Silniki Krokowe - Budowa, Funkcjonowanie I Sterowanie.pdf
(
100 KB
)
Pobierz
1129208 UNPDF
Elektor w EdW
SILNIKI KROKOWE
Budowa, funkcjonowanie i sterowanie
Silniki krokowe są
znane już od początku
lat 60. dopiero jednak
w ostatnich latach na−
brały one dużego zna−
czenia. Znajdują zasto−
sowanie jako napędy
w mechanizmach zega−
rów i innych instrumen−
tów wskaźnikowych,
w drukarkach i plote−
rach oraz w przeróżnych
maszynach warsztato−
wych i w robotach.
tego nie posiadały one “ustalone−
go położenia”, gdyż rdzeń z mięk−
kiej stali magnetycznej sam nie
wytwarzał żadnego pola magne−
tycznego. Z tej właśnie przyczyny
zostały wprowadzone silniki kro−
kowe z magnesami trwałymi.
Wprawdzie rotor, posiadający
trwałe właściwości magnetyczne,
stwarzał możliwość zdefiniowa−
nia określonego położenia ustalo−
nego, to jednak było to możliwe
wyłącznie przy większych kątach
przypadających na jeden krok.
Przyczyna była prosta – na cylin−
drycznym rotorze namagnesowa−
nym radialnie można było umie−
ścić ograniczoną liczbę biegunów
magnetycznych. Pomimo tego ta−
ki typ silników krokowych może
posłużyć jako materiał wejściowy
do zapoznania się z tematem. Na
rysunku 1
został przedstawiony
silnik krokowy w swoim najprost−
szym wykonaniu. Rdzeń został
namagnesowany w najprostszy
sposób (dwa bieguny) oraz są dwa
uzwojenia przesunięte względem
siebie o 90
o
(fazy). Jeśli przez jed−
ną z faz przepływa prąd, to po−
wstaje pole magnetyczne. Rotor
obraca się wraz ze swoim polem
magnetycznym do położenia,
w którym pomiędzy rotorem a fa−
zą jest najmniejsza szczelina po−
wietrzna oraz największy stru−
mień magnetyczny (przeciwne
bieguny przyciągają się, a jedna−
kowe się odpychają!).
Poprzez zmianę kierunku
przepływu prądu można spowo−
dować ustawienie się rotora
w czterech różnych położeniach,
przy czym jego ruchy obrotowe
odpowiadać będą kolejności
zmian polaryzacji. Ten tryb pracy
tzw. Wave−drive, został schema−
tycznie przedstawiony na
rysun−
ku 2a
. Inna metoda wprowadze−
nia w ruch silnika krokowego po−
lega na doprowadzeniu prądu do
obydwu faz w normalnym trybie
pracy. W tym trybie zawsze wy−
stępują dwukrotnie dwie jednako−
we fazy obok siebie. Zachowanie
się rotora można najłatwiej wyja−
śnić na podstawie
rysunku 2b
.
Sekwencja sterująca
jest to
“elektryczny” obrót o 360
o
. Aby
dokonać pełnego obrotu mecha−
nicznego, nieodzowna jest wła−
śnie odpowiednia sekwencja im−
pulsów sterujących. W obydwu
wymienionych przypadkach se−
kwencja składa się zawsze
z czterech taktów. Jest to
TRYB
PRACY Z PEŁNYM KROKIEM
.
Oczywiście nic nie stoi na
przeszkodzie, aby dokonać kom−
binacji normalnego trybu pracy
i Wave−drive, uzyskując wów−
czas
TRYB PRACY Z KROKAMI PO
−
ŁÓWKOWYMI
. Dzięki temu moż−
na zrealizować kroki połówko−
we, które niejako za darmo
podwajają “rozdzielczość” silni−
ka. W takim trybie pracy prąd
przepływa na zmianę przez jedno
albo przez obydwa uzwojenia.
W trybie pracy z krokami połów−
kowymi pełna sekwencja składa
się z ośmiu taktów.
W zależności od sposobu wy−
konania uzwojeń można wyróż−
Podobnie jak i inne silniki
składają się one z nieruchomego
statora oraz z obracającego się
rotora. O ile w silnikach prądu
stałego rotor (a czasami także
i stator) jest wyposażony w elek−
tromagnes, to silniki krokowe
posiadają wyłącznie stacjonarne
elektromagnesy. Rotor zbudowa−
ny jest z miękkiej, nie magnety−
zującej się stali albo z magnesu
stałego. Obraca się na skutek od−
działywania różnorodnie ukie−
runkowanych pól elektromagne−
sów statora. Zanim jednak do−
wiedzieliśmy się, w jaki sposób
funkcjonuje silnik krokowy, za−
poznaliśmy się z jego bardzo
ważną zaletą – do rotora nie jest
doprowadzany prąd, tak więc od−
pada konieczność stosowania
ulegających zużyciu szczotek
i pierścieni ślizgowych!
Pierwsze, w miarę atrakcyjne
ekonomicznie reaktancyjne (re−
luktancyjne) silniki krokowe po−
siadały rotor wykonany z mięk−
kiej stali magnetycznej w formie
zębatego rdzenia. Pomijając fakt,
że silniki te posiadały niezbyt du−
ży moment obrotowy, to oprócz
Rys. 1 Model prostego silnika krokowego z dwubieguno−
wym rotorem i z dwoma uzwojeniami (fazami) przesu−
niętymi względem siebie o 90
o
.
26
Elektronika dla Wszystkich
Elektor w EdW
nić dwie kolejne techniki stero−
wania. Przy niewielkim skompli−
kowaniu układu (tylko jeden do−
datkowy przełącznik) można
wykorzystać popularny dawniej
TRYB PRACY UNIPOLARNEJ
− (
ry−
sunek 3a
). Oczywiście uzwoje−
nia te muszą posiadać wyprowa−
dzenia w połowie swojej długo−
ści, a poza tym z powodu nie−
wielkiego prądu w uzwojeniu
Tak więc sterowanie cewką reali−
zowane jest przy pomocy dwóch
przełączników a nie jednego.
Silniki krokowe o mniejszej
liczbie faz, szczególnie przy ma−
łych szybkościach obrotowych
(częstotliwościach), charaktery−
zowałyby się nierównomierną
pracą (szarpaniem) i to także przy
trybie pracy z krokiem połówko−
wym. Dalsze poprawienie jakości
tografii 4
przed−
stawione jest
wnętrze takiego
hybrydowego
silnika kroko−
wego.
Kąt odpowia−
dający jednemu
krokowi albo ina−
czej rozdziel−
czość silnika uza−
leżniona jest nie
tylko od liczby
par biegunów,
a więc od liczby
zębów odpowia−
dających biegu−
nom N oraz S na
rotorze, ale tak−
że od liczby po−
jedynczo stero−
wanych faz.
Oczywiście
w praktyce
ogranicza się do
silników o liczby faz od dwóch do
pięciu, aby w rozsądnych grani−
cach utrzymać ilość wymaganego
okablowania i przełączników. Je−
żeli nacisk położony jest na uzy−
skanie możliwie dużego momentu
obrotowego, to powinny zostać
zastosowane dwufazowe silniki
krokowe. Natomiast w sytuacjach,
gdy zależy nam na szczególnie
równomiernej pracy (bez szarp−
nięć), to pod uwagę powinny zo−
stać wzięte silniki pięciofazowe
sterowane mikrokrokami. Silnik
trójfazowy stanowi rozsądny
kompromis pomiędzy tymi dwo−
ma skrajnymi sytuacjami.
a)
Rys. 3 Uzwojenia silnika do pracy w try−
bie unipolarnym (a) muszą posiadać
wyprowadzenie w połowie długości
uzwojenia. Silniki unipolarne (b)
wymagają sterowania poprzez dwa
przełączniki na każde uzwojenie.
Obroty w prawo Ob
roty w lewo
Faza 1 Faza 2 Faza 1 Faza
2
Takt
Polaryzacja Prąd Polaryzacja Prąd
Takt
Polaryzacja Prąd Polaryzacja
Prąd
1
0
1
x
0 1
0
1
x
0
2
x
0
0
1 2
x
0
1
1
3
1
1
x
0 3
1
1
x
0
4
x
0
1
1 4
x
0
0
1
ności dla silników krokowych
o małej liczbie pozycji rotora jest
pewną wadą.
b)
W praktyce
Do tej pory omawiany był je−
dynie model silnika krokowego,
który... w praktyce nie występu−
je. W nowoczesnych, hybrydo−
wych silnikach krokowych jako
rdzenie stosowane są okrągłe
płytki namagnesowane osiowo
w sposób trwały. Krążki te po−
siadają zębate wieńce, które
przesunięte są nawzajem wzglę−
dem siebie o połowę szerokości
zęba, w taki sposób, żeby biegu−
ny N i S się przeplatały. Na
fo−
Obroty w prawo Obroty w lewo
Faza 1 Faza 2 Faza 1 Faza 2
Takt
Polaryzacja Prąd Polaryzacja Prąd
Takt
Polaryzacja Prąd Polaryzacja Prąd
1
0
1
0
1 1
0
1
0
1
2
1
1
0
1 2
0
1
1
1
3
1
1
1
1 3
1
1
1
1
4
0
1
1
1 4
1
1
0
1
Obroty w prawo Ob
roty w lewo
Faza 1 Faza 2 Faza 1 Faza
2
Takt
Polaryzacja Prąd Polaryzacja Prąd
Takt
Polaryzacja Prąd Polaryzacja
Prąd
1
0
1
x
0 1
0
1
x
0
2
0
1
0
1s 2
0
1
1
1
3
x
0
0
1 3
x
0
1
1
4
1
1
0
1 4
1
1
1
1
5
1
1
x
0 5
1
1
x
0
6
1
1
1
1 6
1
1
0
1
7
x
0
1
1 7
x
0
0
1
8
0
1
1
1 8
0
1
0
1
Rys. 2 Schemat doprowadzania prądu do uzwojeń przy pra−
cy w trybie normalnym (b) i Wave−drive (a). Jeśli doko−
na się połączenia (kombinacji) obydwu metod bazują−
cych na całych krokach, to otrzyma się sterowanie me−
todą kroków połówkowych.
można uzyskać stosunkowo ma−
ły moment obrotowy, jak rów−
nież małą szybkość obrotową.
Dopiero w momencie poja−
wienia się zintegrowanych i ta−
nich układów scalonych prze−
znaczonych do sterowania silni−
kami krokowymi, coraz bardziej
zaczęto wykorzystywać
BIPO
−
LARNY TRYB PRACY
− (
rysunek
3b
). W technice tej uzwojenia
z obydwu stron są przełączane.
pracy jest jednak możliwe, w taki
sposób, że prądu nie będzie się
po prostu włączać i wyłączać,
lecz będzie on podwyższany lub
odpowiednio obniżany w sposób
stopniowy. Spokojny ruch obro−
towy uzyskuje się właśnie w ten
sposób − jest to
TRYB PRACY Z MI
−
KROKROKAMI
. Oczywiście praca
w trybie mikrokroków redukuje
moment obrotowy i dokładność
ustalenia pozycji, co w szczegól−
Rysunek 4. Tutaj bardzo dobrze widoczne są wieńce zębate
na rotorze.
Elektronika dla Wszystkich
27
Elektor w EdW
Typowo spotyka się silniki kro−
kowe o podziale pełnego obrotu na
przynajmniej 24 kroki (co 15) albo
48 kroków (co 7,5). W starszych
napędach dysków stałych (HD) do
dokładnego ustawienia głowicy
stosowane były najczęściej silniki
o 200 krokach (co 1,8) albo nawet
400 krokach (co 0,9).
A teraz ważna sprawa − po włą−
czeniu docelowej częstotliwości
taktującej, wynoszącej wiele kilo−
herców, silnik nie zacznie się obra−
cać! Wcale się nie obraca, co jest
spowodowane tym, że rotor ma
tak dużą bezwładność, iż nie jest
w stanie nadążyć za szybko prze−
mieszczającym się polem magne−
tycznym statora. Start jest możli−
wy jedynie dzięki wykorzystaniu
na początek − “częstotliwości
Start/Stop”, która w zależności od
modelu silnika wynosi od 50Hz do
2kHz. Dopiero po takim wstęp−
nym uruchomieniu silnika można
podwyższyć częstotliwość takto−
wania. Tylko w ten sposób zapew−
niony jest prawidłowy rozruch (za−
trzymanie) silnika. Wielkość przy−
śpieszenia może być dowolnie ma−
ła, ale nie może być zbyt duża.
Przy zbyt szybkim zwiększaniu
częstotliwości taktującej rotor sta−
nąłby w miejscu podobnie jak
i wtedy, gdyby spróbowano prze−
kroczyć maksymalną dopuszczal−
ną częstotliwość taktowania.
Przebieg częstotliwości
“Start/Stop” w trakcie procedury
przyśpieszania aż do prędkości
docelowej przypomina rosnącą
funkcję schodkową –
rysunek 5
.
Wyłączanie przebiega analogicz−
nie, lecz tym razem mamy do
czynienia z opadającą funkcją
schodkową, ponieważ w przy−
padku natychmiastowego wyłą−
czenia rotor, ze względu na swą
dużą masę, po prostu nadal by
się obracał i co istotne, informa−
cje o dokładnym położeniu były−
by stracone.
faza pełnej prędkości obrotowej schodkowe zbocze opadające
Rys. 5 Przyśpieszanie i hamowanie silnika odbywa się przy
wykorzystaniu funkcji schodkowej.
„Startową” częstotliwość tak−
towania, przy której silnik kro−
kowy może bezpiecznie obracać
się w obydwu kierunkach bez
stosowania procedur na bazie
funkcji schodkowej, dobiera się
wyłącznie do poszukiwania
punktu zerowego oraz dla naj−
mniejszych potrzebnych prędko−
ści obrotowych. Sterowanie przy
pomocy komputera stosuje się
przede wszystkim dla silników
krokowych sterowanych kroka−
mi połówkowymi oraz mikro−
krokami i to zarówno dla zwy−
kłego sterowania, jak i przy wy−
korzystaniu funkcji schodkowej.
Jest to zadanie dla układu stero−
wania silnikiem krokowym, na
przykład dla 80C166−Board
(opracowanie Elektora) lub inne−
go, w oparciu o mikrokontroler
jednoukładowy bądź inne spe−
cjalizowane układy scalone.
Editorial items appearing on pages 23 − 28 are the copyright property of © Segment B. V. Beek, The Netherlands, 1998, which reserves all rights.
28
Elektronika dla Wszystkich
Plik z chomika:
zipsklad88
Inne pliki z tego folderu:
Obsługa timerów w mikrokontrolerach AVR, część 2.pdf
(127 KB)
Obsługa timerów w mikrokontrolerach AVR, część 1.pdf
(111 KB)
Mikrokontrolery.pdf
(121 KB)
Mikrokontrolery avr.pdf
(1018 KB)
Mikrokontrolery AVR techniczne aspekty programowania.pdf
(192 KB)
Inne foldery tego chomika:
• ATLAS UZWOJEŃ silników indukcyjnych
• Układy i układziki do łatwego montażu
• Zasilacze i prostowniki - schematy i opisy
♦ Książki kucharskie
•♥•Altanki sliczne
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin