Silniki krokowe - budowa, zasada działania i sterowanie

Silniki krokowe zyskały sporą popularność w układach napędowych, głównie dzięki nieskomplikowanej budowie, dużym momentom wyjściowym bez przekładni i prostemu sterowaniu.  Mimo gorszych parametrów ruchu w wielu układach z powodzeniem konkurują z serwonapędami DC czy znacznie lepszymi pod względem parametrów ruchu nowoczesnymi serwonapędami AC / BLDC, a w niektórych są nawet niezastąpione. 

Budowa i zasada działania

Silnik krokowy (inaczej skokowy) to silnik, w którym impulsowe zasilanie prądem elektrycznym powoduje, że jego wirnik nie obraca się ruchem ciągłym, lecz wykonuje za każdym razem ruch obrotowy o ściśle ustalonym kącie. Dzięki temu kąt obrotu wirnika jest ściśle zależny od liczby dostarczonych impulsów, a prędkość kątowa wirnika jest dokładnie równa częstotliwości impulsów pomnożonej przez wartość kąta obrotu wirnika w jednym cyklu pracy silnika. Pozwala to w prosty sposób ustalić dokadne położenie wału silnika krokowego bez stosowania zaawansowanych serwokontrolerów jak w przypadku silników bezszczotkowych prądu zmiennego czy silników DC.

Kąt obrotu wirnika pod wpływem działania jednego impulsu może mieć różną wartość, zależnie od budowy silnika – jest to zwykle wartość od kilku do kilkudziesięciu stopni. Silniki krokowe,w porównaniu do innych silników są napędami dość wolnymi, górna, użyteczna granica prędkości to około 1000...2000 obr./min. Dolna granica może być z kolei bardzo niska i wynosić nawet ułamki obr./sek. co w pewnych zastosowaniach jest niewątpliwą zaletą.

W zależności od budowy wyróżnia się trzy typy silników krokowych:

• Silnik o zmiennej reluktancji VR (od ang. Variable Reluctance)
• Silnik z magnesem trwałym PM (od ang. Permanent Magnet)
• Silnik hybrydowy HB (od ang. HyBrid)sto

Te ostatnie, ze względu na najlepsze parametry są najczęściej stosowane i zostaną dokładniej opisane w dalszej części artykułu.

Silniki krokowe hybrydowe

Silnik hybrydowy ma najlepsze parametry jeśli chodzi o rozdzielczość, moment i dynamikę pracy. Silnik hybrydowy łączy w sobie zalety silnika ze zmienną reluktancją i silnika z magnesem trwałym. Rotor (część ruchoma, wirnik) ma wiele zębów jak w silnikach VR i posiada osiowo namagnesowane magnesy umieszczone koncentrycznie wokół osi. Wirujące pole magnetyczne nie może " zabrać ze sobą" namagnesowanego wirnika, bo kierunki obu pól są niewłaściwe prostopadłe. Silniki hybrydowe przypominają silniki VR o bardzo dużej liczbie biegunów i zębów wirnika. Czoła biegunów stojana (część nieruchoma) oraz powierzchnia wirnika mają małe kanaliki pokazane na poniższych zdjęciach.

Rys 1. Budowa silnika krokowego. 

Obecność magnesu powoduje, że nawet bez magnesu stojana wirnik stara się znaleźć takie położenie, żeby wypadkowa oporność magnetyczna obwodu była jak najmniejsza. Następuje to, gdy jak najwięcej żłobków stojana i wirnika jest ustawionych naprzeciw siebie - rysunek poniżej.

Rys 2. Ułożenie zębów niezasilonego stojana względem wirnika. 

Typowe kąty silnika hybrydowego mieszczą sie w zakresie 3,6° - 0,9° (100 - 400 kroków na obrót).Najcześciej spotykane silniki hybrydowe posiadają 200 impulsów/obrót co daje 1,8° na jeden skok silnika.

Moment, a prędkość w silniku krokowym

W nowoczesnych hybrydowych silnikach krokowych stosuje się silne magnesy trwałe, co pozwala użyskać duże momenty wyjściowe. Przykładowo  pokazany we wstępie silnik krokowy o wymiarach 60mmx80mm ma monet wyjściowy na poziomie 1,2Nm!

Niestety moment ten spada dość mocno przy zwiekszaniu prędkośc obrotowej. Przykładowo dla prędkości 1000 [obr/min] użyteczny moment będzie mniejszy niż połowa momentu nominalnego. Pokazana na rysunku obok charakterystyka  dobrze obrazuje tą zależność, dodatkowo porównując ją z charakterystyką serwonapędu  AC/ BLDC.

Rys 4. Charakterystyka moment-prędkość silnika krokowego w porównaniu do serwonapędu.

Silnik krokowy, a inne napędy

Spośród spotkanych napedów należy wyróżnić: silniki prądu stałego komutatorowe (DC) i bezszczotkowe (BLDC) oraz silniki prądu zmiennego (AC) szczotkowe i bezszczotkowe.

Silniki komutatorowe i bezszczotkowe charakteryzują się dużą prędkością obrotową dochodzącą do 5000...24000 [obr./min.]. Od napędów krokowych odróżnia je konieczność stosowania enkoderów w celu kontroli pozycji. Silniki krokowe prądu stałego wykonują skokowy ruch obrotowy. Charakterryzują się znacznie niższą prędkością obrotową niż silniki komutatorowe i bezszczotkowe. Służą do precyzyjnego pozycjonowania, można zadawać im częstą zmianę kierunku obrotów i dokładnie określić położenie kątowe. Dla silnika krokowego trzymanie pełnym momentem przy zerowej prędkości jest stanem normalnym, a nie zabronionym stanem zwarcia jak dla silników DC.

 
Sterowanie silnikiem krokowym 

Silniki krokowe są w wielu zastosowaniach alternatywą dla droższych napedów  opartych o serwosilniki AC lub BLDC. Silnik krokowy do poprawnej pracy wymaga zastosowania jedynie sterownika mocy do zadawana impulsów prądowych na jego uzwojenia. Przykładowo dla standardowego silnika (o skoku 200 impulsów/obrót) podanie 1 impulsu do sterownika silnika krokowego spowoduje jego obrót o 1/200 czyli o 1,8°. Jak widać pozwala to zrealizować precyzyjne sterowanie pozycją takiego silnika.

Stojan silnika krokowego zawiera uzwojenia, które podzielone są zazwyczaj na 2 fazy (rzadzej spotykane są  także silniki 3 i 5 fazowe). Fazy te zasilane cyklicznie powodują obroty wirnika silnika. Poniższy rysunek pokazuje schematycznie najprostrzy sposób sterowania silnikiem krokowym. Silnik z lewej strony posiada uzwojenia bipolarne, które wymagają zmian kierunku prądu podczas sterowania. Silnik z prawej strony zawiera uzwojenia unipolarne (uzwojenia z odczepami na środku), które mogą być sterowane w prostrzy sposób.

Rys 3. Najprostrze sterowanie silnikiem krokowym bipolarnym (z lewej) i unipolarnym (z prawej).

Sterowniki silników krokowych

Sterowniki silników krokowych wykonywane są dla różnych mocy silników w zakresach od około 1 do 10A, oraz napięciach zasilania od 12... do ponad 100V (sterowniki wysokonapięciowe). Nowoczesne sterowniki silników krokowych działają na zasadzie regulacji prądu. Wysokie napięcie zasilania sterownika pozwala na bardziej dynamiczną pracę silnika krokowego, gdyż prądy w uzwojeniach podczas jego sterowania mogą narastać szybciej.

Nowoczesne sterowniki silników krokowych potrafią także zmieniać prądy w fazach silników krokowych w funkcjach sinusoidalnych, co pozwala na podzielenie pełnego kroku na jeszcze mniejsze kroki, nazywane mikrokrokami. Spotyka się sterowniki, które pozwalają dzielić krok nawet na 256 mikrokroków. Dzięki temu praca silnika może być jeszcze płynniesza, a pozycjonowanie jeszcze precyzyjniejsze. Przykładowo, sterownik silika krokowego z podziałem kroku przez 64 pozwala ustawić wał silnika krokowego z dokładnością do  1 / 200 / 64 = 0,0281125 stopnia!

Rys 5. Przykładowy sterownik silnika krokowego. 

Podsumowanie 

Użycie silnika krokowego może być trafnym wyborem, w przypadkach, gdy wymagany jest kontrolowany ruch. Mogą być one użyte tam, gdzie trzeba sterować kątem, prędkością, pozycją lub synchronizmem. Z powodu wielu zalet małe silniki krokowe znalazły zastosowania w urządzeniach powrzechnego użytku np. w drukarkach, ploterach, sprzęcie biurowym, napędach dysków, sprzęcie medycznym, faksach. Stosowane równie często w napędach przemysłowych i wielu innych. Dzięki sporemu momentowi na wyjściu mogą być stosowane zamiast silnika prądu stałego czy zmiennego z przekładnią, bez sterowania pozycją - podając tylko impulsy o odpowiedniej częstotliwości.

Zalety silników krokowych:

• Kąt obrotu silnika jest proporcjonalny do ilości impulsów wejściowych
• Silnik pracuje z pełnym momentem w stanie spoczynku (o ile uzwojenia są zasilane)
• Precyzyjne pozycjonowanie i powtarzalność ruchu - dobre silniki krokowe mają dokładność ok. 3 - 5% kroku i błąd ten nie kumuluje się z kroku na krok
• Możliwość bardzo szybkiego rozbiegu, hamowania i zmiany kierunku
• Niezawodne - ze względu na brak szczotek. żywotność silnika zależy zatem tylko od żywotności łożysk
• Prostota sterowania i pozycjonowania - zależność obrotów silnika od impulsów umożliwia sterowanie w pętli otwartej. Dzięki temu nie wymagane jest stosowanie enkoderów i innych elementów do odczytu aktualnego położenia wału silnika
• Możliwość osiągnięcia bardzo niskich obrotów z obciążeniem umocowanym bezpośrednio na osi silnika

Wady silników krokowych:

• Rezonanse mechaniczne pojawiające się przy pewnej prędkości obrotowej oraz przy niewłaściwym sterowaniu
• Niezbyt duże maksymalne prędkości obrotowe
• Malejący moment obrotowy wraz ze wzrostem prędkości obrotowej

Więcej informacji:  Silniki krokowe - teoria (1.51 MB)