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 1 - dla niecierpliwych praktyków
Część 1 - dla niecierpliwych praktyków
Większe i mniejsze silniki krokowe są obec- trudne. Silniki krokowe to miłe i wdzięczne tem obrotowym. Dzięki temu zastępują sto-
nie bardzo często wykorzystywane w rozma- stworzenia, które można sterować z wyko- sowane wcześniej klasyczne silniki z prze-
itych urządzeniach. Jednocześnie dla bardzo rzystaniem bardzo prostych sposobów. Jedy- kładnią i kosztowne serwomechanizmy. Jed-
wielu zarówno zrozumienie zasady działania nie osoby, które chcą  wycisnąć z tych silni- ną z najbardziej znaczących zalet jest możli-
tych silników, jak i sposobu ich sterowania ków absolutnie wszystko, co się tylko da, po- wość pracy w pętli otwartej. Praca w pętli
wydaje się wyjątkowo trudne. Utwierdza winny wgłębić się w temat, poznać zaawan- otwartej oznacza, że nie potrzeba sprzężenia
w takim przekonaniu dziwna budowa oraz sowane zagadnienia sterowania mikrokroko- zwrotnego i informacji o aktualnym położe-
obecność kilku, zwykle 4...8 wyprowadzeń. wego, złożone sterowniki i specyficzne spo- niu wirnika. Nie potrzeba kosztownych ele-
Budowa popularnego silnika pokazana jest soby sterowania. mentów sprzężenia zwrotnego, takich jak en-
na fotografii 1 i fotografii tytułowej. Na do- Aby łagodnie wprowadzić w temat zupeł- kodery optoelektroniczne czy inne czujniki.
miar złego istnieje kilka typów silników kro- nie niezorientowanego Czytelnika, w tym ar- Aktualna pozycja wirnika wyznaczona jest
kowych, kilka sposobów sterowania, a w po- tykule zaczniemy od najpopularniejszych sil- przez liczbę podanych impulsów.
szczególnych z
ródłach stosuje się odmienną ników i ich sterowania, a dopiero potem Silniki krokowe nie mają szczotek, komu-
terminologię. Stosowane nazwy i określenia przejdziemy do pokazania szerszego obrazu tatora ani innych elementów, gdzie występu-
straszą początkujących. Oto przykłady: silni- zagadnienia. je znaczne tarcie, więc są bardzo trwałe. Ich
ki reluktancyjne, hybrydowe, bifilarne, unifi- Silniki krokowe, zwane też skokowymi, trwałość wyznaczona jest przez żywotność
larne, bipolarne, unipolarne; sterowanie peł- przekształcają impulsy elektryczne w ruchy łożysk. Dają się bardzo precyzyjnie stero-
nokrokowe, półkrokowe, mikrokrokowe, mechaniczne. Każdy impuls podany na wać. Częstotliwość impulsów sterujących
jednofazowe, dwufazowe, itp. uzwojenia silnika powoduje obrót wirnika wyznacza prędkość obrotową. Każdy impuls
o niewielki kąt. Czym większa czę- obraca wirnik o ściśle określony, niewielki
stotliwość impulsów sterujących, kąt, więc przemieszczenie wirnika i napędza-
tym szybciej obraca się wirnik. Kie- nych elementów dokładnie odpowiada licz-
runek obrotów zależy od sekwencji bie impulsów sterujących. Silniki krokowe
impulsów zasilających uzwojenia. zdobyły ogromną popularność, co nie zna-
Ponieważ pojedynczy skok wirnika czy, że są najlepsze ze wszystkich silników.
w większości silników krokowych Do niektórych zastosowań w ogóle się nie
jest mały, około 0,72...3,6 stopnia, nadają, bo na przykład nie mogą pracować
podając odpowiednią liczbę impul- przy dużej prędkości obrotowej.
sów można precyzyjnie ustawić wir-
nik w potrzebnym położeniu. Choć Silnik
maksymalna prędkość obrotowa nie O różnorodności rynkowej oferty w zakresie
jest imponująca (rzędu kilku, kilku- silników krokowych może świadczyć choćby
nastu obrotów na sekundę), silniki strona internetowa poważnego dystrybutora,
takie mają szereg zalet. Znakomicie na przykład poznańskiej firmy Wobit:
Fot. 1 sprawdzajÄ… siÄ™ tam, gdzie potrzebny jest kon- www.wobit.com.pl
trolowany ruch. Dużą zaletą silników kroko- Generalnie silniki krokowe są dość ko-
Jeśli ktoś się nie da zdeprymować i zajmie wych jest możliwość pracy z bardzo małymi sztowne, dlatego hobbyści rzadko korzystają
tymi pożytecznymi elementami, szybko się prędkościami obrotowymi, przy czym silnik z bogatej oferty rynkowej. Z reguły wykorzy-
przekona, że całe zagadnienie wcale nie jest dysponuje cały czas swym pełnym momen- stują silniki z odzysku, najczęściej ze starych
Elektronika dla Wszystkich
Lipiec 2002
22
Podzespoły
drukarek. Właśnie taki silnik pokazany jest w silnikach różnych producentów są inne  kil- A, COM B. Zamiana miejscami A+ i A- (albo
na fotografii wstępnej. Fotografia 2 pokazu- ka przykładów zamieszczono na rysunku 2. B+ z B-) zmienia tylko kierunek wirowania.
je dwa podobne  drukarkowe silniki. Nie W niektórych silnikach wyprowadzonych Powyższe wskazówki dotyczą najczęściej
mając żadnych danych technicznych takiego przewodów jest tylko pięć, a układ połączeń spotykanych silników czterouzwojeniowych.
silnika z odzysku należy przede wszystkim wygląda, jak na rysunku 3. A
atwo wtedy z po- Jeżeli posiadany przez Ciebie silnik ma trzy
ustalić typ i układ wyprowadzeń, natomiast mocą omomierza określić przewód wspólny, ale uzwojenia, albo jeszcze inny układ uzwojeń
maksymalną moc można ocenić w czasie nie sposób określić, które dwa uzwojenia tworzą (na przykład silniki krokowe z napędów sta-
prób praktycznych na podstawie temperatury parę. Nie jest to dużym utrudnieniem  ostatecz- rych dyskietek 5,25 cala), trzeba dla niego
obudowy. Moc typowych silników tego typu nej identyfikacji można łatwo dokonać po dołą- zastosować odmienne sposoby sterowania 
wynosi 1...20W, zależnie od rozmiarów. czeniu silnika do (prostego) sterownika, zamie- zagadnienia te będą omówione w przyszło-
niając końcówki uzwojeń. ści. Ten artykuł dotyczy tylko najpopularniej-
szych silników z dwoma parami uzwojeń.
Sterowanie
Podstawowe zasady sterowania tych najpopu-
larniejszych silników z czterema uzwojenia-
mi są bardzo proste. Najprostszy układ poka-
zany jest na rysunku 6. Każda para uzwojeń
jest sterowana przez klucz-przełącznik. Sche-
mat ten ilustruje ważną zasadę sterowania:
w danym momencie nie mogą być zasilane
Rys. 3 oba uzwojenia z jednej pary. Przełączniki są
przełączane na przemian, przez co uzyskuje
Fot. 2 Rys. 4 się potrzebną prędkość i kierunek obrotu.
Rzadko zda-
Najpopularniejsze silniki krokowe mają rza się, że silnik
cztery uzwojenia, a właściwie dwie pary ma aż osiem
uzwojeń. Początkujących czasem przestrasza wyprowadzeń
fakt, że liczba wyprowadzeń silnika bywa według rysun-
różna. Nie należy się tym przejmować, tylko ku 4. Pozwala
trzeba sprawdzić zwyczajnym omomierzem, wtedy zrealizo-
jak są połączone te uzwojenia. Omomierz od- wać wymyślne
daje nieocenione usługi podczas identyfikacji sposoby stero-
uzwojeń, przy czym ich oporność wskazuje wania, ale przy Rys. 6
z grubsza moc silnika. Bardzo często silnik najprostszym sposobie trzeba je połączyć, by
ma sześć wyprowadzeń, a układ połączeń wy- tworzyły dwie pary uzwojeń, jak na rysunkach Czytelnicy, którzy nigdy nie mieli do czy-
gląda jak na rysunku 1. Identyfikacja koń- 1 i 3. Na pierwszy rzut oka może to być trudne, nienia z silnikami krokowymi, powinni zbu-
cówek za pomocą omomierza jest wtedy ba- ale wtedy powinny pomóc kolory przewodów. dować najprostszy ręczny sterownik według
nalnie prosta. W publikacjach często podaje się Chodzi o to, by nie tylko odnalez
ć pary uzwo- rysunku 6 i wypróbować jego działanie. Na-
stosowane kolory przewodów, ale kolory te jeń, ale też zachować odpowiednią fazę  dlate- leży zacząć od niskich napięć zasilania, np.
go na rysunku 4 kropkami oznaczono początki 2...3V i ewentualnie zwiększyć je tak, żeby
uzwojeń. Pomocą przy łączeniu może być rysu- w czasie takich testów silnik nie był gorący,
nek 5 z przykładowymi kolorami przewodów. a co najwyżej ciepły. Zasilacz powinien mieć
odpowiednią wydajność  rezystancja uzwo-
jeń silnika może być rzędu kilku omów, więc
należy liczyć się z prądami 0,5...1A. Mały
silnik ze starej drukarki, pokazany na foto-
grafii wstępnej, ma rezystancję jednego
uzwojenia równą 5&!.
Warto założyć na wałek silnika jakąkol-
Rys. 1 wiek  wskazówkę , by łatwiej zaobserwo-
wać ruch wirnika, a następnie dociec, jaka
Rys. 2 sekwencja ustawień powoduje obrót w jed-
nym i w drugim kierunku.
Doświadczenie takie pokazuje ostatecznie,
że silniki krokowe można nazwać  silnikami
cyfrowymi , ponieważ ich prędkość obrotowa
i kierunek ruchu nie zależą od wartości napięć,
Rys. 5 tylko od kolejności dołączania zasilania do
poszczególnych uzwojeń. Zupełnie niezorien-
Nie musisz wiedzieć, które przewody towani zdziwią się przy takich eksperymen-
są  początkami oznaczonymi A+, B+, tach, że przy przełączaniu wirnik wykonuje
a które  końcami oznaczonymi A-, B-. tylko maleńki ruch, a do uzyskania jednego
Zidentyfikuj tylko prawidłowo pary pełnego obrotu wirnika trzeba przełączyć
uzwojeń i ich  środki oznaczone COM przełączniki od kilkudziesięciu do kilkuset
Elektronika dla Wszystkich
Lipiec 2002
23
Podzespoły
razy (zależnie od typu i budowy silnika). Już
to sugeruje, że silniki krokowe nie mogą pra-
cować z dużą prędkością obrotową. Nawet
przy zastosowaniu szybkich przełączników
elektronicznych maksymalna prędkość obro-
towa typowego silnika krokowego sięga co
najwyżej kilku obrotów na sekundę, czyli
kilkuset obrotów na minutę. Przy większych
prędkościach silnik szybko traci moc. Dają
też o sobie znać rezonanse mechaniczne żelazną zasadą sterowania silni- Rys. 8
i elektryczne, dlatego dużej prędkości nie da ków omawianego rodzaju.
się tu uzyskać - silnik niejako się  zadusi . Kto ma dwa takie trzypozy- Rys. 9
Układ z przełącznikami z rysunku 6 po- cyjne przełączniki, może prze-
zwala zrealizować tylko jeden ze sposobów prowadzić stosowne ekspery-
sterowania, bo w danej chwili zawsze zasila- menty.
ne są dwa z czterech uzwojeń. Sposób z prze- W praktyce zamiast przełącz-
łącznikami trzypozycyjnymi według rysun- ników mechanicznych, do stero-
ku 7 daje więcej możliwości: w danej chwili wania silników krokowych stosu-
je siÄ™ tranzystory. Tranzystor, bi-
Rys. 7 polarny czy MOSFET pełni tu ro-
lę przełącznika: jest albo zatkany,
albo całkowicie otwarty. Wobec
tego do sterowania można wyko-
rzystać sekwencję impulsów wy-
twarzaną przez układy cyfrowe
albo mikroprocesor. Warto pa-
miętać, że przełączaniu ulegają
uzwojenia, mające jakąś indukcyjność. Pod- nia prądu w  swoich cewkach.  Dolne dio-
może być zasilane dwa, jedno lub żadne czas przerywania prądu w indukcyjności wy- dy są potrzebne, bo dwa uzwojenia jednej pa-
z czterech uzwojeń. Także i tu nigdy nie są twarza się napięcie samoindukcji, które może ry są ze sobą sprzężone i tworzą autotransfor-
zasilane oba uzwojenia z jednej pary, co jest mieć bardzo dużą wartość. Dlatego stosując mator. Gdy w uzwojeniu, gdzie zanika prąd,
tranzystory należy powstaje dodatnie przepięcie likwidowane
dodać elementy przez  górną diodę, w drugim uzwojeniu
chroniÄ…ce przed z danej pary powstaje wtedy impuls ujemny,
przepięciami. Mogą obcinany przez diodę  dolną .
to być dobrane kon- Amatorzy stosując tranzystory mocy
densatory według MOSFET często pomijają takie diody i oka-
rysunku 8a, ale zuje się, że duże MOSFET-y nie ulegają
częściej stosuje się uszkodzeniu ze względu za swe specyficzne
diody według ry- cechy i zdolność do przeciążeń. W przypadku
sunku 8b.  Górne tranzystorów bipolarnych diody takie (przy-
diody włączone są najmniej diody  górne ) należy stosować. Po-
analogicznie, jak winny to być diody szybkie, a nie zwykłe dio-
w przypadku prze- dy prostownicze. W przypadku mniejszych sil-
kaz
ników. Obcinają ników warto wykorzystać popularny układ
one dodatnie szpil- scalony ULN2803, który ma w sobie osiem
ki, powstające tranzystorów Darlingtona o prądzie maksy-
w chwili wyłącza- malnym 0,5A i osiem diod zabezpieczających.
Rys. 10
Elektronika dla Wszystkich
Lipiec 2002
24
Podzespoły
Układ wyprowadzeń i budowa układu
Rys. 12
ULN2803 pokazane sÄ… na rysunku 9. Kana-
ły można łączyć równolegle, uzyskując ste-
rownik o prÄ…dzie do 1A, jak pokazuje
rysunek 10a. Taki układ wykonawczy
można śmiało stosować w przypadku małych
silników krokowych. Jeśli prąd przekracza
1A, należy zastosować cztery MOSFET-y,
np. BUZ10, IRF530 według rysunku 10b.
Na cztery wejścia sterujące należy podać
odpowiednią sekwencję stanów logicznych.
Rysunek 11a pokazuje przebiegi i przy-
kład realizacji najprostszego sposobu: w da-
nej chwili zasilane jest tylko jedno z czterech
uzwojeń. Sekwencja sterująca A+ B+ A- B-
powtarza siÄ™ co cztery impulsy generatora
taktującego. Taki sposób nazywany jest ste-
rowaniem falowym lub jednofazowym.
obroty w prawo
liczba dwójkowa dziesiętnie
A+ B+ A- B-
0 1 1 0 6
1 1 0 0 12
1 0 0 1 9
0 0 1 1 3
0 1 1 0 6
1 1 0 0 12
1 0 0 1 9
0 0 1 1 3
 Rozdzielaczem impulsów może być rejestr nia dwufazowego. Ten bardzo prosty sposób
0 1 1 0 6
przesuwny, a w tym wypadku jest nim licznik możesz wykorzystywać w praktyce. Przebie-
i tak dalej
4017 pracujący w skróconym cyklu. gi A+ i B+ są przesunięte względem siebie,
A tak na marginesie: w taki najprostszy a przebiegi A-, B- są zanegowanymi sygnała-
obroty w lewo
sposób można też sterować stare silniki kro- mi A+, B+. Przebiegi takie łatwo wytworzyć
liczba dwójkowa dziesiętnie
kowe z napędów dyskietek, które mają 3...5 z pomocą np. układu scalonego 4013 zawie-
A+ B+ A- B-
uzwojeń. rającego dwa przerzutniki D, przy czym ob-
0 0 1 1 3
Kierunek obrotów silnika z dwoma parami wód zerowania nie jest potrzebny  na rysun-
1 0 0 1 9
uzwojeń możesz zmienić w różny sposób, naj- ku pojawił się tylko w celach edukacyjnych.
1 1 0 0 12
prościej chyba będzie zamienić miejscami Kierunek obrotów można zmieniać dodając
0 1 1 0 6
końcówki dwóch uzwojeń jednej z par, za po- dwie bramki EX-OR lub EX-NOR (kostki
0 0 1 1 3
mocą przełącznika albo przekaz
nika K we- 4030, 4077) według rysunku 12b. W ste-
1 0 0 1 9
dług rysunku 11b. Sposób sterowania we- rowniku można wykorzystać dowolny gene-
1 1 0 0 12
dług rysunku 11 nie jest zalecany, bo przy rator przebiegu prostokątnego. Jego często-
0 1 1 0 6 wysterowaniu w danej chwili tylko jednego tliwość określi prędkość obracania wirnika.
uzwojenia możliwości silnika są wykorzysta- W roli sterownika można też wykorzystać
0 0 1 1 3
ne w niewielkim stopniu. Dużo częściej mikroprocesor. Wtedy cztery przewody z sy-
i tak dalej
stosuje się sposób, w którym zawsze pracują gnałami sterującymi A+, B+, A-, B- potraktu-
Tabela 1 dwa z czterech uzwojeń. Rysunek 12a poka- jemy jako szynę, na którą będą wysyłane ko-
zuje przebiegi i przykład realizacji sterowa- lejno cztery (czterobitowe) liczby dwójkowe.
Rys. 11 Można wysłać liczby według tabeli 1, zgo-
dnie z rysunkiem 12a, przy czym określenia
obroty w lewo i obroty w prawo sÄ… umowne.
Przy pierwszych próbach z nieznanym sil-
nikiem częstotliwość taktująca nie powinna
być większa, niż 50Hz. Spodziewana prędkość
obrotowa wyniesie wtedy 0,25...1obr/sek, za-
leżnie od silnika. Jeśli silnik nie ruszy, tylko
będzie lekko drgać, będzie to wskaz
nikiem, że
z
le podłączyłeś przewody i zasilasz jednocze-
śnie dwa uzwojenia z jednej pary. Przełączając
końcówki silnika w takim układzie pracy mo-
żesz zidentyfikować pary uzwojeń w silniku
pięcioprzewodowym według rysunku 3. Jeśli
silnik zacznie poprawnie pracować, można
Elektronika dla Wszystkich
Lipiec 2002
25
Podzespoły
zwiększyć częstotliwość generatora, ewentu- sterowaniu pośrednim między jedno- i dwu- rowania polega tu na odwróceniu kolejności
alnie zwiększyć napięcie zasilania i spraw- fazowym. O ile przy sterowaniu pełnokroko- impulsów w sekwencji sterującej, co w przy-
dzić maksymalną prędkość obrotową danego wym sekwencja sterująca powtarza się co padku programu mikroprocesorowego jest
silnika oraz jego moment obrotowy. Nie cztery impulsy generatora taktujÄ…cego, przy Å‚atwe do zrealizowania.
spodziewaj się cudów  silniki krokowe prze- sterowaniu półkroko-
obroty w prawo
znaczone są do pracy przy małych i znikomo wym - co osiem impul-
liczba dwójkowa
małych prędkościach obrotowych, a ich moc sów. Rysunek 13
numer pracujÄ…ce
A+ B+ A- B- dziesiętnie
taktu uzwojenia
jest niewielka. Jeden obrót na sekundę to już wskazuje, że sekwen-
Px.3 Px.2 Px.1 Px.0
dla takiego silnika sporo. W przypadku silni- cja przy sterowaniu
1 1 0 0 1 9 dwa
ków z odzysku, niewiadomego pochodzenia, półkrokowym jest nie- 2 1 0 0 0 8 jedno
3 1 0 1 0 10 dwa
trudno precyzyjnie określić ich napięcie pracy jako połączeniem obu
4 0 0 1 0 2 jedno
i moc. Napięcie pracy można dobrać samo- sekwencji pełnokroko-
5 0 1 1 0 6 dwa
dzielnie na podstawie temperatury obudowy wych według rysun-
6 0 1 0 0 4 jedno
silnika w czasie pracy. Silnik jako urządzenie ków 11 i 12. Sprawdz
,
7 0 1 0 1 5 dwa
elektromechaniczne jest dość odporny na że i tu nigdy nie są za- 8 0 0 0 1 1 jedno
1 1 0 0 1 9 dwa
wzrost temperatury. Maksymalne napięcie za- silane jednocześnie
2 1 0 0 0 8 jedno
silania można zwiększać dopóty, dopóki tem- dwa uzwojenia z jed-
3 1 0 1 0 10 dwa
peratura obudowy nie wzrośnie do nej pary. Choć w pew-
4 0 0 1 0 2 jedno
+80...90oC. Czyli w czasie pracy silnik może nych chwilach zasilane
5 0 1 1 0 6 dwa
być tak gorący, że nie będzie można dotknąć jest tylko jedno uzwo- 6 0 1 0 0 4 jedno
7 0 1 0 1 5 dwa
go ręką. W praktyce takie sposoby szacowa- jenie, a więc uzyskiwany
8 0 0 0 1 1 jedno
nia możliwości silnika są wystarczające. War- moment obrotowy jest
1 1 0 0 1 9 dwa
to tylko pamiętać, że przy tak określonej mo- nieco mniejszy, niż
i tak dalej
cy maksymalnej, prądy pracy mogą sięgnąć w układzie z rysunku 12,
kilku amperów i należy stosować wtedy czte- sterowanie półkroko- Tabela 2
ry MOSFET-y mocy (np. BUZ10, BUZ11, we ma swoje zalety, m. in.: silnik przy (sto-
IRF530, IRF540), a nie układ ULN2803. sunkowo) wysokich obrotach ma znacznie
mniejszą skłonność do rezonansów i można Podsumowanie
Kroki i półkroki uzyskać mniejszy skok elementarny (właśnie Podane informacje wskazują, że silników kro-
Sposoby według rysunków 11 i 12 zapewnia- pół kroku), co w niektórych zastosowaniach kowych w żadnym wypadku nie trzeba się bać.
ją tak zwane sterowanie pełnokrokowe. jest bardzo pożądane. Mogą być z powodzeniem sterowane w prosty
Układy według rysunku 12 bywają stosowa- W przebiegach sterujących łatwo zauwa- sposób, a potrzebne sterowniki wykona nawet
ne w praktyce. Częściej wykorzystywany jest żyć pewną regularność  zawsze mamy im- mało doświadczony elektronik. Warto też na-
jednak nieco inny sposób nazywany sterowa- puls o czasie trzech taktów i przerwę o długo- wet dla czystej ciekawości  dotknąć tego te-
niem półkrokowym. Przy sterowaniu półkro- ści pięciu taktów. W praktyce wytworzenie matu  zdobycie czterouzwojeniowego silnika
kowym jednocześnie zasilane jest albo jedno, czterech takich przesuniętych przebiegów nie krokowego, pochodzącego ze starej drukarki
albo dwa uzwojenia. Mówimy też wtedy o jest już takie łatwe, jak przy sterowaniu peł- czy innego urządzenia nie powinno być pro-
nokrokowym we- blemem, a wykonanie opisanych układów
dług rysunku 12. i eksperymentów da dużo radości.
Dlatego w najprost- Chętni, którzy zechcą zagłębić temat sil-
szych systemach sto- ników krokowych i sposobów sterowania
suje się często ste- znajdą wiele cennego materiału w kolejnych
rowniki według ry- częściach artykułu, które niebawem ukażą
sunku 12, a sterowa- siÄ™ w EdW.
nie półkrokowe we-
dług rysunku 13 rea- Leszek Potocki
lizuje się najczęściej
przy wykorzystaniu
mikroprocesora.
Rys. 13 Można też wykorzy-
stać względnie prosty sposób
Rys. 14 z kostkÄ… 4017 (4022) i sieciÄ… 12
diod i przełącznikiem kierunku
K według rysunku 14, ewentu-
alnie inny układ z wykorzysta-
niem rejestrów przesuwnych.
Przy zastosowaniu mikro-
procesora traktuje siÄ™ cztery li-
nie sterujÄ…ce jako szynÄ™ cztero-
bitową, na którą podawane są
odpowiednie liczby dwójkowe.
Tabela 2 pokazuje przykłado-
wą sekwencję sterującą wysyła-
ną na cztery młodsze bity portu
procesora. Zmiana kierunku wi-
Elektronika dla Wszystkich
Lipiec 2002
26
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 sÄ… 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 cewkÄ™, 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 czÄ™-
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
animacjÄ™, zrealizowanÄ… w programie Flash nik z magnesem sta- spowodujÄ… 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 osiÄ…-
gnąć, należy zmienić kierunek przepływu
prÄ…du 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 majÄ… 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) przyciÄ…gajÄ… siÄ™, a jednoi-
mienne (N-N, S-S)  odpychajÄ…, 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
sÄ… 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 sobÄ… 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 sterujÄ…cy, 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
sobÄ… . 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 sÄ… 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 naprawdÄ™ nic do niczego nie pasuje. stojana nie zabiera ze sobÄ… 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 kilkadziesiÄ…t 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
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 3 - sterowanie
Silniki VR
Silniki o zmiennej reluktancji majÄ… zwykle
trzy uzwojenia  porównaj rysunek 16 w
EdW 8/2002 (czasem uzwojeń jest więcej).
W poprzednim odcinku przedstawiona była
zasada ich działania. Wynika z niej, że nale-
ży kolejno zasilać poszczególne uzwojenia.
Zmiana kierunku wirowania następuje po
zmianie kolejności zasilania uzwojeń. Zasila-
nie kolejno uzwojeń w sekwencji A, B, C, A,
B, C, A, ... spowoduje obracanie siÄ™ wirnika
w jednym kierunku. Zasilanie w sekwencji
A, C, B, A, C, B,... spowoduje obroty w kie- Rys. 31
runku przeciwnym. Można to zrobić, na Silniki PM i HB
przykład zamieniając miejscami końcówki Pomimo odmiennej zasady działania, silniki sunki 21, 23, 26 pokazują, że w silnikach
dwóch uzwojeń. Rysunek 30 pokazuje se- PM (z magnesem stałym) i HB (hybrydo- trzeba wytworzyć wirujące pole magnetycz-
kwencję sterującą i stopień wykonawczy z we) mogą być i są sterowane w identyczny ne. Można to zrobić, zmieniając kierunek
tranzystorami bipolarnymi. sposób. Ogólne zasady sterowania pełnokro- prądu w uzwojeniach. Rysunek 31b pokazu-
Ponieważ silniki takie nie są już stosowa- kowego i półkrokowego zostały przedstawio- je sposób sterowania z wykorzystaniem
ne, nie będziemy się nimi bliżej zajmować. ne w pierwszej części cyklu (EdW 7/2002 str. dwóch mostków tranzystorowych. Nazywa-
22). Warto jednak wgłębić się w zagadnienie, ne są one często mostkami H (H bridge, full
by w pełni zrozumieć dalsze szczegóły. bridge) z uwagi na podobieństwo do litery H.
Rys. 30 W mostkach można też zastosować różne
Silniki
tranzystory (MOSFET N, MOSFET P, NPN,
bipolarne
PNP,  darlingtony ), ale najczęściej są to al-
i unipolarne bo tranzystory bipolarne NPN, albo MO-
Choć w rzeczywisto- SFET N. Choć taki sposób sterowania po-
ści silniki PM i HB zwala w pełni wykorzystać silnik, jego reali-
mają po kilka biegu- zacja nie jest najłatwiejsza. Trzeba oddziel-
nów, w sumie zawie- nie wysterować każdy z ośmiu tranzystorów.
rają tylko dwa uzwo- Aby radyklanie uprościć sterownik, wy-
jenia, podzielone na starczy zastosować uzwojenie z odczepem w
sekcje. Dlatego upro- środku. Taki prosty sposób pozwala radykal-
szczony model z dwo- nie uprościć sterownik  patrz rysunek 32.
ma uzwojeniami z ry- Prądy płyną niejako w tym samym kierunku,
sunku 31a (wg rysun- dlatego silniki z dzielonym uzwojeniem na-
ku 21) jest doskona- zywane sÄ… silnikami unipolarnymi. W silni-
łym punktem wyjścia ku według rysunku 31 prądy uzwojeń w ko-
do dalszej analizy. Ry- lejnych fazach cyklu płyną w obu kierunkach,
Elektronika dla Wszystkich
Wrzesień 2002
24
Podzespoły
dlatego takie silniki nazywane są silnikami ło 30...40%. Jak pokazuje rysunek 34, każdy rowanie unipolarne z czterema tranzystorami,
bipolarnymi. Rysunek 33 pokazuje spo- silnik unipolarny może pracować jako bipo- a w razie potrzeby zawsze mogą wykorzystać
sób wytworzenia zmian pola w obu typach larny  trzeba tylko zwiększyć napięcie zasi- sterowanie bipolarne.
silników. lania. Jeszcze więcej możliwości daje silnik z
Niewątpliwą zaletą silników unipolarnych czterema niezależnymi uzwojeniami. Może Kroki i półkroki
jest łatwość sterowania  wystarczy cztery pracować jako unipolarny, a także jako bipo- W poprzednim akapicie pojawiło się stwier-
MOSFET-y i prosty generator sekwencji ste- larny przy szeregowym i równoległym połą- dzenie, że silnik unipolarny ma słabsze osią-
rującej  porównaj rysunek 12 i 14 w EdW czeniu uzwojeń według rysunku 35. gi, bo zawsze jedno z uzwojeń każdej pary
7/2002. jest niewykorzystane. Do tego dochodzi po-
Silnik bipolarny wymaga bardziej skom- Rys. 34 krewne zagadnienie zwiÄ…zane ze sposobem
plikowanego sterownika. Ma jednak istotną sterowania. Rysunek 33 pokazuje, że w każ-
zaletę. Jak pokazuje rysunek 32, połówki dym takcie cyklu zasilane jest tylko jedno z
uzwojenia pracują na przemian, więc jedna z dwóch uzwojeń silnika bipolarnego. Drugie
nich jest zawsze niewykorzystana, co zmniej- zawsze jest nieczynne. Jeszcze gorzej jest w
sza maksymalne osiÄ…gi. W silniku bipolar- silniku unipolarnym, gdzie, jak pokazuje ten
nym pracuje całe uzwojenie i możliwości sil- sam rysunek, w każdej chwili wykorzysty-
nika można w pełni wykorzystać. Sterowanie wane jest tylko 25% wszystkich uzwojeń.
bipolarne daje lepsze wyniki, zwłaszcza przy Oczywiście oznacza to, że silnik nie jest w
małych i średnich prędkościach obrotowych; pełni wykorzystany. Taki sposób sterowania
moment obrotowy jest wtedy większy o oko- Przy połączeniu równoległym według ry- nosi nazwę sterowania falowego (wave dri-
sunku 35d silnik będzie prawidłowo praco- ve) i jest to jednocześnie tak zwane sterowa-
Rys. 32 wał przy napięciu zasi- nie pełnokrokowe.
lania niższym, niż przy Wbrew pierwszemu wrażeniu, istnieje bar-
połączeniu szeregowym dzo dobry sposób na wykorzystanie wszyst-
i będzie miał lepsze kich uzwojeń silnika bipolarnego. Pokazuje to
osiągi przy dużych pręd- rysunek 36 (porównaj go z rysunkiem 33).
kościach. Przy połącze- Teraz w każdej fazie cyklu zasilane są dwa
niu szeregowym mo- uzwojenia. Nie dzieje się przy tym nic złego 
ment obrotowy jest bieguny wirnika ustawiajÄ… siÄ™ nie naprzeciw
większy przy małych biegunów stojana, tylko w połowie drogi mię-
prędkościach. dzy nimi.
Początkującym moż- W silniku unipolarnym można tak samo
na poradzić, żeby na po- zasilać dwa z czterech uzwojeń, co polepsza
czÄ…tku wykorzystali ste- moc i moment silnika  zobacz rysunek 37.
Rys. 33
Rys. 35
Elektronika dla Wszystkich
Wrzesień 2002
25
Podzespoły
Sterowanie, zarówno silników bipolar- dla ośmiu tranzystorów w mostkach zasilają- Pokazane rysunki dotyczą prościutkiego
nych, jak i unipolarnych, według rysunków cych silnik bipolarny. Zazwyczaj wykorzy- silnika PM z jedną parą biegunów wirnika.
36, 37, bywa stosowane w praktyce. Nazy- stuje się do tego specjalizowane układy sca- Choć silnik HB ma inny sposób działania,
wany je sterowaniem pełnokrokowym lone, a dociekliwi Czytelnicy w razi potrzeby a typowy silnik PM ma więcej biegunów, po-
(full step). (Sposób sterowania według ry- bez trudu uzyskają je po analizie rysunków kazane zasady dotyczą wszystkich silników
sunku 33 to też sterowanie pełnokrokowe, 31, 38 i 39. Kierunek obrotów zmienia się PM i HB.
ale dla rozróżnienia nazywamy je sterowa- najczęściej przez zmianę sekwencji sterują-
niem falowym). cej. W prostych zastosowaniach można po Leszek Potocki
Jeszcze częściej wykorzystuje się stero- prostu zamienić końcówki A+, A- jednej pa-
wanie półkrokowe (half step), będące połą- ry uzwojeń. Ciąg dalszy w nastepnym numerze EdW.
czeniem poprzednio omówionych. Sekwen-
cja sterująca i położenia przykładowego sil-
nika bipolarnego pokazane sÄ… na rysunku
38, a unipolarnego na rysunku 39  porów-
naj rysunki 33, 36, 37. Na przemian zasila siÄ™
jedno oraz dwa uzwojenia, przez co bieguny
wirnika ustawiajÄ… siÄ™ albo naprzeciw biegu-
nów stojana, albo w połowie między nimi.
Osiągi silnika są wprawdzie nieco gorsze, niż
przy pracy pełnokrokowej (bo nie zawsze
oba uzwojenia są zasilane), jednak praca pół-
krokowa ma istotne zalety. Typowe przebiegi
sterujÄ…ce silnika unipolarnego przy pracy
pełno- i półkrokowej pokazane są na rysun-
ku 40. Nie podaję przebiegów sterujących Rys. 40
Rys. 36
Rys. 37
Rys. 38
Rys. 39
Elektronika dla Wszystkich
Wrzesień 2002
26
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 4 - sterowanie
Drgania stotliwości rezonansowej. Wirnik będzie ny na pierwszy rzut oka wniosek, że najlepiej
Fakt, że silniki krokowe zasilane są impulsa- wtedy drgał, a nie obracał. Przy sterowaniu byłoby sterować silnik krokowy odpowiednio
mi, wydaje się zaletą i dobrodziejstwem. pełnokrokowym problem ten silnie daje o so- przesuniętymi przebiegami sinusoidalnymi.
Niewątpliwie ułatwia to sterowanie, zwła- bie znać. Przy sterowaniu półkrokowym  I tak jest naprawdę.
szcza silników unipolarnych. Sterowanie im- znacznie mniej. Jest to jeden z ważniejszych Dla uzyskania gładkiego ruchu przebiegi
pulsami prostokątnymi nie daje jednak ideal- powodów, dla których częściej wykorzystuje sterujące dwa uzwojenia silnika bipolarnego
nie  gładkich ruchów wirnika. Rysunek 41 się sterowanie półkrokowe albo... powinny być przebiegami sinusoidalnymi,
pokazuje odpowiedz
wirnika po podaniu im- przesuniętymi w fazie o 90 stopni, co daje
pulsu sterującego. Wirnik i obciążenie mają Sterowanie mikrokrokowe przebieg sinusoidalny i kosinusoidalny.
pewną bezwładność. W rezultacie przed osią- Głębsza analiza rysunków 38 i 39 wskazuje, Oczywiście poważnie skomplikowałoby
gnięciem stanu ustalonego wystąpią drgania. że różnicując natężenie prądu w uzwoje- to sterownik, ponieważ, po pierwsze, do
W niektórych przypadkach, gdy potrzebna niach silnika, można byłoby uzyskać pośre- zmiany wartości prądu potrzebny byłby jakiś
jest duża precyzja sterowania, tak duże drga- dnie położenia wirnika między biegunami. bardziej złożony układ niż cztery klucze tran-
nia są bardzo niekorzystne, czasem niedopu- Skrupulatni Czytelnicy na pewno już też za- zystorowe. Po drugie, ponieważ silniki kro-
szczalne. Nie ma prostego sposobu pozbycia uważyli, że sterujące sekwencje półkrokowe kowe zwykle podczas pracy mają zatrzymy-
się ich. Można próbować stosować tłumiki przypominają trochę przebieg sinusoidalny. wać się w ściśle określonym położeniu, nale-
mechaniczne, ale najprościej jest wykorzy- Obrazuje to rysunek 42. Jeden znak plus al- ży zachować możliwość  zamrożenia chwi-
stać w takich przypadkach silnik o mniej- bo minus oznacza, że włączone jest jedno lowych wartości prądu.
szym skoku  wtedy mniejszy jest zarówno uzwojenie, dwa znaki, że w danej chwili pra- Ciąg dalszy na stronie 24.
skok jednostkowy, jak i oscylacje. cują dwa uzwojenia  porównaj
rysunki 38 i 39. Wy-
padkowy  przebieg
jest znacznie  Å‚ago-
dniejszy , niż  kan-
ciasty przebieg
prostokÄ…tny przy
sterowaniu pełno-
krokowym. Wyja- Rys. 42
śnia to po części,
dlaczego wirnik Rys. 43
Rys. 41 przy sterowaniu półkrokowym
ma mniejszą tendencję do drgań
O częstotliwości i wielkości tych oscyla- rezonansowych.
cji decyduje głównie masa wirnika oraz wiel- Nietrudno się domyślić, że je-
kość i rodzaj obciążenia. Jeśli silnik miałby śli udałoby się zwiększyć gład-
pracować przy stosunkowo dużych prędko- kość przebiegu sterującego, po-
ściach, skłonność do oscylacji całkowicie zwoliłoby to sterować silnik je-
uniemożliwi pracę przy częstotliwości im- szcze precyzyjniej i z mniejszymi
pulsów odpowiadającej mechanicznej czę- oscylacjami. Nasuwa się tu, dziw-
Elektronika dla Wszystkich
Paz
dziernik 2002
21
Podzespoły
Ciąg dalszy ze strony 21. pół- czy pełnokrokowym. Po drugie, zapew- kilka z
ródeł błędów związanych z silnikiem i
nia płynny ruch wirnika także przy najmniej- w praktyce nie uda się uzyskać idealnej do-
Przy obecnym stanie techniki problemy te szych częstotliwościach. Są to niebagatelne kładności i precyzji. Tym samym nie ma po-
można z powodzeniem rozwiązać. W praktyce zalety, ale wymagają skomplikowanego ste- trzeby nadmiernie zwiększać liczby schod-
uzyskuje się to przez wykorzystanie nie  czy- rownika, który pozwala wytworzyć prawi- ków i dodatkowo komplikować tym sterow-
stej sinusoidy , tylko przebiegu schodkowego. dłowe przebiegi pseudosinusoidalne o ściśle nik. Rozdzielczość przetwornika nie musi
Rysunek 43 pokazuje przykładowy przebieg określonej, regulowanej częstotliwości, od- być duża, w praktyce wystarczają przetwor-
prądu w uzwojeniu silnika bipolarnego przy powiednio przesunięte w fazie. Można do te- niki 3...5-bitowe, dające odpowiednio 8...32
zastosowaniu przetwornika 3-bitowego. Ozna- go zastosować mikroprocesor i szereg dodat- różnych poziomów prądu.
cza to, że wirnik można sterować tak, by wy- kowych elementów. Wykorzystywane są też Kwestia uzyskania maksymalnej precyzji
konywał maleńkie kroki, nieosiągalne przy ste- specjalizowane układy scalone. pozycjonowania wirnika i niejednorodności
rowaniu pełno- czy nawet półkrokowym. W dążeniu do zwiększania precyzji pozy- ruchu obrotowego silników krokowych to
Taki sposób ze skokową zmianą wartości cjonowania i płynności ruchu nie można bardzo obszerne zagadnienie, przeznaczone
prądu nazywamy sterowaniem mikrokro- osiągnąć ideału. Nawet przy sterowaniu naj- dla specjalistów. Nie ma powodów, by w ty-
kowym. czystszym sygnałem sinusoidalnym, pojawią powych zastosowaniach stosować sterowa-
Sterowanie mikrokrokowe pozwala, po się błędy, choć są to błędy stosunkowo małe nie mikrokrokowe, zwłaszcza jeśli pojedyn-
pierwsze, ustawić wirnik precyzyjnie pomię- (błąd ustawienia wału wynoszący tylko 0,05 czy krok to 0,9 czy 1,8 stopnia.
dzy pozycjami dostępnymi przy sterowaniu stopnia można uznać za mały). Występuje tu Leszek Potocki
Elektronika dla Wszystkich
Paz
dziernik 2002
22
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 5 - właściwości
i sterowniki
Charakterystyka pracy, który można wykorzystać, jeśli zasto- eliminowane), albo zakres częstotliwości ro-
Czym większa prędkość obrotowa silnika sowany zostanie inteligentny sposób stero- boczych jest mniejszy i nie grozi wpadnię-
krokowego, tym jest on słabszy. Wynika to z wania ze stopniowym przyspieszaniem i ha- ciem w taki obszar. Szczegółowe omówienie
kilku przyczyn. Choć nie trzeba znać wszyst- mowaniem. Warto pamiętać, że można w ten problemu i stosowanych rozwiązań zdecydo-
kich szczegółów z tym związanych, należy sposób zwiększyć możliwości silnika. wanie wykracza poza ramy artykułu.
mieć świadomość kilku podstawowych za- Uproszczona charakterystyka z rysunku
leżności. Rysunek 44a pokazuje uproszczo- 44a nie pokazuje wszystkich właściwości sil- Problemy z prądem
ną charakterystykę silnika. Na osi poziomej nika. Wspomniane wcześniej rezonanse me- Jednym z ważnych problemów, o którym ko-
zaznaczona jest częstotliwość impulsów ste- chaniczne spowodują, że przy sterowaniu niecznie trzeba wiedzieć, jest powolne nara-
rujących określających prędkość obrotową, pełnokrokowym dla pewnej częstotliwości stanie prądu w uzwojeniach silnika. Każde
na pionowej  moment obrotowy, który okre- impulsów silnik w ogóle nie będzie praco- uzwojenie przedstawia sobą pewną indukcyj-
śla siłę. Punkt A pokazuje maksymalną czę- wał. Pokazuje to, znów w uproszczeniu, ry- ność L i pewną rezystancję R. Po dołączeniu
stotliwość rozruchu. Przy większej częstotli- sunek 44b. Dokładnej charakterystyki nie napięcia prąd nie od razu osiąga wartość wy-
wości silnik w ogóle nie ruszy. Jeśli jednak sposób podać, bo częstotliwość rezonansu znaczoną przez napięcie i rezystancję. W sze-
silnik ruszy przy mniejszej prędkości, można mechanicznego zależy nie tylko od silnika, regowym obwodzie RL prąd narasta stopnio-
go stopniowo rozpędzić do prędkości więk- ale i od obciążenia. Charakterystyka będzie wo. Stała czasowa wynosi L/R. Jeśli impulsy
szej. Punkt B wyznacza maksymalną pręd- dużo gładsza przy sterowaniu półkrokowym, sterujące mają małą częstotliwość, nie ma to
kość silnika. Większej nie da się osiągnąć. tym bardziej przy mikrokrokowym. W każ- większego znaczenia. Jeżeli jednak impulsy
Punkty A i B mają małe znaczenie praktycz- dym razie w prawidłowo zaprojektowanym sterujące są krótkie (prędkość obrotowa du-
ne, ponieważ dotyczą silnika nieobciążone- systemie albo rezonanse są zmniejszone (wy- ża), prąd nie zdąży narosnąć do ustalonej war-
go. Jeśli silnik ma ruszyć i to od razu pod ob- tości U/R. Oznacza to zmniejszenie momentu
ciążeniem, trzeba zacząć od mniejszej pręd- Rys. 44 użytecznego silnika ze wzrostem prędkości
kości  pokazuje to przykładowy punkt C. Je- obrotowej. Przyczynę ilustruje rysunek 45.
śli już silnik zacznie pracować, można stop- Aby zmniejszyć wpływ tego zjawiska, na-
niowo zwiększyć jego prędkość aż do warto- leżałoby zwiększyć prędkość narastania prą-
ści wyznaczonej przez punkt D. du. Najprostszy sposób polega na (znacz-
Wynika stąd ważny wniosek. Jedynie przy nym, nawet kilkukrotnym) zwiększeniu na-
prędkościach i obciążeniu wyznaczonym pięcia zasilania i dodaniu szeregowego rezy-
przez zielone pole charakterystyki silnik mo- stora. Stała czasowa L/R jest wtedy mniejsza
że pracować w tak zwanym trybie start-sto- - dzięki większemu napięciu zasilania prąd w
powym. Będzie wtedy pracował synchro- uzwojeniu narasta szybciej. Wartość dodane-
nicznie i nie  zgubi ani jednego impulsu ste- go rezystora powinna być taka, żeby prąd w
rującego. stanie ustalonym był równy prądowi nomi-
Jeśli silnik ma pracować w trybie wyma- nalnemu silnika. Schemat i przebiegi dla jed-
gajÄ…cym szybkiej zmiany kierunku, zakres nego uzwojenia silnika bipolarnego pokazuje
pracy będzie jeszcze węższy (mniejsza pręd- rysunek 46. Sposób taki jest prosty i sku-
kość maksymalna). Z kolei zaznaczona na teczny, ale wadą są duże straty mocy w doda-
szaro część charakterystyki pokazuje obszar nych rezystorach.
Elektronika dla Wszystkich
Listopad 2002 Listopad 2002
24
Podzespoły
nia wyjątkowo małe straty. Wymaga jeszcze
bardziej inteligentnego układu sterującego, ale
pozwala przyspieszyć proces narastania prą-
du, a nawet zrealizować sterowanie mikrokro-
kowe przez odpowiedniÄ… modulacjÄ™ szeroko-
ści impulsów. Ideę ilustruje rysunek 49, gdzie
widać, że impuls sterujący składa się z wielu
krótszych impulsów o różnym czasie trwania.
Na rysunku 50 pokazane są w dużym
Rys. 45 uproszczeniu stopnie mocy pracujÄ…ce impul-
sowo, pozwalające kontrolować średni prąd
Rys. 46 silnika. Podawane z zewnątrz napięcie U
ref
wyznacza ten prąd średni. Jest ono porówny-
wane ze spadkiem napięcia na rezystorze
kontrolnym R . Jeśli prąd silnika, a tym sa-
s
mym spadek napięcia na R wzrośnie powy-
s
żej napięcia U , komparator K wyzwoli
ref
przerzutnik monostabilny, który na krótką
chwilę wyłączy napięcie zasilania, co spowo-
duje zmniejszenie prÄ…du. Ten stosunkowo
prosty sposób regulacji prądu pozwala także
zrealizować sterowanie mikrokrokowe.
CiÄ…g dalszy na stronie 27.
Innym, nieco lepszym rozwiązaniem jest ale wymaga dwóch
zastąpienie rezystorów z
ródłami prądowy- z
ródeł napięcia, co w
mi. Zgodnie z zasadą działania, z
ródło prą- niektórych urządze-
dowe chce utrzymać ustaloną wartość prądu, niach jest kłopotliwe,
więc w pierwszej chwili podaje na uzwoje- zmuszając do stosowa-
nie jak największe napięcie zasilania i szyb- nia dodatkowych prze-
kość narastania prądu wyznaczona jest przez twornic czy zasilaczy.
napięcie zasilające. Przykład rozwiązania z Zamiast pojedyn-
silnikiem bipolarnym i unipolarnym pokaza- czego impulsu sterujÄ…-
ny jest w uproszczeniu na rysunku 47. cego bywa też stoso-
Nadal wadą są duże straty mocy, tym razem wany ciąg znacznie
w tranzystorach sterujących, związane z du- krótszych impulsów o
żym napięciem zasilającym. większej częstotliwo-
Innym sposobem jest zasilanie z dwóch ści, które zapewnią po-
z
ródeł napięcia. Podczas całego impulsu ste- trzebny prąd średni.
rującego uzwojenie jest zasilane napięciem Jest to tak zwana praca Rys. 48
U1, ale na początku każdego impulsu na krót- siekana (chopper tech-
kÄ… chwilÄ™ podawane jest na uzwojenie znacz- nique). Wystarczy wte- Rys. 49
nie wyższe napięcie U2, które gwarantuje dy jeden zasilacz o sto-
szybkie narastanie prądu. Idea pokazana jest sunkowo dużym napię-
na rysunku 48. Taki sposób jest ekonomicz- ciu. Przypomina to
ny i nie powoduje dodatkowych strat mocy, działanie stabilizatora
impulsowego i zapew-
Rys. 47
Elektronika dla Wszystkich
Listopad 2002
25
Podzespoły
Ciąg dalszy ze strony 25. Na przykład przy sterowaniu półkrokowym Zazwyczaj do wytwarzania sekwencji
zwiększa się prąd 1,4...1,5-krotnie, gdy zasi- impulsów sterujących wykorzystywane są
W praktyce wykorzystywane są najróż- lane jest jedno uzwojenie, co pozwala uzy- rozmaite mikroprocesory. Współpracują one
niejsze realizacje takich i wielu innych idei. skać 90...95% momentu uzyskiwanego przy ze stopniami mocy, kontrolują prądy uzwo-
sterowaniu pełnokrokowym. jeń silnika i wytwarzają optymalne przebiegi
Rys. 50 sterujące. W niektórych przypadkach w spo-
czynku zmniejszają lub wyłączają prąd (przy
prostych trybach sterowania silnik pobiera
pełny prąd także w spoczynku). Istnieją też
specjalizowane układy scalone. Sekwencje
sterujące można również wytworzyć dość
prosto według idei podanych w pierwszym
artykule cyklu. Czasem, zwłaszcza do prób,
można wykorzystać port równoległy kompu-
tera PC i samodzielnie napisany program
sterujÄ…cy.
Leszek Potocki
Elektronika dla Wszystkich
Listopad 2002
26
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 6 - właściwości
i sterowniki
Obwody prÄ…du nia pokazuje ob-
Impulsowy sposób sterowania według idei z wód prądu, gdy T1
rysunku 49 wygląda bardzo obiecująco, jeśli jest otwarty. Gdy
chodzi o sprawność, należy jednak pamiętać, T1 zostaje zatkany
że w przerwach pomiędzy impulsami klucza (i T2 także nie
S prąd w cewce musi płynąć, pomimo odłą- przewodzi), ener-
czenia napięcia. Wynika to z elementarnych gia zgromadzona w
właściwości cewki  indukcyjność nie lubi indukcyjności po-
gwałtownych zmian prądu i reaguje na nie woduje przepływ
przepięciami, które próbują podtrzymać prądu w dwóch ob-
przepływ prądu. wodach przez diodę D1 oraz przez D4, w ob- Rys. 51
Problem dotyczy nie tylko sterowania im- wodach zaznaczonym kolorem czerwonym.
pulsowego według rysunku 49, ale także Można też zastosować kondensatory we- Rys. 52
wszystkich prostszych układów sterujących, dług rysunku 52b. W przypadku stosowania
gdzie następuje wyłączanie prądu. W chwili kondensatorów należałoby dobrać ich pojem-
przerywania obwodu prądu zawsze w induk- ność, żeby częstotliwość rezonansowa obwo-
cyjności uzwojeń powstają przepięcia, które du LC odpowiadała częstotliwości rezonansu
przy niewłaściwie zaprojektowanym ukła- mechanicznego. Zdecydowanie częściej sto-
dzie mogą spowodować uszkodzenie tranzy- suje się jednak sposób z diodami.
storów sterujących. Aby wyeliminować takie W przypadku tranzystorów MOSFET
ryzyko, trzeba przewidzieć i zapewnić obwo- układ można uprościć, bo tranzystor ma w
dy przepływu prądu cewki także po wyłącze- swej strukturze włączoną równolegle do ob- MOSFET, który
niu tranzystora sterujÄ…cego. Zazwyczaj reali- wodu z
ródło-dren. W przypadku stosowania wtedy przez chwilę
zują to dodatkowe diody. dużych tranzystorów MOSFET do sterowania pracuje w dozwolo-
W przypadku silnika VR wystarczyłyby małych silników krokowych można też zwy- nym przez produ-
diody lub kondensatory według rysunku 51. kle pominąć  górne diody, jak pokazuje ry- centa trybie przebi-
Kolorem czerwonym zaznaczony jest obwód sunek 53. Energia  dodatniego impulsu jest cia lawinowego i
prądu po zatkaniu tranzystora. mała, bo dzięki działaniu autotransformatora działa podobnie jak Rys. 53
Silnik unipolarny ma dzielone uzwojenie, większość energii przepływa przez diodę dioda Zenera.
które działa jak autotransformator. Jeśli na ko-  ujemną . Energia Rys. 54
lektorze wyłączającego się tranzystora poja-  dodatnia związana
wia się dodatni impuls przepięcia, to na kolek- jest z indukcyjnością
torze drugiego tranzystora (który np. przy rozproszenia takiego
sterowaniu półkrokowym pozostaje wyłą- autotransformatora.
czony) pojawia się impuls ujemny. Dlatego Jest ona niezbyt duża
na schematach sterowników silników unipo- i może być pochło-
larnych zazwyczaj znajduje się podwójna nięta przez zatykają-
liczba diod według rysunku 52a. Zielona li- cy się tranzystor
Elektronika dla Wszystkich
22 Grudzień 2002
Podzespoły
Omawiany problem dotyczy też silników
bipolarnych. Dlatego w układach sterowni-
ków mostkowych też występują dodatkowe
diody według rysunku 54a. Choć silniki nie
pracują przy dużych prędkościach obroto-
wych, nie zaszkodzi zastosowanie tu diod
szybkich, a nie zwykłych prostowniczych.
W przypadku tranzystorów MOSFET, za-
równo z kanałem N, jak i P, problem zostaje
rozwiązany przez wewnętrzne diody, jak po-
kazujÄ… rysunki 54b, 54c.
Układy scalone
Produkowane są rozmaite układy scalone do
sterowania silników krokowych. Można za-
kupić układy, które zawierają niemal kom-
pletny sterownik z całą elektroniką sterują-
cÄ… i stopniem mocy. SÄ… stopnie sterujÄ…ce,
wytwarzajÄ…ce potrzebne sekwencje impul-
sów. Dostępne są też same stopnie mocy,
najczęściej zawierające dwa mostki po- Znanym od lat uniwersalnym stopniem mo- Rys. 57
trzebne dla silników bipolarnych. W pierw- cy, produkowanym przez wiele firm, jest
szym odcinku cyklu (EdW 7/2002) był za- L298D. Schemat wewnętrzny pokazany jest na Na układ ten muszą być podane odpowie-
prezentowany układ ULN2803, który czę- rysunku 55. Maksymalny prąd stopnia przy dnie impulsy sterujące. Do ich wytworzenia
sto jest stosowany do sterowania małych pracy impulsowej wynosi 1,2A, a maksymalne można wykorzystać układ UC3517 (Unitrode)
silników unipolarnych. Można też wyko- napięcie stopnia mocy sięga 50V. Wersja bez lub odpowiednik PBD3517/1 (Ericsson). Upro-
rzystać kostkę ULN2003, zawierającą nie litery D (L298) nie zawiera diod zabezpiecza- szczony schemat wewnętrzny pokazany jest na
osiem, tylko siedem stopni. jących i trzeba takowe dołączyć z zewnątrz. rysunku 56. Rozbudowane obwody wyjścio-
we umożliwiają różnorodne wykorzystanie.
Układ  3517 może też bezpośrednio współpra-
Rys. 55
cować z małymi silnikami o prądzie do 0,5A.
Kostka, taktowana sygnałem prostokąt-
nym podawanym na wejście STEP (nóżka 7),
wytwarza potrzebne sygnały sterujące, zależ-
nie od stanu wejść DIR (kierunek, nóżka 6)
i HSM\ (praca pół-/pełnokrokowa, nóżka 10).
Układ  3517 może też sterować stopniem
wykonawczym PBL3775/1 (Ericsson),
zawierajÄ…cym dwa kompletne mostki mocy.
Kostka PBL3776 przeznaczona jest do stero-
wania mostków z zewnętrznymi tranzystora-
mi mocy MOSFET. Pełny mostek MOSFET
o prÄ…dzie maksymalnym 6A (w impulsie)
oraz obwody sterujÄ…ce i diagnostyczne za-
wiera też kostka TLE5205, produkowana
Rys. 56
przez Infineon (Siemens).
Jeden pełny mostek o prądzie 3A (6A w
impulsie) i rozbudowane stopnie sterujÄ…ce,
pozwalajÄ…ce na pracÄ™ siekanÄ… (chopper), za-
wiera układ LMD18245 (National Semicon-
ductor). Schemat blokowy pokazany jest na
rysunku 57. Układ IMT901 (Nanotec) za-
wiera stopnie mocy (2,5A w impulsie) i logi-
kę sterującą, pozwalające w prosty sposób
zrealizować także sterowanie mikrokrokowe.
Prędkość określa sygnał zegarowy podawany
z zewnątrz. Układ sam wytwarza wszystkie
przebiegi potrzebne do pracy mikrokrokowej.
Szczegółowe omówienie tych i jeszcze in-
nych interesujących układów wykracza poza
ramy artykułu. Zainteresowani tematem ze-
chcą samodzielnie przeanalizować karty ka-
talogowe, które można też ściągnąć z pol-
skiej strony www.wobit.com.pl
CiÄ…g dalszy na stronie 26.
Elektronika dla Wszystkich
Grudzień 2002
23
Podzespoły
CiÄ…g dalszy ze strony 23. szego silnika pokrywa koszt bardziej skompli- Hobbysta zazwyczaj jest w innej sytuacji.
kowanego sterownika. Warto przypomnieć, że Najczęściej wykorzystuje silniki z odzysku, a
podczas pracy silnik krokowy może być bar- sterowniki wykonuje, wykorzystując stosun-
Piękno silników dzo gorący. Temperatura uzwojeń nie powinna kowo proste sposoby i układy (silnik unipo-
krokowych przekroczyć +130oC, co oznacza, że metalowa larny, sterowanie półkrokowe).
Pierwszy artykuł kończącego się właśnie cy- obudowa silnika może mieć +90oC. Ponieważ Informacje podane w kolejnych częściach
klu udowodnił, że silniki krokowe można maksymalna moc silnika ograniczona jest cyklu zawierają wszystkie kluczowe kwestie
sterować w bardzo prosty sposób za pomocą przez temperaturę uzwojeń, można i warto za- związane z silnikami krokowymi. Ale siłą
czterech MOSFET-ów i dwóch układów scalo- stosować radiator chłodzący, co pozwoli wy- rzeczy nie obejmują wszystkich szczegółów.
nych kosztujących w detalu złotówkę. Kolejne korzystać mniejszy i znacznie tańszy silnik. Czytelnicy zainteresowani dalszymi informa-
odcinki pokazały, że można w pełni wykorzy- Warto dodać, że tylko w nielicznych przy- cjami zechcą samodzielnie przeanalizować
stać możliwości tych interesujących silników, padkach zachodzi potrzeba dogłębnej analizy poszczególne rozwiązania sterowników. Po-
stosując zaawansowane sposoby sterowania. wszystkich niuansów tego obszernego zagad- mocą będą obfite zasoby Internetu. Można
Obecnie coraz częściej stosuje się silniki nienia. Profesjonalny konstruktor, mając zacząć od polskojęzycznej strony www.silni-
bipolarne  lepiej wykorzystane są wtedy przed sobą cel, określa warunki pracy silnika ki.pl i wspomnianej strony firmy Wobit.
możliwości silnika, a koszt scalonych sterow- i dobiera z szerokiej oferty rynkowej zarów- Przy dalszych poszukiwaniach warto wpi-
ników i tak jest znacznie mniejszy od ceny sil- no silnik, jak i obwody sterowania. Uwzglę- sać do wyszukiwarki  silnik* krokow* oraz
nika hybrydowego. Często przy sterowaniu bi- dnia wszystkie czynniki, a celem jest zapro-  stepper moto* .
polarnym można zastosować mniejszy i tańszy jektowanie możliwie taniego systemu, speł-
silnik. Wtedy różnica cen większego i mniej- niającego podane wymagania. Leszek Potocki
Elektronika dla Wszystkich
24 Grudzień 2002
Elektor w EdW
SILNIKI KROKOWE
Budowa, funkcjonowanie i sterowanie
Silniki krokowe są tego nie posiadały one  ustalone- tzw. Wave-drive, został schema- z czterech taktów. Jest to TRYB
znane już od początku go położenia , gdyż rdzeń z mięk- tycznie przedstawiony na rysun- PRACY Z PEA
NYM KROKIEM.
lat 60. dopiero jednak kiej stali magnetycznej sam nie ku 2a. Inna metoda wprowadze- Oczywiście nic nie stoi na
w ostatnich latach na- wytwarzał żadnego pola magne- nia w ruch silnika krokowego po- przeszkodzie, aby dokonać kom-
brały one dużego zna- tycznego. Z tej właśnie przyczyny lega na doprowadzeniu prądu do binacji normalnego trybu pracy
czenia. Znajdują zasto- zostały wprowadzone silniki kro- obydwu faz w normalnym trybie i Wave-drive, uzyskując wów-
sowanie jako napędy kowe z magnesami trwałymi. pracy. W tym trybie zawsze wy- czas TRYB PRACY Z KROKAMI PO-
w mechanizmach zega- Wprawdzie rotor, posiadający stępują dwukrotnie dwie jednako- A
ÓWKOWYMI. Dzięki temu moż-
rów i innych instrumen- trwałe właściwości magnetyczne, we fazy obok siebie. Zachowanie na zrealizować kroki połówko-
tów wskaz
nikowych, stwarzał możliwość zdefiniowa- się rotora można najłatwiej wyja- we, które niejako za darmo
w drukarkach i plote- nia określonego położenia ustalo- śnić na podstawie rysunku 2b. podwajają  rozdzielczość silni-
rach oraz w przeróżnych nego, to jednak było to możliwe Sekwencja sterująca jest to ka. W takim trybie pracy prąd
maszynach warsztato- wyłącznie przy większych kątach  elektryczny obrót o 360o. Aby przepływa na zmianę przez jedno
wych i w robotach. przypadających na jeden krok. dokonać pełnego obrotu mecha- albo przez obydwa uzwojenia.
Przyczyna była prosta  na cylin- nicznego, nieodzowna jest wła- W trybie pracy z krokami połów-
Podobnie jak i inne silniki drycznym rotorze namagnesowa- śnie odpowiednia sekwencja im- kowymi pełna sekwencja składa
składają się one z nieruchomego nym radialnie można było umie- pulsów sterujących. W obydwu się z ośmiu taktów.
statora oraz z obracającego się ścić ograniczoną liczbę biegunów wymienionych przypadkach se- W zależności od sposobu wy-
rotora. O ile w silnikach prądu magnetycznych. Pomimo tego ta- kwencja składa się zawsze konania uzwojeń można wyróż-
stałego rotor (a czasami także ki typ silników krokowych może
i stator) jest wyposażony w elek- posłużyć jako materiał wejściowy
tromagnes, to silniki krokowe do zapoznania siÄ™ z tematem. Na
posiadają wyłącznie stacjonarne rysunku 1 został przedstawiony
elektromagnesy. Rotor zbudowa- silnik krokowy w swoim najprost-
ny jest z miękkiej, nie magnety- szym wykonaniu. Rdzeń został
zujÄ…cej siÄ™ stali albo z magnesu namagnesowany w najprostszy
stałego. Obraca się na skutek od- sposób (dwa bieguny) oraz są dwa
działywania różnorodnie ukie- uzwojenia przesunięte względem
runkowanych pól elektromagne- siebie o 90o (fazy). Jeśli przez jed-
sów statora. Zanim jednak do- ną z faz przepływa prąd, to po-
wiedzieliśmy się, w jaki sposób wstaje pole magnetyczne. Rotor
funkcjonuje silnik krokowy, za- obraca siÄ™ wraz ze swoim polem
poznaliśmy się z jego bardzo magnetycznym do położenia,
ważną zaletą  do rotora nie jest w którym pomiędzy rotorem a fa-
doprowadzany prąd, tak więc od- zą jest najmniejsza szczelina po-
pada konieczność stosowania wietrzna oraz największy stru-
ulegających zużyciu szczotek mień magnetyczny (przeciwne
i pierścieni ślizgowych! bieguny przyciągają się, a jedna-
Pierwsze, w miarÄ™ atrakcyjne kowe siÄ™ odpychajÄ…!).
ekonomicznie reaktancyjne (re- Poprzez zmianÄ™ kierunku
luktancyjne) silniki krokowe po- przepływu prądu można spowo-
siadały rotor wykonany z mięk- dować ustawienie się rotora
kiej stali magnetycznej w formie w czterech różnych położeniach,
zębatego rdzenia. Pomijając fakt, przy czym jego ruchy obrotowe Rys. 1 Model prostego silnika krokowego z dwubieguno-
że silniki te posiadały niezbyt du- odpowiadać będą kolejności wym rotorem i z dwoma uzwojeniami (fazami) przesu-
ży moment obrotowy, to oprócz zmian polaryzacji. Ten tryb pracy niętymi względem siebie o 90o.
Elektronika dla Wszystkich
Marzec 2000
26
Elektor w EdW
nić dwie kolejne techniki stero- Tak więc sterowanie cewką reali- tografii 4 przed-
wania. Przy niewielkim skompli- zowane jest przy pomocy dwóch stawione jest
kowaniu układu (tylko jeden do- przełączników a nie jednego. wnętrze takiego
datkowy przełącznik) można Silniki krokowe o mniejszej hybrydowego
wykorzystać popularny dawniej liczbie faz, szczególnie przy ma- silnika kroko-
TRYB PRACY UNIPOLARNEJ - (ry- łych szybkościach obrotowych wego.
sunek 3a). Oczywiście uzwoje- (częstotliwościach), charaktery- Kąt odpowia-
nia te muszą posiadać wyprowa- zowałyby się nierównomierną dający jednemu
dzenia w połowie swojej długo- pracą (szarpaniem) i to także przy krokowi albo ina-
ści, a poza tym z powodu nie- trybie pracy z krokiem połówko- czej rozdziel-
wielkiego prądu w uzwojeniu wym. Dalsze poprawienie jakości czość silnika uza-
leżniona jest nie
tylko od liczby
par biegunów,
a więc od liczby
zębów odpowia-
dajÄ…cych biegu-
Rys. 3 Uzwojenia silnika do pracy w try- nom N oraz S na
bie unipolarnym (a) muszą posiadać rotorze, ale tak-
a)
wyprowadzenie w połowie długości że od liczby po-
Obroty w prawo Obroty w lewo
uzwojenia. Silniki unipolarne (b) jedynczo stero-
Faza 1 Faza 2 Faza 1 Faza 2
Takt Takt
Polaryzacja PrÄ…d Polaryzacja PrÄ…d Polaryzacja PrÄ…d Polaryzacja PrÄ…d
wymagajÄ… sterowania poprzez dwa wanych faz.
1 0 1 x 0 1 0 1 x 0
2 x 0 0 1 2 x 0 1 1 przełączniki na każde uzwojenie. Oczywi ści e
3 1 1 x 0 3 1 1 x 0
w praktyce
4 x 0 1 1 4 x 0 0 1
ogranicza siÄ™ do
ności dla silników krokowych silników o liczby faz od dwóch do
o małej liczbie pozycji rotora jest pięciu, aby w rozsądnych grani-
pewną wadą. cach utrzymać ilość wymaganego
okablowania i przełączników. Je-
W praktyce żeli nacisk położony jest na uzy-
Do tej pory omawiany był je- skanie możliwie dużego momentu
dynie model silnika krokowego, obrotowego, to powinny zostać
który... w praktyce nie występu- zastosowane dwufazowe silniki
b)
Obroty w prawo Obroty w lewo
je. W nowoczesnych, hybrydo- krokowe. Natomiast w sytuacjach,
Faza 1 Faza 2 Faza 1 Faza 2
Takt Takt
wych silnikach krokowych jako gdy zależy nam na szczególnie
Polaryzacja PrÄ…d Polaryzacja PrÄ…d Polaryzacja PrÄ…d Polaryzacja PrÄ…d
1 0 1 0 1 1 0 1 0 1
rdzenie stosowane są okrągłe równomiernej pracy (bez szarp-
2 1 1 0 1 2 0 1 1 1
płytki namagnesowane osiowo nięć), to pod uwagę powinny zo-
3 1 1 1 1 3 1 1 1 1
4 0 1 1 1 4 1 1 0 1
w sposób trwały. Krążki te po- stać wzięte silniki pięciofazowe
siadają zębate wieńce, które sterowane mikrokrokami. Silnik
Obroty w prawo Obroty w lewo
przesunięte są nawzajem wzglę- trójfazowy stanowi rozsądny
Faza 1 Faza 2 Faza 1 Faza 2
Takt Takt
Polaryzacja PrÄ…d Polaryzacja PrÄ…d Polaryzacja PrÄ…d Polaryzacja PrÄ…d
dem siebie o połowę szerokości kompromis pomiędzy tymi dwo-
1 0 1 x 0 1 0 1 x 0
2 0 1 0 1s 2 0 1 1 1
zęba, w taki sposób, żeby biegu- ma skrajnymi sytuacjami.
3 x 0 0 1 3 x 0 1 1
ny N i S się przeplatały. Na fo-
4 1 1 0 1 4 1 1 1 1
5 1 1 x 0 5 1 1 x 0
6 1 1 1 1 6 1 1 0 1
7 x 0 1 1 7 x 0 0 1
8 0 1 1 1 8 0 1 0 1
Rys. 2 Schemat doprowadzania prądu do uzwojeń przy pra-
cy w trybie normalnym (b) i Wave-drive (a). Jeśli doko-
na się połączenia (kombinacji) obydwu metod bazują-
cych na całych krokach, to otrzyma się sterowanie me-
todą kroków połówkowych.
można uzyskać stosunkowo ma- pracy jest jednak możliwe, w taki
ły moment obrotowy, jak rów- sposób, że prądu nie będzie się
nież małą szybkość obrotową. po prostu włączać i wyłączać,
Dopiero w momencie poja- lecz będzie on podwyższany lub
wienia się zintegrowanych i ta- odpowiednio obniżany w sposób
nich układów scalonych prze- stopniowy. Spokojny ruch obro-
znaczonych do sterowania silni- towy uzyskuje się właśnie w ten
kami krokowymi, coraz bardziej sposób - jest to TRYB PRACY Z MI-
zaczęto wykorzystywać BIPO- KROKROKAMI. Oczywiście praca
LARNY TRYB PRACY - (rysunek w trybie mikrokroków redukuje
3b). W technice tej uzwojenia moment obrotowy i dokładność Rysunek 4. Tutaj bardzo dobrze widoczne są wieńce zębate
z obydwu stron są przełączane. ustalenia pozycji, co w szczegól- na rotorze.
Elektronika dla Wszystkich
Marzec 2000
27
Elektor w EdW
Typowo spotyka się silniki kro- wania. Tylko w ten sposób zapew-
kowe o podziale pełnego obrotu na niony jest prawidłowy rozruch (za-
przynajmniej 24 kroki (co 15) albo trzymanie) silnika. Wielkość przy-
48 kroków (co 7,5). W starszych śpieszenia może być dowolnie ma-
napędach dysków stałych (HD) do ła, ale nie może być zbyt duża.
dokładnego ustawienia głowicy Przy zbyt szybkim zwiększaniu
stosowane były najczęściej silniki częstotliwości taktującej rotor sta-
o 200 krokach (co 1,8) albo nawet nÄ…Å‚by w miejscu podobnie jak
400 krokach (co 0,9). i wtedy, gdyby spróbowano prze-
A teraz ważna sprawa - po włą- kroczyć maksymalną dopuszczal-
faza pełnej prędkości obrotowej schodkowe zbocze opadające
czeniu docelowej częstotliwości ną częstotliwość taktowania.
taktującej, wynoszącej wiele kilo- Przebieg częstotliwości Rys. 5 Przyśpieszanie i hamowanie silnika odbywa się przy
herców, silnik nie zacznie się obra-  Start/Stop w trakcie procedury wykorzystaniu funkcji schodkowej.
cać! Wcale się nie obraca, co jest przyśpieszania aż do prędkości
spowodowane tym, że rotor ma docelowej przypomina rosnącą  Startową częstotliwość tak- krokowych sterowanych kroka-
tak dużą bezwładność, iż nie jest funkcję schodkową  rysunek 5. towania, przy której silnik kro- mi połówkowymi oraz mikro-
w stanie nadążyć za szybko prze- Wyłączanie przebiega analogicz- kowy może bezpiecznie obracać krokami i to zarówno dla zwy-
mieszczającym się polem magne- nie, lecz tym razem mamy do się w obydwu kierunkach bez kłego sterowania, jak i przy wy-
tycznym statora. Start jest możli- czynienia z opadającą funkcją stosowania procedur na bazie korzystaniu funkcji schodkowej.
wy jedynie dzięki wykorzystaniu schodkową, ponieważ w przy- funkcji schodkowej, dobiera się Jest to zadanie dla układu stero-
na początek -  częstotliwości padku natychmiastowego wyłą- wyłącznie do poszukiwania wania silnikiem krokowym, na
Start/Stop , która w zależności od czenia rotor, ze względu na swą punktu zerowego oraz dla naj- przykład dla 80C166-Board
modelu silnika wynosi od 50Hz do dużą masę, po prostu nadal by mniejszych potrzebnych prędko- (opracowanie Elektora) lub inne-
2kHz. Dopiero po takim wstęp- się obracał i co istotne, informa- ści obrotowych. Sterowanie przy go, w oparciu o mikrokontroler
nym uruchomieniu silnika można cje o dokładnym położeniu były- pomocy komputera stosuje się jednoukładowy bądz
inne spe-
podwyższyć częstotliwość takto- by stracone. przede wszystkim dla silników cjalizowane układy scalone.
R E K L A M A · R E K L A M A · R E K L A M A · R E K L A M A · R E K L A M A · R E K L A M A
Elektronika dla Wszystkich
Marzec 2000
28
schodkowe zbocze rosnÄ…ce
Elektor w EdW
Elektronika dla Wszystkich
Marzec 2000
29