Przeglądasz stronę dla klientów z: Poland. Sugerowana wersja serwisu dla Ciebie to USA / US
Panel klienta
W Twoim koszyku
Zarejestruj się

Silnik krokowy (skokowy) – rodzaje oraz przykłady zastosowań silników krokowych

2020-09-08

Silnik krokowy (skokowy) – rodzaje oraz przykłady zastosowań silników krokowych

Silnik krokowy jest bezszczotkowym silnikiem prądu stałego, w którym obrót jest podzielony na pewną, wynikającą z budowy silnika liczbę kroków. Typowo, pełny obrót wału o 360° jest podzielony na 200 kroków, co oznacza, że pojedynczy skok wału jest wykonywany co 1,8°. Dostępne są również silniki, w których skok wału jest wykonywane co 2; 2,5; 5, 15 lub 30°.

Opisana funkcjonalność jest możliwa do uzyskania dzięki specjalnej budowie silnika krokowego, o czym będzie mowa w dalszej części tekstu. Przez to, że pełny obrót wału jest podzielony na pewne odcinki dyskretne, silnik krokowy nie obraca się płynnie, ale wykonując skoki i przekraczając stany pośrednie, dlatego pracy silnika krokowego towarzyszy charakterystyczny dźwięk oraz wibracje.

Współcześnie sterowniki silników krokowych wykonuje się w oparciu o układy cyfrowe sterujące driverami podwyższającymi obciążalność wyjść. Zwykle w takim sterowniku znajdziemy mikrokontroler, chociaż niekoniecznie, ponieważ bez większych trudności można taki sterownik wykonać w oparciu o bramki oraz przerzutniki. Sam sposób sterowania silnikiem zależy od jego rodzaju, liczby faz oraz od tego, czy odbywa się ze sprzężeniem zwrotnym, czy bez niego. W niektórych sterownikach prąd płynący przez uzwojenia można regulować za pomocą przebiegu PWM, natomiast kierunek obrotu oraz sterowanie krokami (skokami) odbywa się za pomocą przebiegów prostokątnych. Jednak mając do czynienia z konkretnym modelem silnika oraz jego sterownikiem dla określenia poprawnej metody sterowania należy sięgnąć do ich kart katalogowych.

Uzwojenia będące obciążeniem wyjść sterownika to cewki charakteryzujące się pewną indukcyjnością i pojemnością. Ich reaktancja rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości, co ogranicza płynący prąd i limituje maksymalną częstotliwość przełączania. Wybierając silnik do konkretnego zastosowania zawsze trzeba rozważyć pewne kompromisy, takie jak dla przykładu maksymalna prędkość kątowa oraz wymagany moment obrotowy w odniesieniu do rozdzielczości. W artykule podano podstawowe informacje na temat zasady działania bipolarnych oraz unipolarnych silników krokowych oraz o tym, na co trzeba zwrócić uwagę wybierając silnik do danej aplikacji.

Silnik krokowy – jak działa?

Silnik krokowy jest złożony z rotora i statora. Stator jest częścią nieruchomą, natomiast rotor osadzony na łożyskowanym wale wiruje w ślad za wirującym polem magnetycznym tworzonym wokół statora. Stator – wykonany ze stali lub innego metalu – jest szkieletem dla zestawu elektromagnesów będących cewkami osadzonymi w określonych miejscach dookoła rotora. Gdy przez cewki statora płynie prąd, to wokół nich powstaje pole magnetyczne. Poszczególne strumienie magnetyczne mają kierunek i natężenie zależne od natężenia i kierunku prądu płynącego przez daną cewkę.

Gdy cewka jest zasilana, to powstały elektromagnes przyciąga magnes (ząb) zamontowany na rotorze, przemieszczony w stosunku do niego o pewien offset. Wtedy rotor wraz z wałem obracają się o kąt, przy którym jego położenie najmniej przeciwstawia się strumieniowi magnetycznemu lub wypadkowej wielu strumieni. Po przemieszczeniu się o ten offset jest załączany kolejny elektromagnes (cewka lub cewki) na statorze i rotor jest ponownie przyciągany w nowe położenie. Przełączając kolejne cewki można wykonywać dalsze skoki w przód lub w tył, lub uzyskać pełny czy częściowy obrót rotora, a wraz z nim wału.

Bazując na podanym opisie można wyobrazić sobie silnik krokowy jako szereg elektromagnesów przyciągających magnes rotora. W rzeczywistości jednak sytuacja jest znacznie bardziej złożona, ponieważ magnes jest przyciągany przez pole wypadkowe powstające wokół zespołu elektromagnesów, co umożliwia nie tylko pracę w trybie pełnego kroku, ale również półkroku (podział skoku przez 2) lub mniej, co nosi nazwę pracy w trybie microstep.

Silnik krokowy - praca w trybie pełnego kroku

Zasadę działania silnika krokowego w trybie pełnego kroku zilustrowano na rysunku 1. W tym trybie silnik obraca się o kąt wynikający z jego budowy, który może wynosić np. 1,8°. Jak łatwo policzyć, takim wypadku dla pełnego obrotu jest niezbędne wykonanie 200 kroków (200×1,8°=360°).

Skok wału jest wykonywany po zasileniu jednej lub dwóch cewek. Praca przy zasilaniu pojedynczej cewki wymaga minimalnej mocy drivera. Przy pracy 2-fazowej, zasilaniu cewek leżących naprzeciwko siebie, jest wymagana dwukrotnie większa moc prądu zasilającego, ale za to rosną też prędkość i moment obrotowy.

Silnik w trybie pełnego kroku Rys. 1. Zasada działania silnika w trybie pełnego kroku przy zasilaniu 2-fazowym

Silnik krokowy - praca w trybie półkroku

Zasadę pracy silnika w trybie półkroku pokazano na rysunku 2. Jak wskazuje sama nazwa, w tym trybie dyskretny skok rotora jest dzielony przez 2 i wykonując pojedynczy skok obraca się on o połowę kąta nominalnego. Odnosząc to do przykładu podanego wyżej, pojedynczy skok będzie odbywał się co 0,9°, natomiast liczba skoków na pełen obrót wzrośnie do 400.

Przy pracy w trybie półkroku jest wymagane naprzemienne zasilanie dwóch faz (cewek). Skutkuje to wzrostem momentu obrotowego w porównaniu do pracy przy zasilaniu 1-fazowym, „gładszą” pracą silnika oraz wspomnianym podwojeniem rozdzielczości kątowej.

Silnik w trybie półkroku

Rys. 2. Zasada działania silnika w trybie półkroku przy zasilaniu 2-fazowym

Silnik krokowy - praca w trybie microstep (mikrokrok)

W trybie microstep skok znamionowy jest dzielony na jeszcze krótsze odcinki, niż przy pracy w trybie półkroku. Maksymalny współczynnik podziału wynosi 256. Poszczególne położenia rotora są uzyskiwane za pomocą wypadkowego strumienia magnetycznego cewek zasilanych za pomocą przebiegu schodkowego. Praca w trybie mikrokroku jest preferowana w tych zastosowaniach, w których jest wymagana „gładka” praca silnika i/lub duża dokładność jego pozycjonowania.

Używając silnika w trybie mikrokroku trzeba zwrócić uwagę na wymagania aplikacji odnośnie do prędkości obrotowej silnika. Jak wspomniano, reaktancja indukcyjna cewki rośnie wraz z częstotliwością kluczowania prądu w uzwojeniach silnika. Większa prędkość obrotowa wymaga częstszego przełączania, a co za tym idzie – większej częstotliwości kluczowania uzwojeń. Skutkuje to wzrostem impedancji cewki, a przez to spadkiem natężenia średniego prądu płynącego przez uzwojenia. Nie pozostaje to bez znaczenia dla pracy silnika – wraz ze zmniejszaniem się natężenia prądu płynącego przez uzwojenia maleje też moment obrotowy, co może doprowadzić do oscylacji, zatrzymania się rotora lub gubienia skoków przez silnik, a tym samym napędzany element maszyny. Dlatego używając silnika w trybie mikrokroku trzeba zwrócić szczególną uwagę na jego kartę katalogową, w której powinien znaleźć się wykres obrazujący wartość momentu obrotowego w funkcji częstotliwości prądu płynącego przez cewkę.

Typy silników krokowych

Silnik krokowy, w porównaniu z typowym szczotkowym silnikiem prądu stałego, nie jest szczególnie skomplikowany i bardziej złożony w budowie, ale wymaga większej precyzji wykonania. Duże podobieństwo do silników krokowych z magnesem trwałym wykazują współczesne silniki BLDC, które na dodatek są bardzo podobnie sterowane.

Według podstawowego kryterium, typy silników krokowych są dzielone ze względu na sposób budowy oraz liczbę faz wymaganych do zasilania cewek. Zależnie od budowy poszczególne typy różnią się przeznaczeniem (aplikacją docelową), rozdzielczością i uzyskiwanym momentem obrotowym.

Silnik krokowy z magnesem trwałym

Silnik z magnesami stałymi mógłby mieć dwie cewki (elektromagnesy), które tworzyłyby cztery zmienne bieguny, a rotor (wirnik) silnika byłby namagnesowany promieniowo. Zmiana położenia rotora polegałaby na zmianie kierunku przepływu prądu w cewkach, co spowodowałoby zmianę biegunów magnetycznych. Przy odpowiedniej zmianie kierunku prądu wirnik w takim silniku obróciłby się o 90°. Pojedynczy skok takiego silnika, mimo iż mógłby być przydatny w pewnych zastosowaniach, byłby bardzo duży i mało precyzyjny. Dlatego w rzeczywistości silniki z magnesami stałymi mają więcej biegunów wirnika i, dla podwyższenia liczby skoków oraz precyzji pozycjonowania, na ich rotorze jest zamontowane kilka magnesów.

Zazwyczaj silniki krokowe z magnesami stałymi wykonują skok co od 7,5° do 15°, co daje od 48 do 24 skoków na pełen obrót. Namagnesowane bieguny rotora wpływają na zwiększenie indukcji magnetycznej, dlatego silniki z magnesem trwałym charakteryzują się dużym momentem obrotowym. Nieskomplikowana budowa skutkuje umiarkowaną ceną silnika przy raczej niedużej rozdzielczości.

Silnik krokowe o zmiennej reluktancji

Silniki o zmiennej reluktancji były jednymi z pierwszych modeli silników krokowych. Współcześnie są one raczej rzadko spotykane i stosowane. W tym typie silnika rotor jest złożony z wielu zębów wykonanych z miękkiego żelaza. Gdy cewki statora są zasilane za pomocą prądu stałego, ząb rotora jest przyciągany przez pole magnetyczne. Dzięki przełączaniu sekwencyjnemu rotor obraca się o kąt wynikający z budowy silnika.

Silniki tego typu, mimo iż nieskomplikowane w budowie i łatwe do sterowania, mają niedużą rozdzielczość oraz mały moment obrotowy.

Krokowy silnik hybrydowy

Silnik hybrydowy jest jednym z najczęściej stosowanych w przemyśle typów silników krokowych. Charakteryzuje się dużą rozdzielczością – jego rotor wykonuje skoki co od 0,9° do 3,6° (od 400 do 100 skoków). Ten typ silnika przewyższa pozostałe pod względem niezawodności, momentu obrotowego, momentu trzymającego oraz osiąganej prędkości obrotowej.

Rotor silnika hybrydowego jest złożony z magnesów trwałych, ale w przeciwieństwie do omawianych wcześniej silników z magnesem trwałym, nie są one zamontowane promieniowo, ale namagnesowane osiowo. Typowo rotor składa się z dwóch pierścieni namagnesowanych różnoimiennie, nałożonych na wał silnika. Każdy z pierścieni ma nacięte rowki, które tworzą zęby rotora.

Silniki unipolarny i bipolarny

Inny podział silników krokowych wynika ze sposobu wykonania uzwojenia w silnikach 2-fazowych. Zależnie od niego, silniki są dzielone na unipolarne i bipolarne. Główna różnica polega na tym, że silnik unipolarny pracuje z jedną polaryzacją prądu (napięcia), natomiast silnik bipolarny z dwoma polaryzacjami, co oznacza, że kierunek przepływu prądu w cewce jest zmienny. Kolejna różnica polega na konieczności wykonania połączeń cewek silnika w taki sposób, aby było możliwe przekazywanie zasilania z końca jednej cewki na początek drugiej. Taki sposób połączenia pozwala na używanie prądu (napięcia) o jednej polaryzacji. Różnice w budowie obu rodzajów silników zilustrowano w uproszczeniu na rysunkach 3 i 4.

Silnik bipolarny Rys. 3. Silnik bipolarny oraz sposób połączenia jego uzwojeń

Silnik unipolarny Rys. 4. Rysunek koncepcyjny silnika unipolarnego oraz sposób połączenia jego uzwojeń

Silnik bipolarny ma większy moment obrotowy od silnika unipolarnego, chociaż dzieje się to kosztem bardziej skomplikowanego sterowania.

Wady i zalety silników krokowych

Podstawowymi zaletami silnika krokowego są precyzja działania, łatwość kontroli położenia rotora oraz jego prędkości obrotowej. Można to osiągnąć przy stosunkowo nieskomplikowanej budowie oraz niskim koszcie gotowego rozwiązania. Moment obrotowy silnika jest bardzo duży przy małej prędkości obrotowej. W budowie silnika nie ma szczotek, co przekłada się na jego dużą trwałość mechaniczną oraz wzrost niezawodności. Inną ważną cechą jest łatwość sterowania silnikiem: szybki start dzięki dużemu momentowi obrotowemu, łatwe zatrzymanie dzięki dużemu momentowi trzymającemu i możliwość szybkiej zmiany kierunku obrotów. W wielu zastosowaniach duże znaczenie ma też łatwość kształtowania charakterystyki startu i zatrzymania.

Jedną z bardziej istotnych wad silnika krokowego jest jego zapotrzebowanie na energię. Silnik wymaga zasilania zarówno w momencie wykonywania ruchu, jak i podczas zatrzymania. Moment obrotowy silnika jest największy przy względnie małej prędkości obrotowej i maleje przy dużej. Jak wspomniano wcześniej, jest on silnie związany z natężeniem prądu płynącego przez cewki, a z kolei ten zależy od ich impedancji, która rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości przełączania. Jest to powodem, dla którego nie da się uzyskać dużej prędkości obrotowej przy zachowaniu momentu obrotowego oraz zdolności silnika do „udźwignięcia” zadanego obciążenia.

Jeśli moment obrotowy jest niewystarczający, wówczas występuje zjawisko zwane poślizgiem lub gubieniem kroków. Dlatego do niezawodnego sterowania silnikiem jest wymagany mechanizm sprzężenia zwrotnego, który może być wykonany np. w oparciu o enkoder lub inny typ czujnika. Dzięki niemu kontroler silnika może „upewnić się”, że ten wykonał zadaną liczbę skoków.

Sterowanie silnikiem krokowym

Dobrą praktyką budowania napędów jest branie pod uwagę całego zestawu, to jest silnika wraz ze sterownikiem, ponieważ nie da się rozpatrywać właściwości całego układu napędowego bez uwzględnienia parametrów tak jednego, jak i drugiego. Upraszczając, można powiedzieć, że nawet najlepszy silnik nie będzie pracował poprawnie bez odpowiedniego sterownika i vice versa. Dobór zespołu silnik + sterownik będzie w zasadniczy sposób wpływał na charakterystykę układu napędowego.

Główny nurt rozwoju silników krokowych podąża w stronę zmniejszenia bezwładności silnika przy jednoczesnym zwiększaniu rozdzielczości (liczby skoków), momentu obrotowego oraz sprawności energetycznej. Dlatego w praktyce, oprócz wymienionych wcześniej rodzajów silników, można spotkać wiele ich modyfikacji mających na celu osiągniecie poprawy wymienionych wyżej parametrów. Poszczególne silniki, zależnie od zastosowania, różnią się też liczbą uzwojeń, a co za tym idzie, również algorytmem sterownia.

W Internecie można znaleźć wiele projektów sterowników silników krokowych, od najłatwiejszych w budowie, wyposażonych w potencjometr do regulacji prędkości obrotowej oraz przycisk do zmiany kierunku obrotów czy też przycisk start/stop, zbudowanych z użyciem komponentów dyskretnych, takich jak bramki, przerzutniki oraz klucze tranzystorowe, aż do bardzo skomplikowanych, na przykład, wykonanych w oparciu o specjalizowane układy scalone driverów i procesor DSP. Wydaje się jednak, że takie projekty bardziej przydadzą się do budowy urządzeń nieprofesjonalnych lub eksperymentalnych, niż na przykład do zastosowania w przemyśle. Tu raczej sięgniemy po gotowe rozwiązania sprawdzonych producentów.

W zastosowaniu nieprofesjonalnym najłatwiej jest zbudować sterownik silnika w oparciu o Arduino oraz odpowiedni wzmacniacz prądowy lub driver silnika. Wybór płytki – modułu rozszerzenia będzie zależał od stosowanego silnika.

W silniku bipolarnym należy zapewnić możliwość przepływu prądu w dwóch kierunkach. Dlatego do zmiany kierunku strumienia magnetycznego w rdzeniu należy użyć pojedynczego przełącznika dwustanowego zbudowanego z załączanych na przemian tranzystorów (układ półmostka). Przy sterowania silnikiem unipolarnym należy zapewnić przepływ prądu w danym uzwojeniu tylko w jednym kierunku, więc wystarczające jest użycie pojedynczego klucza tranzystorowego na cewkę. Jak łatwo zauważyć, sterowania unipolarne wymaga mniejszej liczby tranzystorów kluczy, ale jak pamiętamy z wcześniejszej lektury, w danym momencie pracuje jedynie połowa uzwojenia, więc i sam silnik unipolarny wytwarza mniejszy moment obrotowy od silnika bipolarnego. Silnik bipolarny wymaga więc bardziej rozbudowanego układu sterowania, jednak wielu producentów półprzewodników oferuje specjalizowane układy scalone, które zawierają dwa kompletne mostki tranzystorowe, obwody zabezpieczające przed przegrzaniem, przetężeniem i przepięciem, a także bramki logiczne upraszczające sterowanie samym silnikiem. Takie układy scalone można znaleźć w portfolio STM, Toshiba Electric oraz innych.

Sprawdź ofertę kontrolerów

Sterowanie w trybie półkroku lub mikrokroku jest znacznie bardziej złożone. Wymaga bowiem odpowiedniego manipulowania poszczególnymi strumieniami magnetycznymi w taki sposób, aby wypadkowe pole powodowało zmianę położenia rotora nie o pełny krok, ale o pewną jego część.

Na koniec

Współcześnie silniki krokowe są wykorzystywane w wielu różnych urządzeniach wymagających precyzji kontroli ruchu oraz dokładnego określania pozycji. Dlatego znajduje on zastosowanie głównie w aplikacjach wymagających precyzyjnej kontroli przemieszczenia, urządzeniach pozycjonujących, ponieważ za pomocą komputera oraz sterownika łatwo jest wykonać odpowiednie urządzenie i oprogramowanie. Są też szeroko stosowane w aparaturze biomedycznej, napędach dysków komputerowych, drukarkach, skanerach, inteligentnym oświetleniu, do kontrolowania obiektywów kamer, położenia elementów regulacyjnych w silnikach spalinowych, w robotyce, skanerach i drukarkach 3D, ploterach XY, maszynach CNC oraz w innych urządzeniach. Wśród popularnych urządzeń, w których są szeroko stosowane silniki krokowe można wymienić drukarki: od starszych modeli drukarek igłowych, aż po nowoczesne i mające niewiele wspólnego z tradycyjnym wydrukiem drukarki 3D.

Aplikacje silników krokowych są współcześnie bardzo dobrze znane i nietrudne do użycia również przez hobbystów wykonujących z ich użyciem chociażby amatorskie obrabiarki CNC lub drukarki 3D. Silnikiem krokowym można łatwo sterować za pomocą Arduino z odpowiednią przystawką (np. shieldem z układem scalonym L293D). Otwiera to szerokie możliwości do zbudowania wielu interesujących aplikacji, które mogą znaleźć zastosowanie w różnych dziedzinach przemysłu, w gospodarstwie domowym lub przydomowym warsztacie.

PRZECZYTAJ TAKŻE

Twoja przeglądarka nie jest już wspierana, pobierz nową wersję.

Chrome Chrome Pobierz
Firefox Firefox Pobierz
Opera Opera Pobierz
Internet explorer Internet Explorer Pobierz