Powrót do abecadła.

Silniki krokowe - wprowadzenie

Silniki krokowe (inaczej skokowe) stosowane są do napędów wymagających precyzyjnego pozycjonowania.
Przykładami obrabiarki numeryczne, roboty przemysłowe, peryferia komputerów. Rys. 1.
Podział ze względu na fizyczną zasadę działania:
- Z wirującym magnesem. Zasadę przedstawia rys.2 A-A'B-B', bieguny stojana. Na wirniku umieszczone są magnesy stałe. Zmiana prądów płynących w cewkach nawiniętych wokół biegunów stojana powoduje zmianę położenia magnesów wirnika.
- reluktancyjne, zasadę pracy przedstawia rys.3
  A-A'B-B'C-C' stanowią bieguny trojana. Wirnik wykonany z ferromagnetyka o specyficznym kształcie (koło zębate) ustawia się tak, aby zamykać jak najwięcej linii pola magnetycznego. Zmiana prądów płynących w cewkach nawiniętych wokół biegunów stojana powoduje zmianę położenia wirnika.
- Hybrydowe, stanowią połączenie dwóch powyższych rozwiązań.
Obecnie najczęściej spotyka się silniki hybrydowe, wykonujące 100, 200 i więcej kroków na obrót - średnie i duże, oraz reluktancyjne miniaturowe, wykonujące do 24 kroków na obrót.
Najczęściej spotykane obecnie silniki mają dwie fazy, każda podzielona na dwa uzwojenia. W literaturze polskiej [1] przyjęto, że są to cztery fazy, nie dwie połówki. Opracowania zagraniczne [2] traktują to jako dwie fazy podzielone na pół. rys.4
Wyprowadzenia przewodów silników hybrydowych, dwufazowych, mogą wyglądać jak na rys.5. Silniki dwufazowe mogą mieć wyprowadzone 5,6 lub 8 przewodów.
Silniki krokowe mogą być zasilane unipolarnie (w każdej półfazie prąd może płynąć tylko w jednym kierunku) rys.6 lub bipolarnie rys.7 (w każdej fazie prąd może płynąć w obu kierunkach.)
Na rysunku pokazano tylko jedną fazę. Silniki z wyprowadzonymi pięcioma przewodami mogą być zasilane tylko unipolarnie. Silniki z sześcioma i ośmioma wyprowadzeniami mogą być zasilane unipolarnie lub bipolarnie. Zasilanie bipolarne daje w stosunku do unipolarnego większy moment obrotowy przy takim samym prądzie płynącym przez uzwojenie, wymaga jednak bardziej rozbudowanego układu sterowania - drivera.
Aby silnik krokowy wykonywał ruch, do poszczególnych uzwojeń fazowych stojana należy cyklycznie doprowadzać/wyłączać prąd (lub zmieniać jego kierunek) według ściśle określonego cyklu, zwanego algorytmem sterowania. Jeżeli przyjmemy oznaczenia: A1- prąd płynie przez półfazę A1; A2- prąd płynię przez półfazę A2; i podobnie B1 i B2, to podstawowe algorytmy sterowania mają postać:
- "1/4" A1 B1 A2 B2 A1 ...
- "1/2" A1B1 A2B1 A2B2 A1B1 ...
- "3/4" A1A2B1 A2B1B2 A1A2B2 A1B1B2 ...
Oraz algorytmy półkrokowe (zwiększające ilość kroków dwukrotnie)
- "3/8" A1B1 B1 A2B1 A2 A2B2 ...
- "5/8" A1B1 A1A2B1 A2B1 A2B1B2 A2B2 ...
Algorytm "1/4" ze względu na to, że posiada same wady (mikroskopijny moment, duże drgania) występuje tylko jako przykład w literaturze. Najczęściej stosowany jest algorytm "1/2" - dobry moment, znośne drgania. Często w napędach z silnikami krokowymi stosuje się programowe zwiększenie ilości kroków, tzw. mikrokrok, poprzez sterowanie impulsowe PWM stosunkiem prądów w fazach, przy algorytmie "1/2". Takie rozwiązanie stosujemy w naszych zestawach.
Zalety silników krokowych
- Precyzja pozycjonowania
- Prostota budowy (brak komutatora)
Wady silników krokowych
- Skomplikowany system zasilania
- Niska sprawność
- Kiepska charakterystyka obroty - moment
- Głośna praca przy niskich częstotliwościach taktowania
- Brak mechanizmu kompensacji wzrostu obciążenia prądu - prąd płynący przez uzwojenia nie zależy od obciążenia
Silnik krokowy zależnie od częstotliwości taktowania może pracować w trybie start-stopowym dla niskich częstotliwości, a poniżej pewnej granicy w trybie synchronicznym.
Przy zwiększaniu częstotliwości taktowania przechodząc od pracy start- stopowej do obrotów synchronicznych, praca silnika nagle staje się cichsza. Częstotliwość przejścia zależy od bezwładności układu napędzanego wraz z silnikiem (moment bezwładności zredukowany).
Zwiększając dalej częstotliwość taktowania, dochodzimy do momentu gdy silnik zatrzymuje się. Po zdjęciu obciążenia silnik nie rusza ponownie. Podobnie w całym zakresie pracy synchronicznej, przeciążenie silnika powoduje jego zatrzymanie (nazywa się to wypadnięciem faz, któremu towarzyszy charakterystyczne buczenie). Zmniejszanie obciążenia nie powoduje startu silnika. Aby silnik uruchomić ponownie, należy zmniejszyć częstotliwość taktowania do zakresu start-stopowego.
Kilka uwag odnośnie projektowania napędów z silnikami krokowymi:
- Układ napędzany powinien mieć możliwie najmniejszą bezwładność (moment bezwładności zredukowany na wał silnika), czyli możliwie mało metalu i małe średnice części obrotowych.
- Układ napędzany nie może mieć luzów większych niż jeden krok silnika, oraz musi mieć dużą sztywność. Należy unikać np. mas na sprężynach.
- Chcąc korzystać z pracy synchronicznej silnika należy płynnie przyspieszać i hamować. (Odpowiedni układ sterowania silnikiem z procedurami przyspieszania i hamowania.)
Podstawowy problem przy konstrukcji sterowników silników krokowych to indukcyjność uzwojeń. Idukcyjność ta powoduje wydłużenie czasu narastania prądu po jego włączeniu. Efektem jest spadek prądu płynącego przez uzwojenia i momentu napędowego wraz ze wzrostem częstotliwości taktowania. Opracowano wiele metod powiększania zakresu prędkości obrotowej silnika krokowego. Najprostsze to podniesienie napięcia zasilania z jednoczesnym ograniczeniem prądu rezystorem. Najbardziej skomplikowane jest zasilanie impulsowe PWM. W naszych zestawach zastosowane jest rozwiązanie pośrednie - zasilanie dwunapięciowe ze sprężeniem zwrotnym. (Tak jak napęd głowicy w większości drukarek igłowych.) Zasadę pracy przedstawia rys.8. Rys. 8. Sterowanie dwunapięciowe bipolarne fazy silnika krokowego.
Napięcie wysokie (HV supply) jest wyłącznie po przekroczeniu granicznej wartości prądu na rezystancji pomiarowej Rs.
Przy wyłączaniu prądu na indukcyjnościach pojawiają się przepięcia. W celu ich wyeliminowaniu stosujemy typowe układy zabezpieczeń rys. 9. Diody zabezpieczające pełnią ważną rolę przy zasilaniu impulsowym - umożliwiają przepływ prądu między impulsami. rys. 9. Diody przeciwprzepięciowe w układzie unipolarnym i bipolarnym.
Obecnie najbardziej popularne jest zasilanie impulsowe w układzie bipolarnym, umożliwiające osiąganie dużych prędkości obrotowych oraz zastosowanie mikrokroku.
Mikrokrok polega na elektronicznym zwiększeniu ilości kroków na obrót. 4,8,16 a nawet 256 krotnie, poprzez sterowanie impulsowe proporcją prądów w dwóch fazach (sinus). Silnik krokowy zachowuje się dokładnie tak samo jak silnik synchroniczny sterowany falownikiem. Mikrokrok umożliwia bardzo płynny i cichy ruch nawet przy małych prędkościach obrotowych.
Literatura:
- J. Pieńkoś, J. Turczyński ,,Układy scalone TTL w systemach cyfrowych". WKŁ 1986
- F. Prautzsch ,,Schrittmotor - Antriebe" Think escap nr 5, wydawnictwo firmy ESCAP.