Silnik krokowy: urządzenie, zasada działania, zakres

Silniki krokowe prądu stałego są szeroko stosowane w obrabiarkach sterowanych numerycznie i robotyce. Główną różnicą między tym silnikiem elektrycznym jest zasada jego działania. Wał silnika krokowego nie obraca się przez długi czas, a jedynie obraca się o określony kąt. Zapewnia to precyzyjne pozycjonowanie elementu roboczego w przestrzeni. Zasilanie takiego silnika jest dyskretne, to znaczy odbywa się za pomocą impulsów. Impulsy te obracają wał pod pewnym kątem, każdy taki obrót nazywamy krokiem, stąd nazwa. Często silniki te współpracują ze skrzynią biegów, aby poprawić dokładność ustawienia i moment obrotowy na wale, oraz z enkoderem do śledzenia aktualnej pozycji wału. Te elementy są potrzebne do przeniesienia i przekształcenia kąta obrotu. W tym artykule powiemy czytelnikom strony Sam elektryk o urządzeniu, zasadzie działania i celu silników krokowych.

Jak działa silnik krokowy

Ze względu na swój typ jest to bezszczotkowy silnik synchroniczny. Zawiera stojan i wirnik. Na wirniku znajdują się zwykle sekcje wykonane z blach elektrotechnicznych (na zdjęciu część „zębata”), a te z kolei oddzielone są magnesami trwałymi. Uzwojenia znajdują się na stojanie w postaci oddzielnych cewek.

Zasada działania

Jak działa silnik krokowy, można zobaczyć na modelu warunkowym. W pozycji 1 do uzwojeń A i B przykładane jest napięcie o określonej polaryzacji. W rezultacie w stojanie wytwarzane jest pole elektromagnetyczne. Ponieważ przyciągane są różne bieguny magnetyczne, wirnik przyjmie swoją pozycję wzdłuż osi pola magnetycznego. Ponadto pole magnetyczne silnika zapobiegnie próbom zmiany położenia wirnika z zewnątrz. Mówiąc prościej, pole magnetyczne stojana będzie działać, aby uniemożliwić wirnikowi zmianę danej pozycji (na przykład pod wpływem naprężeń mechanicznych na wale).

Jeśli do uzwojeń D i C zostanie przyłożone napięcie o tej samej biegunowości, pole elektromagnetyczne ulegnie przesunięciu. Spowoduje to obrót wirnika z magnesami trwałymi do pozycji 2. W tym przypadku kąt obrotu wynosi 90 °. Ten kąt będzie krokiem obracania wirnika.

Pozycja 3 jest osiągana przez przyłożenie napięcia o odwrotnej polaryzacji do uzwojeń A i B. W takim przypadku pole elektromagnetyczne będzie przeciwne do pozycji 1, wirnik silników zostanie przesunięty, a całkowity kąt będzie wynosił 180 °.

Gdy napięcie o odwrotnej polaryzacji zostanie przyłożone do uzwojeń D i C, wirnik obróci się do 270 ° od pozycji wyjściowej. Gdy do uzwojeń A i B zostanie podłączone napięcie dodatnie, wirnik przyjmie swoją pierwotną pozycję - wykona obrót o 360 °. Należy pamiętać, że ruch wirnika odbywa się po najkrótszej drodze, czyli od pozycji 1 do pozycja 4 zgodnie z ruchem wskazówek zegara wirnik obróci się dopiero po przejściu pośredniego 2 i 3 zaprowiantowanie. Po podłączeniu uzwojeń po 1 pozycji natychmiast do 4 pozycji, wirnik obróci się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Rodzaje i typy według polaryzacji lub rodzaju uzwojeń

Silniki krokowe wykorzystują uzwojenia bipolarne i jednobiegunowe. Zasada działania została rozważona na podstawie maszyny bipolarnej. Ta konstrukcja przewiduje użycie różnych faz do zasilania uzwojeń. Obwód jest bardzo złożony i wymaga drogich i wydajnych płyt sterujących.

Prostszy schemat sterowania w maszynach jednobiegunowych. W takim schemacie początek uzwojeń jest połączony ze wspólnym „plusem”. Na drugich wnioskach z uzwojeń naprzemiennie podaje się „minus”. Zapewnia to obrót wirnika.

Silniki krokowe bipolarne są mocniejsze, mają o 40% większy moment obrotowy niż jednobiegunowe. Silniki elektryczne jednobiegunowe są znacznie wygodniejsze w obsłudze.

Typy silników według konstrukcji wirnika

W zależności od rodzaju konstrukcji wirnika silniki krokowe są podzielone na maszyny:

• z magnesem trwałym;
• ze zmienną niechęcią;
• hybrydowy.

SM z magnesami trwałymi na wirniku jest zaprojektowany w taki sam sposób jak w omówionych powyżej przykładach. Jedyna różnica polega na tym, że w prawdziwych maszynach jest znacznie więcej magnesów. Są one zwykle dystrybuowane na dysku współdzielonym. Liczba biegunów w nowoczesnych silnikach sięga 48. Jeden krok w takich silnikach elektrycznych to 7,5°.

Silniki o zmiennej reluktancji. Wirnik tych maszyn wykonany jest z miękkich stopów magnetycznych, nazywany jest również „reakcyjnym silnikiem krokowym”. Wirnik składa się z oddzielnych płyt i wygląda w przekroju jak koło zębate. Ta konstrukcja jest konieczna, aby strumień magnetyczny był zamknięty przez zęby. Główną zaletą tej konstrukcji jest brak momentu blokującego. Faktem jest, że wirnik z magnesami trwałymi jest przyciągany do metalowych części silnika elektrycznego. I dość trudno jest obrócić wał przy braku napięcia na stojanie. W silniku krokowym o zmiennej reluktancji nie ma takiego problemu. Jednak istotną wadą jest mały moment obrotowy. Nachylenie takich maszyn wynosi zwykle od 5° do 15°.

Hybrydowy silnik krokowy został opracowany, aby połączyć najlepsze cechy dwóch poprzednich typów. Silniki te mają mały skok od 0,9 do 5 ° i mają wysoki moment obrotowy i zdolność trzymania. Najważniejszą zaletą jest wysoka dokładność urządzenia. Takie silniki elektryczne są stosowane w najnowocześniejszym sprzęcie o wysokiej precyzji. Wady to tylko ich wysoki koszt. Strukturalnie wirnik tego urządzenia jest namagnesowanym cylindrem, na którym znajdują się miękkie zęby magnetyczne.

Na przykład 200-stopniowy silnik krokowy wykorzystuje dwie tarcze zębate po 50 zębów każda. Dyski są przesunięte względem siebie o pół zęba tak, że wnęka bieguna dodatniego pokrywa się z występem bieguna ujemnego i odwrotnie. Dzięki temu wirnik ma 100 biegunów o odwrotnej polaryzacji.

Oznacza to, że zarówno biegun południowy, jak i północny można przesunąć względem stojana w 50 różnych pozycjach, a łącznie 100. A przesunięcie fazowe o jedną czwartą daje kolejne 100 pozycji, dzieje się to dzięki wzbudzeniu sekwencyjnemu.

Sterowanie silnikiem krokowym

Zarządzanie odbywa się następującymi metodami:

1. Fala. W tej metodzie napięcie jest przykładane tylko do jednej cewki, do której przyciągany jest wirnik. Ponieważ w grę wchodzi tylko jedno uzwojenie, moment obrotowy wirnika jest mały i nie nadaje się do przenoszenia dużej mocy.
2. Pełny krok. W tym przykładzie wykonania dwa uzwojenia są wzbudzane jednocześnie, zapewniając w ten sposób maksymalny moment obrotowy.
3. Pół-krok. Łączy dwie pierwsze metody. W tym przykładzie wykonania napięcie jest przykładane najpierw do jednego z uzwojeń, a następnie do dwóch. W ten sposób realizowanych jest więcej kroków i maksymalna siła trzymania, która zatrzymuje wirnik przy dużych prędkościach.
4. Sterowanie mikrokrokowe realizowane jest poprzez zastosowanie impulsów mikrokrokowych. Ta metoda zapewnia płynny obrót wirnika i ogranicza szarpanie podczas pracy.

Zalety i wady silników krokowych

Zaletami tego typu maszyn elektrycznych są:

• wysokie prędkości uruchamiania, zatrzymywania, cofania;
• wał jest obracany zgodnie z poleceniem urządzenia sterującego pod określonym kątem;
• wyraźne ustalenie pozycji po zatrzymaniu;
• wysoka dokładność pozycjonowania, bez ścisłych wymagań dotyczących obecności sprzężenia zwrotnego;
• wysoka niezawodność ze względu na brak kolektora;
• utrzymanie maksymalnego momentu obrotowego przy niskich prędkościach.

Niedogodności:

• pozycjonowanie może zostać naruszone, gdy obciążenie mechaniczne na wale jest większe niż dopuszczalne dla danego modelu silnika;
• prawdopodobieństwo rezonansu;
• złożony schemat sterowania;
• niska prędkość obrotowa, ale nie można tego przypisać znaczącym wadom, ponieważ silniki krokowe nie służą po prostu do obracania czegoś podobnego bezszczotkowyna przykład, ale dla mechanizmów pozycjonujących.

Silnik krokowy jest również nazywany silnikiem „skończonej liczby pozycji wirnika”. To najbardziej pojemna i jednocześnie zwięzła definicja takich maszyn elektrycznych. Są aktywnie wykorzystywane w maszynach CNC, drukarkach 3D i robotach. Głównym konkurentem silnika krokowego jest serwo, ale każdy z nich ma swoje zalety i wady, które w każdym przypadku decydują o zasadności zastosowania jednego lub drugiego.

Powiązane materiały:

• Jakie są rodzaje silników elektrycznych i czym się różnią
• Co to jest napięcie krokowe i jakie jest niebezpieczne
• Co to jest silnik synchroniczny i gdzie jest używany