Silniki skokowe, zwane

te¿ krokowymi, s¹ szero-

ko stosowne w sprzêcie

elektronicznym. W arty-

kule omówiono ich pod-

stawowe typy, zasadê

dzia³ania, parametry

i metody sterowania.

S

ilnik skokowy jest elektromecha-

nicznym przetwornikiem energii

elektrycznej, doprowadzonej do

pasm jego uzwojenia, w energiê

mechaniczn¹ ruchu obrotowego o charakte-

rze dyskretnym. Przetwarzanie energii odby-

wa siê w takt impulsów steruj¹cych doprowa-

dzonych do pasm uzwojenia, bez konieczno-

œci stosowania jakichkolwiek pêtli sprzê¿enia

zwrotnego. Silnik skokowy ma najczêœciej

jedno, dwa, trzy lub piêæ pasm uzwojenia

rozmieszczonych na biegunach stojana, lub

(rzadziej) roz³o¿onych w jego ¿³obkach. Do-

prowadzona sekwencja impulsów steruj¹-

cych do pasm uzwojenia wywo³uje okreœlo-

ny rozp³yw pr¹dów w tych pasmach wyzna-

czaj¹c po³o¿enie wektora strumienia ma-

gnetycznego w magnetowodzie silnika.

Zmieniaj¹ce siê skokowo po³o¿enie wekto-

ra strumienia magnetycznego stojana œle-

dzone jest przez wirnik, a ka¿de przemie-

szczenie siê wektora strumienia powoduje

zmianê po³o¿enia wirnika zwan¹ skokiem.

Dla ka¿dego rodzaju silnika i w zale¿noœci

od sposobu jego zasilania istnieje okreœlo-

na liczba uk³adów napiêæ zasilaj¹cych do-

prowadzonych do jego uzwojeñ, po przekro-

czeniu której zaczynaj¹ siê one powtarzaæ.

Ka¿dy z takich uk³adów nosi nazwê taktu

komutacji i odpowiada mu okreœlone po³o-

¿enie wirnika. Wszystkie mo¿liwe takty ko-

mutacji tworz¹ cykl komutacji w trakcie

którego wektor strumienia magnetycznego

obróci siê o 360 stopni elektrycznych (2

π

ra-

dianów elektrycznych).

Silniki skokowe nale¿¹ do grupy silników

synchronicznych, gdy¿ wirnik pod¹¿a syn-

chronicznie za skokowo przemieszczaj¹-

cym siê wektorem strumienia magnetyczne-

go pasm uzwojenia. Œrednia prêdkoœæ wi-

rowania wirnika jest wprost proporcjonal-

na do czêstotliwoœci impulsów steruj¹cych,

a d³ugoœæ przebytej drogi w ruchu jest

wprost proporcjonalna do liczby podanych

sekwencji impulsów. Kierunek wirowania

zale¿y od kolejnoœci doprowadzonych im-

pulsów do odpowiednich pasm uzwojenia.

20

SILNIKI SKOKOWE

(1)

Jedn¹ z najistotniejszych zalet silnika sko-

kowego jest jego zdolnoϾ do precyzyjnego

pozycjonowania bez koniecznoœci stosowa-

nia pêtli sprzê¿enia zwrotnego podaj¹cej in-

formacjê o po³o¿eniu. Pozwala to wyelimi-

nowaæ drogie czujniki po³o¿enia, jak np. kode-

ry optyczne czy transformatory po³o¿enia k¹-

towego. Œledzenie sekwencji impulsów steru-

j¹cych wystarczy do okreœlenia pozycji wa³u.

Do zalet silników skokowych mo¿na zaliczyæ:

q

zdolnoϾ do precyzyjnego pozycjonowa-

nia; a powtarzalnoϾ ruchu obarczona jest

niewielkim (3

÷

5% wartoœci skoku) b³êdem

i b³¹d ten nie kumuluje siê w trakcie ruchu,

q

szeroki zakres czêstotliwoœci impulsów

steruj¹cych: od 0 do ok. 30 kHz,

q

zdolnoœæ do rozwijania najwiêkszego

momentu w stanie spoczynku,

q

du¿a trwa³oœæ i niezawodnoœæ; jedynym

elementem zu¿ywaj¹cym siê s¹ ³o¿yska.

Drobne mankamenty zwi¹zane ze stoso-

waniem silników skokowych to:

q

sk³onnoœæ do oscylacyjnego charakteru

skokowego przemieszczania siê wirnika; jest

to istotne dla pojedynczych skoków, dla ma-

³ych czêstotliwoœci komutacji oraz dla proce-

su ustalania siê po³o¿enia koñcowego po

serii impulsów wiêkszej czêstotliwoœci,

q

mo¿liwoœæ wyst¹pienia rezonansu, jeœli

czêstotliwoœæ impulsów steruj¹cych jest zbli-

¿ona do czêstotliwoœci drgañ w³asnych sil-

nika skokowego i uk³adu mechanicznego,

w którym pracuje,

q

trudnoœci ze sterowaniem przy skrajnie

wysokich czêstotliwoœciach.

Typy silników skokowych

W zale¿noœci od konstrukcji wirnika rozró¿-

nia siê trzy podstawowe typy silników sko-

kowych:

q

z wirnikiem czynnym (z magnesem trwa-

³ym w wirniku),

q

z wirnikiem biernym (reluktancyjnym),

q

z wirnikiem hybrydowym.

Wirnik czynny zawiera magnes trwa³y wie-

lobiegunowy. Im wiêcej biegunów magnesu,

tym drobniejszy skok wirnika, jednak uzyska-

nie równomiernego namagnesowania przy

du¿ej liczbie biegunów mo¿e byæ trudne,

a nierównomierne namagnesowanie spowo-

duje, ¿e poszczególne skoki wirnika nie bê-

d¹ jednakowe. Wspó³dzia³anie strumienia

magnesu i strumienia pasm uzwojenia po-

zwala uzyskaæ stosunkowo du¿¹ wartoœæ

momentu elektromagnetycznego oraz dobre

t³umienie oscylacji ruchu.

Wirnik bierny wykonany jest z blachy elek-

trotechnicznej w postaci uzêbionej (reluktan-

cyjnej) i nie zawiera ¿adnego elementu wy-

twarzaj¹cego strumieñ magnetyczny. Im

wiêcej zêbów wirnika, tym drobniejszy skok

wirnika i w zasadzie nie ma tu ograniczeñ

technologicznych. Jednak ze wzrostem licz-

by zêbów wirnika maleje mo¿liwy do uzyska-

nia moment elektromagnetyczny; ma³e jest

tak¿e t³umienie oscylacji ruchu.

Wirnik hybrydowy silnika skokowego ³¹czy

w sobie dodatnie cechy obu wy¿ej wymie-

nionych konstrukcji: dwubiegunowy ma-

gnes cylindryczny namagnesowany osio-

wo zaopatrzony jest po obu koñcach w drob-

no uzêbione wieñce ferromagnetyczne.

Otrzymuje siê w ten sposób silnik o ma³ym

skoku, du¿ej wartoœci momentu elektroma-

gnetycznego i o dobrym t³umieniu.

Zasada dzia³ania

Zasada dzia³ania silników skokowych zwi¹-

zana jest z dyskretn¹ (skokow¹) zmian¹

po³o¿enia wektora strumienia magnetyczne-

go pasm uzwojenia silnika, co osi¹ga siê

przez impulsowe wzbudzanie lub prze³¹-

czanie wzbudzenia pasm uzwojenia.

Silnik o wirniku z magnesem

trwa³ym

W silniku o wirniku z magnesem trwa³ym wir-

nik d¹¿y do takiego ustawienia siê wzglê-

dem pola uzwojenia stojana, aby strumieñ

magnesu trwa³ego by³ wspó³liniowy (czyli

mia³ ten sam kierunek i ten sam zwrot) ze

strumieniem pasm uzwojenia. Jeœli wirnik

znajduje siê w innym po³o¿eniu, to w silni-

ku dzia³a moment elektromagnetyczny

o wartoœci proporcjonalnej do iloczynu war-

toœci obu strumieni i sinusa k¹ta miêdzy

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 8/2003

r

SIÊGAMY

DO PODSTAW

Radian elektryczny

Rozpatrywanie zjawisk elektromagnetycznych

w maszynie elektrycznej mo¿na ograniczyæ do

jednego okresu przebiegu tych zjawisk. Powta-

rzalnoϾ przebiegu np. momentu elektroma-

gnetycznego w ramach pe³nego obrotu (czyli

o 2

π

radianów lub 360

o

) wirnika silnika skoko-

wego zale¿y od liczby p par biegunów silników

z magnesami trwa³ymi lub od liczby Z

r

zêbów

wirnika silników reluktancyjnych i hybrydowych,

i nastêpuje odpowiednio co (2

π

/p) rad (lub

(360

o

/p)) lub (2

π

/Z

r

) rad (lub (360

o

/Z

r

)).

Jednemu okresowi zmian momentu elektroma-

gnetycznego przypisuje siê wartoœæ 2

π

rad, które

nazywa siê radianami elektrycznymi, w odró¿nie-

niu od 2

π

rad (mechanicznych), które odpowia-

daj¹ pe³nemu obrotowi wirnika. Zwi¹zki miêdzy

k¹tem

ϑ

fizycznego obrotu wirnika a jego odpo-

wiednikiem

ϑ

e

w mierze k¹tów elektrycznych s¹

nastêpuj¹ce:

ϑ

e

= p

ϑ

oraz

ϑ

e

= Z

r

ϑ

, co oznacza,

¿e przy obrocie wirnika o pe³en obrót otrzymuje

siê p lub Zr fal przebiegu momentu elektroma-

gnetycznego.

21

zwrotami tych strumieni, pomno¿onego

przez liczbê par biegunów magnesu trwa³e-

go. Natomiast w silniku o wirniku reluktan-

cyjnym wirnik d¹¿y do takiego ustawienia siê

wzglêdem pola uzwojenia stojana, aby re-

luktancja na drodze strumienia pasm uzwo-

jenia stojana by³a jak najmniejsza. Jeœli wir-

nik znajduje siê w innym po³o¿eniu, to w sil-

niku dzia³a moment elektromagnetyczny

o wartoœci proporcjonalnej do iloczynu kwa-

dratu wartoœci strumienia pasm uzwojenia

i sinusa k¹ta miêdzy kierunkiem strumienia

a kierunkiem osi wirnika o najlepszej prze-

wodnoœci magnetycznej, pomno¿onego

przez liczbê zêbów wirnika.

Na rys. 1 przedstawiono zasadê dzia³ania sil-

nika skokowego o wirniku z magnesem trwa-

³ym namagnesowanym dwubiegunowo. Na

czterech biegunach ferromagnetycznego

stojana znajduje siê uzwojenie w postaci

czterech cewek, które mog¹ byæ zasilane

niezale¿nie lub jako po³¹czone w dwa pasma:

ka¿de pasmo sk³ada siê z dwóch, przeciwle-

g³ych cewek. Sposób zasilania pojedynczych

cewek, pojedynczych pasm czy wszystkich

cewek powinien byæ taki, aby wytworzyæ po-

le magnetyczne o takiej samej liczbie biegu-

nów co wirnik. Dla silnika skokowego o wir-

niku z magnesem trwa³ym cewki ³¹czy siê

w uzwojenie dwupasmowe i ka¿de pasmo

zasila siê niezale¿nym napiêciem o prze-

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 8/2003

ci¹¿onego wirnika _ dla zasilania (+1,+2) -

przedstawiono na rys. 2. Przy komutacji

uzwojeñ parami uzyskuje siê lepsze wyko-

rzystanie silnika, gdy¿ ca³y czas pracuje

ca³e uzwojenie, co w rezultacie zaowocuje

zwiêkszeniem wartoœci maksymalnej

momentu elektromagnetycznego (w przy-

padku opisywanego silnika moment

wzroœnie teoretycznie

√

2-krotnie).

Na rys. 3 przedstawiono przebiegi napiêæ

pasmowych i cyklogramy wektora stru-

mienia pasm dla komutacji czterotaktowej

silnika z rys. 1.

Dla silnika o wirniku z magnesem trwa³ym:

skok wektora strumienia uzwojenia wynosi

rad elektr.

skok mechaniczny wirnika wynosi

rad,

a liczba taktów komutacji symetrycznej:

pm

2

2

π

=

α

m

e

2

2

π

=

α

miennej biegunowoœci (zasilanie napiêcio-

we bipolarne).

Na rys.1a przedstawiono sytuacjê, gdy za-

silane jest pasmo 1 napiêciem o umownie

dodatniej biegunowoœci, a wirnik znajduje siê

w takim po³o¿eniu, w którym jego strumieñ

pokrywa siê (co do kierunku i zwrotu) ze

strumieniem pasma 1. Jest to po³o¿enie

równowagi stabilnej. Jeœli od³¹czyæ zasila-

nie pasma 1, a zasiliæ pasmo 2 umownie do-

datnim napiêciem, to wektor strumienia sto-

jana przemieœci siê o 2

π

/4 rad w kierunku

przeciwnym do ruchu wskazówek zegara

(rys.1b). Na wirnik zadzia³a moment elektro-

magnetyczny, który spowoduje jego ruch

w kierunku pola stojana i wirnik zatrzyma siê

w po³o¿eniu, w którym jego strumieñ jest ko-

linearny ze strumieniem pasma 2 (rys.1c).

Kolejny skok, najpierw strumienia uzwojenia

stojana a za nim wirnika, zostanie wyko-

nany po od³¹czeniu zasilania pasma 2 i za-

sileniu pasma 1 napiêciem o przeciwnej

biegunowoœci ni¿ dla przypadku przedsta-

wionym na rys.1a (rys.1d).

Przy opisanym sposobie zasilania otrzymu-

je siê komutacjê czterotaktow¹, co znaczy, ¿e

mo¿liwe s¹ tylko cztery ró¿ne uk³ady napiêæ

zasilaj¹cych pasma uzwojenia stojana daj¹-

ce cztery ró¿ne po³o¿enia wektora strumie-

nia stojana. Omówiony cyklogram komutacji

mo¿na zapisaæ skrótowo: (+1), (+2), (-1), (-2),

(+1),... Drugi kierunek wirowania uzyskuje

siê przy sekwencji prze³¹czeñ wg cyklogra-

mu: (+1), (-2), (-1), (+2), (+1),...

Podobn¹ komutacjê czterotaktow¹ mo¿na

zrealizowaæ zasilaj¹c jednoczeœnie oba pa-

sma uzwojenia napiêciami o kolejno zmie-

nianej biegunowoœci, np. wg cyklogramu:

(+1,+2), (-1,+2), (-1,-2), (+1,-2), (+1,+2),...

Wówczas strumieñ wypadkowy uzwojenia

stojana, a za nim wirnik, bêd¹ zajmowa³y

kolejne po³o¿enia poœrednie w stosunku do

zilustrowanych na rys.1, tzn. przesuniête o

po³owê skoku podstawowego. Przyk³ad jed-

nego z takich po³o¿eñ stabilnych nieob-

1

1

2

1a

1b

1c

1d

2

2

2

1

1

2

1

Rys. 1. Ilustracja zasady dzia³ania silnika skokowe-

go o wirniku z magnesem trwa³ym namagnesowa-

nym dwubiegunowo; (1,2 _ numery pasm; strza³ki ze-

wnêtrzne _ osie pasm; strza³ki wewnêtrzne _ zwrot we-

ktora strumienia magnetycznego)

Rys. 2.

Przyk³ad

po³o¿enia

stabilnego

nieobci¹¿onego

wirnika silnika

z rys.1 przy

zasilaniu (+1,+2)

Rys. 3. Cyklogramy wektora strumienia pasm i przebiegi napiêæ pasmowych silnika z wirnikiem

z magnesem trwa³ym dwubiegunowym dla komutacji czterotaktowej symetrycznej

przy zasilaniu pasm pojedynczo (a) i parami (b)

b)

a)

Rys. 4.

Silnik skokowy

o wirniku

z magnesem

trwa³ym,

czterobiegunowy

1

2

2

k = 2 m

gdzie m oznacza liczbê pasm uzwojenia,

a p _ liczbê par biegunów.

Na rys. 4 przedstawiono przyk³ad silnika

skokowego o wirniku z magnesem trwa³ym

namagnesowanym czterobiegunowo w

po³o¿eniu równowagi bez obci¹¿enia, przy

zasilaniu pasma 1. Rozwi¹zanie tego typu

zapewnia drobniejszy skok wirnika: 2

π

/8