje. širina koraka ovog tipa motora odgovara 360°/(P x N), gdje oznaka P odgovara broju faza, a oznaka N odgovara broju polova motora. Motor sa slike proizvodi širinu koraka od 360°/(4 x 6) = 15°. Za puni okretaj potrebno je, prema tome, točno 24 koraka.

Cetverofazni unipolarni koračni motor može imati: osam, šest ili pet električnih priključaka. postoji i bipolarni način priključka koji je sličan kao unipolarni priključak ali se izvodi 1/2 i 3/4 ne priključuju i neće biti tema ovog članka. Tad se motor mora upravljati sa bipolarnim naponom slično kao pojačala u automobilima što poskupljuje elektroniku ali udvostruči zakretni moment.

Osnovni sklop za upravljanje koračnim motorima pomoću tranzistora
Dodavanja odgovarajućih otpornika u seriju sa zavojnicama koračnog motora, moguće je koristiti napon napajanja koji je viši od nazivnog napona koračnog motora

Redoslijed uključivanja za upravljanje punim korakom
Takav redosljed koristi SAA1027

Redoslijed uključivanja za upravljanje polukorakom. Pomoću malog trika možemo četverofaznim hibridnim motorima upravljati tako da imamo polukoračno upravljanje, gdje se rotor zakreće samo za pola koraka, za razliku od normalnog upravljanja gdje se zakreće za puni korak. Da bi se to izvelo, potrebna je mješavina jednofaznog i dvofaznog upravljanja što naravno to nije moguće sa SAA 1027 već samo sa mikrokontrolerima ili slično

.Najčešće korišteni motor jest tip takozvanog hibridnog motora, koji se, zapravo potpuno jednako dinamički ponaša kao motor na slici, ali se razlikuje u određenim konstrukcijskim i funkcionalnim detaljima. Rotor hibridnog koračnog motora načinjen je od permanentnog magneta, čije je magnetsko polje paralelno s osovinom motora, Normalna je pojava da se ovi motori javljaju u četverofaznoj izvedbi, gdje su priključci na svaku zavojnicu izvedeni odvojeno. šest priključaka dobit će se u slučaju da se po dva kraja zavojnica spoje zajedno, kao sto je pripomoć napona koji je veći od nazivnog napona. U tom slučaju priključuju se odgovarajući serijski otpori za ograničavanje struje koja ide u zavojnice motora. Budući da faze 1 i 2 (ili 3 i 4) nikad istovremeno ne vode struju, možemo svaki od tih dvaju parova ili faza spojiti u seriju s jednim zajedničkim otpornikom za ograničavanje struje, kao sto je to prikazano na slici. Tako se, na primjer, šestokoračni motor, čiji unutrašnji otpor faza iznosi 6 oma (1A po fazi pri naponu od 12V), može spojiti na 24V, ali u svakoj fazi u seriju treba dodati otpornik od 6oma (s najmanjom snagom opterećenja od 6 W).


Proizvođači poluvodiča nude nekoliko upravljačkih IC-ova za četverofazne koračne motore. Jedan od najpoznatijih je tip SAA 1027, čije se područje napajanja kreće od 9,5 V do 18 V. Maksimalna izlazna struja ovih IC-ova iznosi 500 mA. Oznake priključaka čipa SAA 1027 prikazane su na slici,  


Unutrašnja blok shema prikazana je na slici. Čip raspolaže s tri odvojena ulaza preko kojih se upravlja sinkronim 2-bitnim ulazno/silaznim brojačem. Izlazni signali brojača vode se na jedan dekoder čija četiri izlaza (putem odgovarajućih pogonskih sklopova) upravljaju četirima tranzistorskima izlaznim stupnjevima, a koji rade u tzv. Open Collector načinu rada (način rada gdje je kolektor 'Slobodan', tj. dostupan izravno na priključku čipa). Ugrađene diode štite pogonske tranzistore od induktivnih 'pikova' (prebačaja napona). Fazne zavojnice se normalno priključuju kod unipolarnog napajanja, te se moraju spojiti prema odgovarajućem polaritetu. U tom slučaju radimo s četverofaznim hibridnim koračnim motorom koji se napaja nazivnim naponom napajanja. Tabela daje redoslijed uključivanja faza. Ako se koristi redoslijed faza tipa 1-2-3-4, motor se vrti u smjeru kazaljke sata, kod redoslijeda tipa 4-3-2-1, osovina koracnog motora vrti se u suprotnom smjeru. Po koraku se istovremeno pobuđuju dvije faze, faza 1 i 2, odnosno 3 i 4, te one nikad nisu istovremeno sve uključene. IC raspolaže odvojenim pri
priključcima za napon napajanja. priključci 12 i 13 napajaju izlazni krug, a priključci 5 i 14 napajaju upravljački krug. U normalnom slučaju spajaju se priključci 5 i 12 na nulti potencijal (masu). Priključak pozitivnog napona napajanja. Ovaj napon iznosi obično 12 V priključuje se izravno na Priključak 13 kao i na Priključak 14, ali putem mreže za razdvajanje R1/C1. Pozitivni napon napajanja mora, osim toga, bit! priključen putem otpornika Rx na Priključak 4, gdje Rx određuje maksimalnu izlaznu struju. Vrijednost Rx izračunavamo pomoću formule Rx = (4U/I) -60n. Sa U označavamo napon napajanja, sa I označavamo željeznu struju jedne faze motora. Ako, na primjer, napon napajanja iznosi 12 V i ako izaberemo da nam vrijednost Rx iznosi 420oma, 180oma ili 100oma, dobit ćemo maksimalnu izlaznu struju od 100 mA, 200 mA ili 300 mA. upravljački ulazi IC SAA 1027 označeni su sa COUNT, MODE i RESET. Ulaz označen s RESET u normalnom stanju je na visokom potencijalu, tj. logicka'1'. Izlazi IC-a mijenjaju svoja logička stanja s pozitivnim bridom upravljačkog signala na ulazu označenom sa COUNT, kao sto je to prikazano u tablici redoslijeda uključivanja. Ovaj redoslijed se ponavlja u četverostupanjskim intervalima, a može se u bilo kojem trenutku dovesti na nulto stanje, ako na ulaz označen s RESET dovedemo napon niskog potencijala, tj. logičku nulu.


.
Sklop na slici praktični je ispitni sklop za četverofazni koračni motor. Izlazna struja iznosi oko 300 mA po fazi. Koračni motor možemo ručno pokrenuti pomoću tipke SW3. RC kombinacija R4/C5 sluzi za otklanjanje posljedica mehaničkog istitravanja kontakta tipke. Kontinuirana upotreba, dakle trajna vrtnja osovine motora postiže se pomoću astabilnog oscilatora izvedenog pomoću IC-a 7 = 555 - tj. multivibratora. Pomoću SW2 možemo birati načine rada 'rad korak po korak" ili "trajna vrtnja" Smjer vrtnje određuje se pomoću preklopke SW4. Ako se motor vrti u pogrešnom smjeru samo zamijenite izvode 1 i 2. Pritiskom na tipku SW5 isključuje se IC, a time i koračni motor. Pomoću preklopke SW-1 i potenciometra mijenjamo frekvenciju oscilatora, a time mijenjamo i brzinu vrtnje koračnog motora. Kod sporog načina rada (1) područje učestalosti kreće se između 5 Hz i 68 Hz. Za koračni motor sa širinom koraka od 7,5° to znači da imamo brzinu vrtnje od 6 do 85 min . U položajima 2 i 3 preklopke multiplicira se učestalost oscilatora faktorom 10 odnosno 100, te se time kod ovog ispitnog sklopa postiže brzina vrtnje osovine motora u području od 6 min'1 do 8500 min' . Treba reći da koračni motori imaju dosta slabi moment koji drastično pada nakon neke frekvencije najčešće oko 300hz. Zato treba koristiti prijenose sa zupčanicima koji povećaju obrtni moment ali smanje brzinu vrtnje. Jeftino se mogu naručiti iz konrada a mogu se i izvaditi iz starih uređaja.