Podzespoły
Silniki krokowe
S
i
l
n
i
k
i
k
r
o
k
o
w
e
Silniki krokowe
S
i
l
n
i
k
i
k
r
o
k
o
w
e
od podstaw
o
d
p
o
d
s
t
a
w
od podstaw
o
d
p
o
d
s
t
a
w
Część 2 - powrót do z
ródeł
część 2 - powrót do z
ródeł
Aby w pełni wykorzystać silniki krokowe Skrótowo oznaczane są VR  od angielskie- nika reluktancyjnego z trzema uzwojeniami
(stepper motors), potrzeba pewnej wiedzy i go Variable Reluctance. Nie ma tu magne- pokazuje rysunek 16. Wirnik (rotor) ma tu
doświadczenia. Pierwsza część artykułu w sów trwałych. Przyczyną ruchu wirnika jest, cztery zęby, a stator sześć biegunów. Każde z
numerze EdW 7/2002) udowodniła, że pod- podobnie jak w przekaz
niku, dążenie do za- trzech uzwojeń podzielone jest na dwie czę-
stawowe, i co ważne, najczęściej stosowane mknięcia obwodu magnetycznego i zmniej- ści, nawinięte na przeciwległych biegunach.
sposoby sterowania są naprawdę bardzo pro- szenia oporu magnetycznego  reluktancji. Rysunek 17a pokazuje położenie wirnika
ste. Prosta jest także podstawowa zasada Wykorzystuje się tu tzw. moment reluktan- przy zasileniu uzwojenia A  uzwojenie,
działania tych silników, którą się teraz zaj- cyjny. Aby uzyskać ruch ciągły, nie wystar- przez które płynie prąd zaznaczyłem kolorem
miemy. W każdym z omawianych silników czy jedna cewka. Schematyczną budowę sil- czerwonym. Bieguny 1 przyciągają zęby X
uzwojenia umieszczone są na stojanie. W wirnika. Gdy zostanie zasilone uzwojenie 2
żadnym nie ma uzwojeń na wirniku, a tym (pozostałe dwa uzwojenia nie będą zasilane),
samym nie ma pierścieni ani szczotek. Dzię- wytworzy ono strumień magnetyczny i (dla
ki temu trwałość silników krokowych jest zmniejszenia oporu magnetycznego) wirnik
bardzo duża i wyznaczona jest przede wszy- obróci się o kąt 30 stopni. Zwróć uwagę, że
stkim przez trwałość łożysk. wcześniej bieguny 1 przyciągały zęby X wir-
nika. Teraz bieguny 2 są bliżej zębów Y i wła-
VR - silniki krokowe
śnie je przyciągają. Dlatego wirnik obróci się
o zmiennej reluktancji o 30o w prawo, jak pokazuje rysunek 17b.
Znasz na pewno przekaz
nik, element elektro- W następnym takcie zasilone zostanie
niczny, który zawiera cewkę, rdzeń, ruchomą Rys. 15 uzwojenie 3 i bieguny 3 przyciągną zęby X 
kotwicę i styki. Przepływ prądu przez cewkę wirnik obróci się o dalsze 30o w prawo i usta-
powoduje przyciągnięcie kotwicy (i przełą- Rys. 16 wi w położeniu pokazanym na rysunku 17c.
czenie styków, co nas teraz zupełnie nie inte- Zasilenie uzwojenia 1 spowoduje obrót o ko-
resuje). Podobnie działa elektromagnes. lejne 30 stopni, jak pokazuje rysunek 17d.
Działanie przekaz
nika i elektromagnesu ilu- Ponieważ zęby X, Y wirnika niczym się nie
struje rysunek 15. Pole magnetyczne po- różnią, sytuacja jest wtedy identyczna, jak
wstające w rdzeniu, mówiąc potocznie, przy- na rysunku 17a i każdy kolejny impuls po-
ciąga ruchomą kotwicę. Zamyka obwód ma- woduje obrót o dalsze 30 stopni w prawo.
gnetyczny. Bardziej ściśle należałoby stwier-
dzić, że układ dąży do zmniejszenia oporu Fot. 17
magnetycznego, by przy danej sile magneto-
motorycznej wytworzonej przez cewkę, po-
wstał jak największy strumień. Nie wdając
się w szczegóły: przez przyciągnięcie kotwi-
cy układ zmniejsza opór magnetyczny. A
opór magnetyczny to reluktancja.
Na podobnej zasadzie działają tak zwane
reluktancyjne silniki krokowe, zwane czę-
ściej silnikami o zmiennej reluktancji.
Elektronika dla Wszystkich
26 Sierpień 2002
Podzespoły
Przepływ prądu przez uzwojenie powoduje nek przepływu prą- z magnesem stałym. Przepływ prądu przez
takie ustawienie wirnika, żeby oporność ma- du, jak pokazuje uzwojenie 1 jest równoznaczne z powstaniem
gnetyczna była jak najmniejsza. Na stronie rysunek 20. (elektro)magnesu o biegunach pokazanych na
internetowej EdW można znalez
ć stosowną Najprostszy sil- rysunku 23a. Przyciągające się magnesy
animację, zrealizowaną w programie Flash nik z magnesem sta- spowodują odpowiednie ustawienie wirnika.
(Reluktancyjny.exe). łym mógłby mieć Jeśli za chwilę przestanie płynąć prąd
Silniki VR (o zmiennej reluktancji) mogą dwa uzwojenia, a w uzwojeniu 1, a popłynie w uzwojeniu 2,
mieć i zazwyczaj mają większą liczbę biegu- wirnik byłby nama- zaczną oddziaływać elektromagnes 2 i biegu-
nów stojana i zębów wirnika. Wtedy skok gnesowany promie- ny wirnika oznaczone Z-Z. Wirnik obróci się
jednostkowy jest mniejszy. niowo. Rysunki zgodnie z ruchem wskazówek zegara o kąt
Do sterowania silnika reluktancyjnego 21a...21e pokazują 30 stopni i ustawi w położeniu pokazanym na
Fot. 19
trzyuzwojeniowego potrzebna jest sekwen- poszczególne fazy rysunku 23b. Zauważ, że elektromagnes 2
cja impulsów, pokazana na rysunku 18. W cyklu. Cztery fazy oddziałuje z inną parą biegunów wirnika, niż
danej chwili zasilane jest w nim tylko jedno tworzą pełny cykl Fot. 20 wcześniej elektromagnes 1. Aby w następ-
uzwojenie. nym kroku uzyskać obrót o kolejne 30 stop-
ni zgodnie z ruchem wskazówek zegara, na-
leży uzyskać biegunowość elektromagnesu
1, jak pokazuje rysunek 23c. Aby to osią-
gnąć, należy zmienić kierunek przepływu
prądu w tym uzwojeniu w stosunku do sytu-
acji z rysunku 23a. Kolejny krok i obrót o 30
stopni uzyskamy, jeśli w uzwojeniu 2 popły-
nie prąd w kierunku przeciwnym niż wcze-
Rys. 18 śniej, jak pokazuje rysunek 23d. Kolejny
skok i dalszy obrót uzyskamy w sytuacji ana-
Warto zaznaczyć, że ze względu na brak i wirnik wykonuje pełen obrót. Tym razem ma- logicznej jak na początku  ilustruje to rysu-
magnesów trwałych wirnik niezasilanego sil- my tylko dwa uzwojenia, ale w poszczegól- nek 23e. Tym razem cztery takty cyklu spo-
nika reluktancyjnego może się swobodnie nych odcinkach czasu prąd płynie w nich
obracać, co pozwala łatwo odróżnić taki sil- w przeciwnych kierunkach. Zwróć uwagę, że
nik od innych silników krokowych. przy takim sposobie sterowania uzwojeń uzy-
Silniki reluktancyjne nie mają dobrych skujemy efekt wirowania pola magnetycznego
parametrów i zostały wyparte przez inne ro- (stojana) i to wirujące pole niejako zabiera za
dzaje silników krokowych. Dlatego nie bę- sobą namagnesowany wirnik.
dziemy zajmować się wersjami o innej licz- Jeden skok w takim silniku to obrót o 90o,
bie uzwojeń i biegunów, ani dodatkowymi co nie jest korzystne. Do różnych precyzyj-
szczegółami. nych zastosowań elementarny skok powinien
być jak najmniejszy. Można to osiągnąć przez
Silniki
zwiększenie liczby biegunów wirnika. Rotor
z magnesem stałym (wirnik) silnika nie posiada wtedy zębów,
Silniki z magnesem stałym (trwałym) nazy- lecz jest namagnesowany naprzemiennie bie-
wane są silnikami PM, co jest angielskim gunami N i S, i co ważne, nie jest to pojedyn-
Fot. 22
skrótem od Permanent Magnet. Podstawy czy magnes, tylko jakby złożenie kilku ma-
działania silnika z magnesem stałym opiera- gnesów. Rysunek 22 pokazuje uproszczoną
ją się na wzajemnym oddziaływaniu biegu- budowę wewnętrzną jednej z odmian silnika Fot. 23
nów. Magnes ma dwa bieguny, ozna-
czane N (north  północny) i S (south
 południowy). Bieguny różnoimien-
ne (N-S) przyciągają się, a jednoi-
mienne (N-N, S-S)  odpychają, jak
ilustruje to rysunek 19. Jeśli jeden z
magnesów zastąpimy elektromagne-
sem, zjawiska będą identyczne. W
elektromagnesie łatwo możemy zmie-
niać biegunowość, zmieniając kieru-
Fot. 21
Elektronika dla Wszystkich
Sierpień 2002 27
Podzespoły
wodowały obrót wirnika tylko o jedną trzecią rysunek 24. Często magnes ten to pierścień zabiera ze sobą wirnik. Proste wyobrażenie,
obrotu (120 stopni). Zauważ, że i tu mamy do (pierścienie) z silnie namagnesowanego ma- że wirujące pole zabiera ze sobą wirnik, jest
czynienia z wirującym polem magnetycznym teriału nałożony(-e) na oś wirnika. Stojan ma prawdziwe tylko dla silnika z rysunku 21,
(stojana). Zwróć jednak uwagę na istotne zwykle dwa uzwojenia i osiem biegunów, gdzie wirowanie pola powoduje ruch obroto-
różnice  wirujące pole stojana nie zabiera ze z tym, że po cztery bieguny współpracują z jed- wy wirnika z taką prędkością, jak wiruje po-
sobą wirnika, niemniej powoduje przeskoki nym uzwojeniem, jak pokazuje rysunek 25. le. Już analiza rysunku 23 pokazała, że nie
między jego ustalonymi położeniami, a kie- Stosując odpowiednie układy sterujące, moż- zawsze tak jest - prędkość wirnika jest tam
runki wirowania pola i wirnika są przeciwne. na tu uzyskać efekt wirowania pola magne- kilkakrotnie mniejsza, niż prędkość wirowa-
Ten przykładowy silnik ma dwie pary bie- tycznego, analogicznie jak na rysunkach 17, nia pola wytwarzanego przez uzwojenia sto-
gunów stojana i 3 pary biegunów wirnika, jana, a kierunki wirowania pola i wirnika są
przez co jeden skok daje obrót o 30 stopni. przeciwne. Niemniej jest prawdą, że wirują-
Stosując inne (większe) liczby biegunów sto- ce pole magnetyczne stojana współdziała z
jana i wirnika, można uzyskać mniejszy polem magnesu stałego silnika PM i ruch jest
skok. Najczęściej spotyka się silniki PM (z wynikiem interakcji biegunów magnetycz-
magnesem stałym) o kącie skoku 7,5o...15o, nych, według zasady z rysunku 19.
co daje 48...24 skoki na jeden obrót wirnika. W silniku VR nie ma przyciągania i odpy-
Silniki z magnesem stałym (PM) są pod chania biegunów  ruch wynika z dążenia do
pewnymi względami lepsze od silników reluk- zamknięcia obwodu magnetycznego - patrz
tancyjnych (VR) i bywają stosowane do dziś. rysunek 15. Także i w silnikach VR prędkość
obrotowa wirnika jest tym mniejsza, im więk-
Silniki hybrydowe sza jest liczba biegunów i zębów wirnika.
Obecnie najczęściej stosowane są tak zwane Nasuwa się pytanie, co jest powodem ru-
silniki hybrydowe, które, zgodnie z nazwą, Rys. 25 chu w silniku hybrydowym? Czy oddziały-
łączą w sobie właściwości i zalety obu typów wanie biegunów magnetycznych, czy dąże-
omówionych wcześniej. Oznaczane są często Rys. 26 nie do zamknięcia obwodu magnetycznego?
skrótem HB, od an-
gielskiego hybrid. Na
fotografii tytułowej
pokazane są składniki
takiego silnika. Silnik
hybrydowy (HB) za-
wiera magnes trwały,
ale bieguny magnesu
są w nim umieszczone
osiowo, w przeciwień-
stwie do omawianych
silników PM, co w
uproszczeniu pokazuje
Rys. 24 21, 23. Przy najprostszym sposobie sterowa- W silniku HB magnes jest, ale pełni inną
nia, dokładnie takim, jak na rysunku 21, ma- rolę, niż w silniku PM. Wirnik jest tu nama-
my cztery możliwe stany namagnesowania gnesowany osiowo, czyli zupełnie inaczej
biegunów statora, jak pokazuje rysunek 26. niż w silniku PM. Wirujące pole magnetycz-
Pole wiruje tu zgodnie z ruchem wskazówek ne (porównaj rysunek 26) nie może  zabrać
zegara. ze sobą namagnesowanego wirnika, bo kie-
Intuicja, bazująca na działaniu innych sil- runki obu pól są  niewłaściwe , prostopadłe
ników elektrycznych, może podpowiadać, że  patrz rysunek 24. Można przyjąć, że dzięki
wirujące pole magnetyczne, wytworzone prostopadłemu ustawieniu, wirujące pole
przez odpowiedni przebieg sterujący, niejako magnetyczne stojana nie reaguje z polem
Fot. 3
F
o
t
.
3
Fot. 3
F
o
t
.
3
Elektronika dla Wszystkich
28 Sierpień 2002
Podzespoły
wirnika, a w każdym razie  nie zabiera go ze jak najwięcej żłobków stojana i wirnika jest
sobą . ustawionych naprzeciw siebie, jak pokazuje
Już to wskazuje, że w silniku HB przyczy- rysunek 28. Wtedy strumień magnetyczny
na ruchu jest podobna, jak w silniku VR. Sil- najmniej przebiega w powietrzu, a najwięcej
nik hybrydowy przypomina silnik VR o bar- w ferromagnetykach. Ponieważ żłobków jest
dzo dużej liczbie biegunów i zębów wirnika. wiele, wirnik ma kilkadziesiąt lub więcej Rys. 28
Czoła biegunów stojana oraz powierzchnia  ulubionych pozycji. Przekonasz się o tym,
wirnika mają małe kanaliki-żłobki, pokazane pokręcając oś silnika HB. Wirni- Rys. 29
na rysunku 25. Te drobne ząbki widać na fo- ki silników z fotografii 4 zdecy-
tografii 3, pokazującej stojany dwóch silni- dowanie różnią się liczbą ząb-
ków. Złośliwy wynalazca silnika hybrydowe- ków, co oznacza, że mają różną
go zarządził, że wirnik jest podzielony na liczbę  ulubionych pozycji .
dwie części i żłobki obu tych części są prze- Rozmiary i liczba tych żłobków
sunięte względem siebie o  połowę ząbka . (ząbków) wyznaczają jednostko-
Pokazuje to rysunek 27 i fotografia 4. Nato- wy skok silnika hybrydowego.
miast kanaliki na nabiegunnikach stojana są Wyraz
nie widać, że silnik z pra-
ciągłe na całej swej długości. Można przyjąć wej strony zdjęcia ma większy
(w niewielkim uproszczeniu), że jeśli żłobki skok. Typowo kąty silnika hy-
 północnej połowy wirnika zgadzają się ze brydowego mieszczą się w za-
żłobkami niektórych nabiegunników, to na kresie 3,6...0,9o, co daje 100 -
pewno żłobki  południowej połowy nie zga- 400 kroków na jeden obrót wir-
dzają się ze żłobkami jakichś nabiegunników. nika. Mały skok jest tu zaletą 
Jeśli z kolei żłobki  południowej połowy silnik można sterować bardziej
pasują do których żłobków, to  północne do precyzyjnie.
jakichś nie pasują. Są też pozycje pośrednie, W silniku HB wirujące pole
gdy tak naprawdę nic do niczego nie pasuje. stojana nie zabiera ze sobą na-
I tu odgrywa swą rolę magnes stały wir- magnesowanego wirnika, tylko
nika. Obecność magnesu powoduje, że na- przerzuca wirnik z jednego
różnym namagnesowaniu biegunów stoja-
na. Niebieskie wypełnienie żłobków nie
ma znaczenia  kolor ten pojawił się tylko
ze względu na wypełnienie żłobków mode-
lu z fotografii 4. Rysunek 29 pokazuje po-
szczególne stany przy najprostszym stero-
waniu (tzw. falowym). Przy wspomnianym
wcześniej sterowaniu pełnokrokowym i
półkrokowym, pojawiają się położenia po-
średnie. Na razie nie zajmujemy się tymi
szczegółami, żeby jeszcze bardziej nie
skomplikować zagadnienia.
Jeżeli nawet nie do końca rozumiesz za-
leżności z rysunku 29, zapamiętaj, że wirnik
silnika HB ma kilkadziesiąt do kilkuset
Fot. 4  ulubionych pozycji , a kolejne impulsy
 ulubionego położenia do drugiego na za- sterujące w pewien sposób przerzucają wir-
Rys. 27 sadzie, jak w silniku VR. Możliwe jest to nik z jednej takiej pozycji do następnej.
właśnie dzięki przesunięciu  północnej i Czym więcej ząbków-żłobków, tym dokła-
 południowej części wirnika o pół ząbka. dniej można kontrolować ruch wirnika. Sil-
Obecność magnesu poprawia właściwości nik HB dzięki obecności magnesu trwałego
silnika. ma też znacznie lepsze charakterystyki mo-
Zrozumienie szczegółów sprawia trud- mentu od silników VR i PM. Dlatego silni-
ność nie tylko początkującym  w upro- ki HB obecnie są zdecydowanie najbardziej
szczeniu można przyjąć, że sytuacja jest popularne, mimo że silniki PM są znacznie
bardzo podobna do tej z rysunku 16. Naj- tańsze.
pierw pole magnetyczne jednego z uzwo- W następnym odcinku zajmiemy się spo-
jeń stojana powoduje przyciągnięcie zę- sobami sterowania.
bów X wirnika ( północnych ), a w na-
stępnym takcie pole drugiego uzwojenia
przyciąga zęby Y ( południowe ). W rze-
czywistości sprawa jest bardziej zawiła,
wet bez zasilania stojana wirnik stara się zwłaszcza przy różnych sposobach stero-
znalez
ć takie położenie, żeby wypadkowa wania. Jeżeli masz ochotę, porównaj ry-
oporność magnetyczna obwodu (reluktan- sunki 16, 17 i 26 z rysunkiem 29, który Leszek Potocki
cja) była jak najmniejsza. Następuje to, gdy pokazuje wzajemne pozycje ząbków przy
Elektronika dla Wszystkich
Sierpień 2002 29