Silniki Krokowe - Budowa, Funkcjonowanie I Sterowanie.pdf - Elektornika - Blackmore

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 .

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.

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

0 1

1 2

0 3

1 4

ności dla silników krokowych

o małej liczbie pozycji rotora jest

pewną wadą.

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 1

1 2

1 3

1 4

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

0 1

1s 2

1 3

1 4

0 5

1 6

1 7

1 8

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

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.

Elektronika dla Wszystkich

Silniki Krokowe - Budowa, Funkcjonowanie I Sterowanie.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: