Po l i t e c h n i k a L u b e l s k a , Wy d z i a ł Me c h a n i c z n y

Katedra Automatyzacji

u l . Nad b ys tr zy c k a 3 6, 2 0-6 1 8 L ub l i n

te l . /fa x .:(+4 8 81 ) 53 8 42 6 7 e -ma i l :a u to mat @po l l u b .p l ; wm. ka @po l l ub .p l

LABORATORIUM

PODSTAW ROBOTYKI

Instrukcja do ćwiczenia nr

R4

BADANIE WŁAŚCIWOŚCI NAPĘDU Z

SILNIKIEM KROKOWYM

Wydział Mechaniczny

Sala 406

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL

Opracowali: inż. Mikołaj Styła, dr Paweł Stączek (wer.21.02.15)

1

Cel ćwiczenia

Celem dydaktycznym jest zapoznanie z budową i różnymi sposobami sterowania

silników krokowych.

Celem praktycznym jest poprawne podłączenie silnika krokowego do sterownika i

generatora sygnału prostokątnego oraz zbadanie momentu obrotowego w funkcji prędkości

obrotowej.

Wiadomości podstawowe

Silniki elektryczne stanowią dużą grupę napędów zwłaszcza w przemyśle

maszynowym oraz systemach produkcyjnych. Spośród tej szerokiej grupy możemy wyróżnić

silniki krokowe. Ich nazwa pochodzi od angielskiego słowa stepper motor (ang. step-krok)

i odnosi się do rodzaju ruchu jaki wykonuje wał silnika. Równoważnie używa się także nazwy

silnik skokowy. Głównymi cechami charakteryzującymi omawiane silniki są przede

wszystkim precyzja w pozycjonowaniu, korzystny stosunek generowanego momentu

obrotowego do rozmiarów oraz możliwość sterowania pozycją wału silnika w torze otwartym.

Te właściwości spowodowały, że znalazły one zastosowanie zarówno w gałęziach

automatyki, robotyki jak i przemyśle motoryzacyjnym oraz zbrojeniowym. Poszukując silnika

do konkretnej aplikacji warto zapoznać się z dostępnymi rodzajami. Klasyfikacje silników

krokowych przedstawiono na rys.1.

Istotną gałęzią silników krokowych są silniki hybrydowe. Łączą bowiem w sobie

cechy silników z magnesem trwałym i silników o zmiennej reluktancji. Jednak lepsza jakość

determinuje wyższą cenę. Biorąc pod uwagę precyzyję działania tego rodzaju silników ich

użycie jest wręcz konieczne w obrabiarkach sterowanych numerycznie, sprzęcie medycznym

oraz w innych aplikacjach wymagających wysokiej precyzji pozycjonowania.

Silnik krokowy opiera swoje działanie na wzajemnym oddziaływaniu biegunów.

Magnes posiada dwa bieguny N (ang. North – północny) oraz S (ang. South – południowy).

Bieguny jednoimienne odpychają się, natomiast różnoimienne przyciągają. Identyczne

zachowanie zostanie zaobserwowane w przypadku zastosowania magnesu i elektromagnesu.

W elektromagnesie zmiana kierunku płynącego prądu jest równoznaczna z zamianą

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL

Opracowali: inż. Mikołaj Styła, dr Paweł Stączek (wer.21.02.15)

2

biegunów. Trwałe namagnesowanie rotora wpływa na zwiększenie indukcji magnetycznej

zwiększając jednocześnie moment obrotowy, jaki wytwarza silnik.

Wirnik zbudowany jest z magnesu z naciętymi zębami, jednak jego bieguny nie są

rozmieszczone promieniowo (jak w silniku z magnesem trwałym), a osiowo (rys.2).

Rys. 1. Klasyfikacja silników krokowych [1]

Stojan na swojej powierzchni wewnętrznej posiada odpowiednio rozmieszczone

rowki, których zadaniem jest pokrycie się z właściwym zębem rotora. Podobnie jak w silniku

o zmiennej reluktancji strumień magnetyczny jest największy, jeśli magnetowód zamknie się

przy najmniejszym oporze magnetycznym. Dodatkowo moment reluktancyjny jest

wzmacniany przez już namagnesowany wirnik. Na rys. 3 i 4 przedstawione zostały stojan

oraz wirnik silnika hybrydowego.

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL

Opracowali: inż. Mikołaj Styła, dr Paweł Stączek (wer.21.02.15)

3

Rys.2. Rysunek poglądowy wirnik silnika krokowego: a) hybrydowego. b) z magnesem trwałym [2]

Rys.3.Budowa stojana silnika hybrydowego [2]

Rys.4 Budowa wirnika silnika hybrydowego [2]

Silnik krokowy może mieć różną wartość kąta skoku oraz momentu obrotowego w

zależności od programu realizowanego przez układ sterujący. Sterowanie falowe jest

najprostszym sposobem sterowania silników krokowych, posiada jednak kilka wad. W

każdym takcie cyklu zasilana jest tylko połowa uzwojeń silnika (rys.5). Naprzemienne

zasilanie cewek skutkuje wykorzystaniem jedynie połowy możliwości silnika, co

uniemożliwia uzyskanie dużego momentu obrotowego.

Sterowanie pełnokrokowe wykorzystuje jednocześnie wszystkie cewki silnika

krokowego. Dzięki temu moment obrotowy jest 2 razy większy względem sterowania

falowego a pozycja wirnika jest stale przesunięta o ½ kroku w stosunku do sterowania

falowego (rys 6).

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL

Opracowali: inż. Mikołaj Styła, dr Paweł Stączek (wer.21.02.15)

4

Rys 5. Schemat zasilania cewek silników uni i bipolarnych przy sterowaniu falowym [3].

Połączenie sterowania falowego i pełnokrokowego powoduje, że zęby wirnika

zatrzymują się albo naprzeciwko biegunów stojana, albo pomiędzy nimi. Takie

sterowanie nazywamy półkrokowym (rys. 7). Naprzemiennie zasilane są jedno lub

dwa uzwojenia. Powoduje to, że moment obrotowy co drugiego kroku jest mniejszy o

połowę. Niektóre zastosowania dopuszczają takie rozwiązanie ze względu na poprawę

płynności ruchu zwłaszcza przy małych prędkościach obrotowych.

Rys. 6 Schemat zasilania cewek silników uni i bipolarnych przy sterowaniu pełnokrokowym [3].

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL

Opracowali: inż. Mikołaj Styła, dr Paweł Stączek (wer.21.02.15)

5

Rys. 7. Schemat zasilania cewek silników uni i bipolarnych przy sterowaniu półkrokowym [3].

Sterowanie

mikrokrokowe

pozwala wielokrotnie

zwiększyć rozdzielczość

pozycjonowania wału silnika. Można to osiągnąć poprzez odpowiednie (wielostopniowe)

zmienianie natężeń prądów w uzwojeniach A i B. Możliwe jest wtedy uzyskanie dowolnej

liczby pośrednich położeń wirnika pomiędzy pozycjami pełnokrokowymi jednakże wiąże się

to ze znaczną komplikacją układu sterującego (sterownika). Moment obrotowy silnika jest w

tym przypadku zależny od sumy prądów uzwojeń A i B, będzie więc minimalnie różny dla

poszczególnych mikrokroków.

UWAGA! Należy zapoznać się z instrukcjami obsługi następujących urządzeń (w

oryginalnych plikach PDF producenta):

 generatora impulsów GEN-01 (plik: Instrukcja R4_Zał1 Generator GEN-01.pdf ),

 sterownika SKK-B05 (plik: Instrukcja R4_Zał2 Sterownik SKK-B05.pdf ),

 sterownika SKK-B03 (plik: Instrukcja R4_Zał3 Sterownik SKK-B03.pdf ).

Źródła

[1] Rodzaje silników krokowych i ich właściwości. http://automatykaonline.pl/rodzaje-silnikow-

krokowych-i-ich-wlasciwosci/, styczeń 2013

[2] Potocki L.:Silniki krokowe od podstaw. Elektronika dla wszystkich. Sierpień 2002

[3] Potocki L. :Silniki krokowe od podstaw. Elektronika dla wszystkich. Wrzesień 2002

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL

Opracowali: inż. Mikołaj Styła, dr Paweł Stączek (wer.21.02.15)

6

Przebieg ćwiczenia

I. Zbudowanie i uruchomienie napędu z silnikiem krokowym

I.1. Zidentyfikuj elementy stanowiska ćwiczeniowego:

- silnik krokowy

- generator sygnału prostokątnego GEN-01

- sterownik silnika krokowego SKK-B05

- zasilacz prądu stałego 24VDC (dla sterownika SKK-B05)

- zasilacz prądu stałego 5VDC (dla generatora GEN-01)

I.2. Używając omomierza zidentyfikuj 4 pary przewodów - wyprowadzenia czterech

cewek uzwojeń stojana silnika (silnik z ośmioma wyprowadzeniami):

Rys. 8. Schemat elektryczny uzwojeń silnika krokowego.

I.3. Wykonaj prawidłowo połączenia elektryczne:

-

uzwojeń silnika ze sterownikiem SKK-B05 – użyj tylko „połowy” uzwojeń silnika

(czyli ½ uzwojenia fazy A oraz ½ uzwojenia fazy B);

-

generatora GEN-01 ze sterownikiem SKK-B05 – generator ma zadawać sygnał

kroku (CLK);

-

ręczny przełącznik kołyskowy wykorzystaj do zadawania (zmiany) kierunku

obrotów silnika (sygnał DIR);

UWAGA! Wszelkie połączenia elektryczne wykonuj z wyłączonym zasilaniem

urządzeń!

I.5. Poproś prowadzącego laboratorium o zweryfikowanie poprawności połączeń.

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL

Opracowali: inż. Mikołaj Styła, dr Paweł Stączek (wer.21.02.15)

7

I.6. Ustaw algorytm sterowania silnika na „sterowanie pełnokrokowe” (mikroprzełączniki

SW1 i SW2 na płytce sterownika SKK-B05).

I.7. Oblicz częstotliwość f

1

sygnału CLK jaki należy doprowadzić do sterownika silnika

SKK-B05 aby uzyskać prędkość wirowania silnika n

1

=720obr/min. Wskazówka: dla

sterowania pełnokrokowego wał silnika wykona pełny obrót w ciągu 200 taktów sygnału

CLK.

I.8. Dobierz współczynnik podziału maksymalnej wartości częstotliwości bazowej

generatora GEN-01 (f

0

=150kHz) aby uzyskać na jego wyjściu częstotliwość z zakresu

0Hz  f

1

(nastawianą potencjometrem). Przestaw zworkę na właściwe kołki oznaczone

PODZIAŁ na płytce generatora.

I.9. Obracaj wałem niezasilanego silnika krokowego. Dla silnika hybrydowego (z

namagnesowanym trwale wirnikiem) powinien być wyczuwalny delikatny moment

zaczepowy (w pozycjach odległych od siebie o 1/200 pełnego kąta).

I.10. Nastaw gałkę potencjometru generatora GEN-01 na 0Hz (przekręć „w lewo” do

oporu). Włącz zasilanie generatora oraz sterownika. Sprawdź, czy wał silnika daje się

obrócić dłonią (drugą ręką trzymaj mocno korpus silnika). Jeżeli moment potrzebny do

obrócenia wału (tj. do pokonania tzw. momentu trzymającego silnika – dla f

CLK

=0Hz) jest

zbliżony do momentu zaczepowego oznacza to, że układ NIE PRACUJE prawidłowo –

zweryfikuj poprawność oraz kompletność połączeń.

I.11. Obracając powoli potencjometr generatora w prawo zwiększaj częstotliwość sygnału

CLK. Obserwuj wał silnika – prędkość wirowania powinna zmieniać się płynnie i

proporcjonalnie do częstotliwości sygnału z generatora (CLK).

I.12. Sprawdź jakiego momentu siły (oporowego) trzeba użyć aby unieruchomić wał

(hamuj wał dłonią). Powtórz próbę hamowania dla różnych prędkości obrotowych. Czy

zauważyłeś/aś prawidłowość wiążącą wartość momentu napędowego silnika z prędkością

wirowania wału? – Zanotuj wnioski.

UWAGA! Jeżeli w wyniku hamowania wału silnika zmienia on samoistnie kierunek

wirowania lub wpada w oscylacje oznacza to, że prawdopodobnie do sterownika nie

zostały podłączone właściwe uzwojenia silnika, tzn. podłączono dwie połówki uzwojeń

tej samej fazy (A albo B) zamiast uzwojeń dwóch różnych faz (A oraz B). Zmodyfikuj

połączenia i wykonaj ponownie próby hamowania.

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL

Opracowali: inż. Mikołaj Styła, dr Paweł Stączek (wer.21.02.15)

8

I.13. Przetestuj zmianę kierunku wirowania wału silnika używając przełącznika

kołyskowego (sygnał DIR). Powtórz próbę dla różnych prędkości wirowania. Obserwuj

zachowanie silnika i zanotuj spostrzeżenia.

I.14. Przestawiaj mikroprzełączniki SW1 i SW2 na płytce sterownika wybierając tzw.

sterowanie mikrokrokowe (możesz robić to w trakcie pracy sterownika). Możesz zmieniać

także współczynnik podziału częstotliwości bazowej generatora – tak aby przetestować

napęd w pełnym zakresie częstotliwości sygnału CLK i prędkości obrotowej (od ok. 1Hz

aż do utraty synchronizacji nieobciążonego wału).

I.15. Zmień polaryzację uzwojenia jednej z faz silnika (zamień przewody jednej fazy

miejscami w zaciskach sterownika). Jak ta zmiana wpłynęła na pracę napędu? Zanotuj

wnioski.

I.16. Zmień polaryzację uzwojenia drugiej fazy silnika. Jak ta zmiana wpłynęła na pracę

napędu? Zanotuj wnioski.

I.17. Zamień sposób podłączenia do sterownika obu faz miejscami (nie zmieniając

polaryzacji). Jak zamiana wpłynęła na pracę napędu? Zanotuj wnioski.

II.

Wyznaczenie charakterystyki momentu napędowego silnika krokowego w

funkcji prędkości obrotowej M(n)

II.1. Zidentyfikuj elementy stanowiska do wyznaczania charakterystyki momentowej

silnika krokowego (rys. 9.):

- silnik krokowy (1),

- sterownik silnika krokowego SKK-B03 (2),

- uniwersalny generator sygnałów okresowych (3),

- hamulec tarczowy (4),

- tensometryczny przetwornik siły (momentu hamującego) (5),

- moduł przetwornika analogowo cyfrowego ADAM-4011D (6).

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL

Opracowali: inż. Mikołaj Styła, dr Paweł Stączek (wer.21.02.15)

9

Rys. 9. Widok stanowiska do sporządzania charakterystyk momentowych silnika

krokowego.

II.2.

Uruchom

aplikację

komputerową

do

rejestracji

wyników

badań

–

„Pulpit/LAB_silnik_krokowy”.

II.3. Za pomocą mikroprzełączników sterownika SKK-B03 wybierz algorytm sterowania

półkrokowego (400impulsów/obrót).

II.4. Zwolnij hamulec przez wykręcenie do oporu śruby ściskającej (7) tarcze hamulca.

II.5. Nastaw częstotliwość wyjściową generatora (sygnału CLK) na 50Hz.

II.6. Włącz zasilanie generatora oraz sterownika silnika.

II.7. Obserwując wynik pomiaru momentu hamującego na ekranie komputera powoli

zwiększaj nacisk tarcz hamulca (wkręcaj śrubę hamulca). W chwili zrównania się wartości

6

1

5

4

3

2

7

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL

Opracowali: inż. Mikołaj Styła, dr Paweł Stączek (wer.21.02.15)

10

momentu hamującego z momentem napędowym silnika zastanie zerwana synchronizacja

silnika a jego wał wpadnie w drgania. Zanotuj wartość momentu hamującego, dla którego

silnik utracił synchronizację.

II.8. Powtórz pomiar dwukrotnie, za każdym razem uprzednio zwalniając hamulec. Oblicz

wartość średnią momentu napędowego silnika.

II.9. Powtórz pomiary momentu napędowego silnika dla sygnału CLK o częstotliwościach:

250Hz, 500Hz, 1kHz, 2kHz, 3kHz, 4kHz, 5kHz, 6kHz (trzy pomiary dla każdej

częstotliwości).

II.10. Wykreśl wyznaczoną charakterystykę momentu napędowego silnika w funkcji

prędkości obrotowej M(n) (dla wartości średnich momentu).

Pytania kontrolne

1. Omów różnice pomiędzy silnikami krokowymi o zmiennej reluktancji a z

magnesami trwałymi.

2. Podaj ogólną (opisz jakościowo) zależność prędkości obrotowej silników

krokowych od częstotliwości impulsów sterujących.

3. Opisz różnice pomiędzy sterowaniem falowym a pełnokrokowym.

4. Opisz zasadę sterowania półkrokowego i mikrokrokowego silników krokowych.

5. Narysuj i opisz schemat połączenia równoległego i szeregowego bipolarnego

silnika krokowego z 8 wyprowadzeniami do sterownika. Jakie różnice w osiągach

silnika powoduje takie podłączenie silnika?

6. Omów różnice pomiędzy silnikami uni i bipolarnymi.

7. Podaj przykładowe zastosowania silników krokowych.