Silniki krokowe

Wykonał: Jarosław Słodziński

Podstawowe

informacje

Dzięki temu kąt obrotu wirnika jest

ściśle zależny od liczby

dostarczonych impulsów

prądowych, a prędkość kątowa

wirnika jest dokładnie równa

częstotliwości impulsów

pomnożonej przez wartość kąta

obrotu wirnika w jednym cyklu

pracy silnika.

Kąt obrotu wirnika pod wpływem działania

jednego impulsu może mieć różną

wartość, zależnie od budowy silnika – jest

to zwykle wartość od kilku do

kilkudziesięciu stopni. Silniki krokowe,

zależnie od przeznaczenia są

przystosowane do wykonywania od

ułamków obrotu na minutę do kilkuset

obrotów na minutę

Rodzaje silników

krokowych

I

Silnik o zmiennej reluktancji VR (od ang.

Variable Reluctance)

Silnik o zmiennej reluktancji: wśród jednosegmentowych

silników krokowych, który posiada wirnik reluktancyjny,

można wyróżnić pozostałe, w których to na jeden biegun

stojana przypada jeden ząb wirnika oraz takie gdzie na

jeden biegun stojana przypada kilka zębów. Oczywiście

obydwie te odmiany mogą być wykonane w wariancie

symetrycznym, bądź też nie symetrycznym. Budowa

symetryczna charakteryzuje się tym, że uzwojenia dwóch

przeciwległych biegunów tworzą pasmo, natomiast

budowa niesymetryczna charakteryzuje się, tym iż całe

uzwojenie pasma jest umieszczone na jednym biegunie

dzialanie silnika krokowego o wirniku reluktancyjnym

opiera się na wykorzystaniu momentu reluktancyjnego.

Silnik ten składa się natomiast z rotora o wielu zębach, a

wykonany jest on z stali miękkiej i uzwojonego stojana.

Kiedy uzwojenia stojana są zasilane prądem stałym,

bieguny namagnesowywuja się, a ruch pojawia się na

skutek przyciągania zębów rotora przez bieguny stojana.

Zasada działania

Wirnik ma cztery zęby i jego działanie pokazane jest

poniżej na rysunku a,b,c,d, gdzie przy każdym zasilaniu

jednego uzwojenia wirnik obróci się o 30 stopni itd.

Ze względu na brak magnesów trwałych,

wirnik nie zasilanego silnika

reluktancyjnego może się swobodnie

obracać, co różni go od innych silników

krokowych. Silniki reluktancyjne nie mają

dobrych parametrów i zostały wyparte

przez inne rodzaje silników krokowych.

II

Silniki z magnesem stałym.

Silniki te nazywane są silnikami PM z

angielskiego Pernament Magnet. Krótko

mówiąc jego działanie polega na

wzajemnym przyciąganie się biegunów

różnoimiennych a odpychaniu

jednoimiennych. Jeśli jeden z magnesów

zastąpimy elektromagnesem zjawisko

będzie identyczne a chcąc zmienić

biegunowość elektromagnesu zmieniamy

tylko kierunek prądu jak pokazano na

rysunku.

Najprostszy silnik z magnesem stałym

mógłby mieć dwa uzwojenia a wirnik

byłby namagnesowany promieniowo.

Poniższy rysunek pokazuje poszczególne

fazy cyklu.

Cztery fazy tworzą pełen cykl i wirnik wykonuje

pełen obrót. Tym razem mamy tylko dwa

uzwojenia, ale w poszczególnych odcinkach

czasu prąd płynie w nich w przeciwnych

kierunkach. Jeden skok w takim silniku to

obrót o 90 stopni, co nie jest korzystne. W

celu uzyskania skoku jak najmniejszego

należałoby zwiększyć liczbę biegunów

wirnika. Wirnik silnika nie posiada wtedy

zębów, lecz jest namagnesowany

naprzemiennie biegunami N i S. Nie jest to

pojedynczy magnes tylko jakby złożenie kilku

magnesów. Uproszczoną budowę wewnętrzną

jednej z odmian silnika z magnesem stałym

pokazano na rysunku:

Przepływ prądu przez uzwojenie 1 równoznaczne jest z powstaniem

elektromagnesu o biegunach pokazanych na rysunku a. Przyciągające

się magnesy spowodują odpowiednie ustawienie wirnika. Jeśli

przestanie płynąć prąd w uzwojeniu pierwszym a popłynie w uzwojeni

2, zaczną oddziaływać elektromagnes 2 i bieguny wirnika oznaczone

Z-Z. Wirnik obróci się zgodnie z ruchem wskazówek zegara o kąt 30

stopni i ustawi w położeniu na rysunku b., Aby w następnym kroku

uzyskać obrót o 30 stopni należy uzyskać biegunowość magnesu 1

rys. c. Osiągamy to poprzez zmiany kierunku prądu w tym uzwojeniu

w stosunku do sytuacji z rys. a. Następny krok i obrót o 30 stopni

uzyskamy, jeśli w uzwojeniu 2 popłynie prąd w kierunku przeciwnym

niż wcześniej jak na rys. d. Kolejny skok i obrót uzyskamy w sytuacji

analogicznej jak na początku rys. e. Silnik ten ma 2 pary biegunów

stojana i 3 pary biegunów wirnika. Stosując większe liczby biegunów

stojana i wirnika można uzyskać mniejszy skok.

III

Silniki hybrydowe

Silniki te oznaczamy skrótem HB od

angielskiego hybrid. W silniku HB magnes

jest, ale pełni inną role niż w silniku PM.

Wirnik jest tu namagnesowany osiowo.

Wirujące pole magnetyczne nie może "

zabrać ze sobą" namagnesowanego

wirnika, bo kierunki obu pól są

niewłaściwe prostopadłe. Silniki

hybrydowe przypominają silniki VR o

bardzo dużej liczbie biegunów i zębów

wirnika. Czoła biegunów stojana oraz

powierzchnia wirnika mają małe kanaliki.

Obecność magnesu powoduje, że nawet

bez magnesu stojana wirnik stara się

znaleźć takie położenie, żeby wypadkowa

oporność magnetyczna obwodu była jak

najmniejsza. Następuje to, gdy jak

najwięcej żłobków stojana i wirnika jest

ustawionych naprzeciw siebie.

W silniku, HB wirujące pole stojan a nie

zabiera z sobą namagnesowanego

wirnika, tylko przerzuca wirnik z jednego

położenia do drugiego na zasadzie, jak w

silniku VR. Możliwe jest to właśnie dzięki

przesunięciu "północnej" i "południowej"

części wirnika o pół ząbka. Obecność

magnesu poprawia właściwości silnika.

Rysunek pokazuje wzajemne

pozycje ząbków przy

różnym namagnesowaniu

biegunów stojana. Rysunek

ten pokazuje poszczególne

stanyprzy najprostszym

sterowaniu tzw. falowym.

Wirnik silnika HB ma

kilkadziesiąt do kilkuset

"ulubionych pozycji", a kolejne

impulsy sterujące w pewien

sposóbprzerzucają wirnik z

jednej takiej pozycji do następnej. Im więcej ząbków- żłobków, tym

dokładniej można kontrolować ruch wirnika. Silnik HB dzięki

obecności magnesu

trwałego ma też znacznie lepsze charakterystyki

momentu od silników VR i PM.

W silniku, HB wirujące pole stojan a nie

zabiera z sobą namagnesowanego

wirnika, tylko przerzuca wirnik z jednego

położenia do drugiego na zasadzie, jak w

silniku VR. Możliwe jest to właśnie dzięki

przesunięciu "północnej" i "południowej"

części wirnika o pół ząbka. Obecność

magnesu poprawia właściwości silnika.

Porównanie silników

krokowych z innymi

silnikami

Zastosowanie

Silniki krokowe są stosowane wszędzie tam, gdzie kluczowe

znaczenie ma możliwość precyzyjnego sterowania ruchem:

-w szeroko rozumianej automatyce – w mechanicznych urządzeniach

regulacyjnych (np. automatycznych zaworach);

-w urządzeniach pomiarowych np. zegarach elektronicznych do

przesuwania wskazówek;

-w robotyce – do sterowania ruchem ramion robotów, kół w

automatycznych wózkach widłowych itp.;

-w drukarkach igłowych i atramentowych oraz ploterach – do

sterowania ruchem głowicy drukującej/igły i przesuwu papieru/folii;

-w napędach CD/DVD – do sterowania ruchem głowicy czytającej

zawierającej laser;

-w samochodach – odpowiada za obroty na biegu jałowym.

Zalety silników krokowych:

• Kąt obrotu silnika jest proporcjonalny do liczby impulsów

wejściowych.

• Silnik pracuje z pełnym momentem w stanie spoczynku

(o ile uzwojenia są zasilane).

• Precyzyjne pozycjonowanie i powtarzalność ruchu -

dobre silniki krokowe mają dokładność ok. 3 - 5% kroku i
błąd ten nie kumuluje się z kroku na krok.

• Możliwość bardzo szybkiego rozbiegu, hamowania i

zmiany kierunku.

• Niezawodne - ze względu na brak szczotek. żywotność

silnika zależy zatem tylko od żywotności łożysk.

• Zależność obrotów silnika od dyskretnych impulsów

umożliwia sterowanie w pętli otwartej, przez co silnik
krokowy jest łatwiejszy i tańszy w sterowaniu.

• Szeroki zakres prędkości obrotowych uzyskiwany dzięki

temu, że prędkość jest proporcjonalna do częstotliwości
impulsów wejściowych.

• Jedną z najbardziej znaczących zalet silnika krokowego jest

możliwość dokładnego sterowania w pętli otwartej. Praca w
pętli otwartej oznacza, że nie potrzeba sprzężenia
zwrotnego - informacji o położeniu. Takie sterowanie
eliminuje potrzebę stosowania kosztownych urządzeń
sprzężenia zwrotnego, takich jak enkodery
optoelektroniczne. Pozycje znajduje się zliczając impulsy
wejściowe. Ponieważ (patrz: wady) w silniku krokowym
może jednak wystąpić zjawisko gubienia kroków, np. przy
niewłaściwym sterowaniu lub nadmiernym obciążeniu
silnika, nie można tej zalety traktować jako gwarantowanej
dla każdego silnika krokowego i dowolnych warunków jego
pracy.

• Możliwość osiągnięcia bardzo niskich prędkości

synchronicznych obrotów z obciążeniem umocowanym
bezpośrednio na wale silnika

Wady silników krokowych

• Rezonanse mechaniczne pojawiające się

przy niewłaściwym sterowaniu.

• Trudności przy pracy z bardzo dużymi

prędkościami.

• W praktyce małe maksymalne obroty:

rzędu kilku-kilkuset obrotów na minutę.

• Występuje zjawisko gubienia kroków
• Duży pobór prądu
• Duża emisja ciepła

Zdjęcia silników krokowych

Kilka wat

Kilkanaści

e wat

Kilkadziesiąt wat

100-1000

wat

3 kW z chłodzeniem za pomocą

dodatkowego silnika

Charakterystyki zdejmowane z

silników krokowych:

-Charakterystyka rozruchowa

-Charakterystyka graniczna

Charakterystyką rozruchową

jest zależność momentu

obciążenia dla różnych

częstotliwości, przy których

silnik może ruszać i

zatrzymywać się bez utraty

synchronizmu. Wyznacza się

ją w

Należy nastawić serię impulsów

odpowiadających wielokrotności obrotu wału

silnika, a następnie załączyć generator

częstotliwości. Wirnik silnika po wykonaniu

zadanej liczby obrotów, powinien zatrzymać się

w położeniu wyjściowym. Nastawiając na

hamulcu określone obciążenie i zmieniając

częstotliwości generatora, należy znaleźć

odpowiadające danym obciążeniom największe

częstotliwości następowania impulsów

sterujących, przy których wirnik silnika wraca

jeszcze do położenia wyjściowego. Na

podstawie uzyskanych wyników wykreśla się

charakterystykę rozruchową.

Charakterystyką graniczną jest

zależność momentu na wale

silnika dla różnych

częstotliwości, przy których

silnik może pracować bez

utraty synchronizmu.

Wyznacza się ją w sposób

opisany poniżej.

Wyznaczając tę charakterystykę należy

nastawić częstotliwość generatora poniżej

maksymalnej częstotliwości rozruchowej i

załączyć silnik. Następnie silnik obciąża się,

a

częstotliwość generatora zadającego zwiększa

się w sposób płynny tak długo, aż silnik

wypadnie z synchronizmu. Największa

częstotliwość impulsów sterujących, przy

której silnik nie wypada jeszcze z

synchronizmu, jest właśnie wyznaczaną

częstotliwością graniczną przy danym

obciążeniu. Pomiary powtarza się stopniowo

zwiększając obciążenie.

Koniec

Dzięki za uwagę.