K U R S
Silniki elektryczne w praktyce
elektronika, część 3
Analizując powyłszą defini-
Silnik krokowy definiowany jest nastÍpujÄ…co: ìJest to silnik
cjÍ stwierdzimy, Å‚e obejmuje
przeksztaÅ‚cajÄ…cy ciÄ…g sterujÄ…cych impulsÛw elektrycznych na ciÄ…g
ona takłe silniki bezszczotkowe
BLDC, opisane w poprzedniej
przesuniÍĘ kÄ…towych wirnika. Droga kÄ…towa, ktÛrÄ… przebywa
czÍÅ›ci artykuÅ‚u. Klasyfikowanie
silnikÛw BLDC jako krokowych
wirnik, jest proporcjonalna do liczby impulsÛw, a prÍdkośĘ czÍÅ›ci
nie jest bÅ‚Ídem lecz wprowa-
dza czasem niejasnoÅ›ci utrud- ruchomej silnika do czÍstotliwoÅ›ci tych impulsÛw. Kierunek obrotu
niajÄ…ce wybÛr odpowiedniego
zaleÅ‚y od sekwencji impulsÛw. Silnik przetwarza sygnaÅ‚ sterujÄ…cy
silnika z oferty dystrybutorÛw.
PodstawowÄ… cechÄ… odrÛÅ‚niajÄ…cÄ…
na ustalone poÅ‚oÅ‚enie waÅ‚u bezpoÅ›rednioî. Takie wÅ‚aÅ›nie silniki
klasyczne silniki krokowe od
BLDC jest moÅ‚liwośĘ pracy sil- opisujemy w trzeciej czÍÅ›ci artykuÅ‚u.
nikÛw krokowych w otwartej
pÍtli tzn. bez sygnaÅ‚u zwrotne- - PrÄ…d znamionowy uzwojenia: powych zastosowaniach silniki bieguny wirnika (rys. 22).
go informujÄ…cego o poÅ‚oÅ‚eniu natÍÅ‚enie prÄ…du wymagane krokowe rozwijajÄ… moce od jed- W tym przypadku poza naprze-
kÄ…towym wirnika. Øeby jeszcze do zmiany poÅ‚oÅ‚enia kÄ…towe- nego do kilkudziesiÍciu watÛw. miennym sterowaniem uzwojeÒ
bardziej pogmatwaĘ klasyfikacjÍ go (pod obciÄ…Å‚eniem nieprze- A i B wystÍpuje takÅ‚e zmiana
- istniejÄ… takÅ‚e silniki krokowe kraczajÄ…cym znamionowego Konstrukcja silnikÛw kierunku przepÅ‚ywu prÄ…du (tzw.
trÛjfazowe, a nawet 5-fazowe. momentu obrotowego). JeÅ‚eli krokowych sterowanie bipolarne). Silniki
W takiej sytuacji odrÛÅ‚nienie 3- nie jest potrzebny peÅ‚ny mo- Najbardziej rozpowszechnio- PM majÄ… maÅ‚Ä… rozdzielczośĘ
fazowego silnika BLDC od 3-fa- ment obrotowy, to moÅ‚na ne sÄ… trzy rodzaje silnikÛw kÄ…ta - typowy krok 7,5o i 15o,
zowego silnika krokowego wy- stosowaĘ niłsze, natomiast krokowych: o zmiennej reluk- a ich zaletą jest niski koszt.
maga szczegÛÅ‚owej analizy da- niewskazane jest wyÅ‚sze na- tancji, z magnesem trwaÅ‚ym, BudowÍ silnika krokowego
nych katalogowych. tÍÅ‚enie prÄ…du. Typowe war- hybrydowe. Obecnie silniki z magnesem trwaÅ‚ym przedsta-
tości wynoszą od 0,5 do 7A. o zmiennej reluktancji spotyka wiono na rys. 23. To rozwiąza-
Parametry silnikÛw - Rezystancja uzwojenia: jest to siÍ gÅ‚Ûwnie wÅ›rÛd starszych nie konstrukcyjne jest nazywa-
krokowych rezystancja dla prÄ…du staÅ‚ego, modeli ìz odzyskuî, natomiast ne w terminologii angielskiej
Podstawowe parametry kata- zwykle rzÍdu pojedynczych masowo produkowane sÄ… silniki canstack motor.
logowe silnikÛw krokowych sÄ… omÛw. pozostaÅ‚ych dwÛch typÛw. W silniku hybrydowym (HB
nieco inne niÅ‚ pozostaÅ‚ych ty- - NapiÍcie pracy uzwojenia: Silnik o zmiennej reluktan- - HyBrid motor) poÅ‚Ä…czono oba
pÛw silnikÛw. Na przykÅ‚ad nie dla stanu ustalonego napiÍcie cji (VR -Variable Reluctance powyÅ‚sze rozwiÄ…zania. Wyko-
podaje siÍ obrotÛw znamiono- to wynika z pomnoÅ‚enia prÄ…- motor) ma wirnik wykonany rzystanie zalet obu technologii
wych i napiÍcia pracy silnika. du i rezystancji uzwojenia. z miÍkkiej stali z naciÍtymi pozwoliÅ‚o na poprawÍ paramet-
Bez zmian pozostaje moment Parametr, nie zawsze poda- charakterystycznymi zÍbami (jak rÛw silnika: momentu obrotowe-
obrotowy - podstawowa infor- wany, jest przydatny do do- pokazano na rys. 21). PrzepÅ‚yw go, maksymalnej prÍdkoÅ›ci ob-
macja o kaÅ‚dym rodzaju silnika. boru odpowiedniego napiÍcia prÄ…du staÅ‚ego przez uzwojenie rotowej, rozdzielczoÅ›ci kroku.
Inne parametry wymieniono po- zasilania sterownika. powoduje, Å‚e zÍby wirnika Niestety silniki hybrydowe sÄ…
niÅ‚ej: - Parametry zmiennoprÄ…dowe ustawiajÄ… siÍ naprzeciw zasila- 2...3-krotnie droÅ‚sze od silnikÛw
- Moment trzymajÄ…cy: w silni- uzwojeÒ: tu wystÍpuje pew- nego uzwojenia. Ruch obrotowy z magnesem trwaÅ‚ym. Wirnik
kach krokowych zwykle jedno na dowolnośĘ - producenci powstaje wskutek naprzemien- silnika hybrydowego zbudowany
z uzwojeÒ jest zasilane, nawet podajÄ… indukcyjnośĘ uzwojeÒ, nego zasilania uzwojeÒ. W sil- jest z uzÍbionych nabiegunnikÛw
gdy silnik siÍ nie obraca. Po- maksymalnÄ… czÍstotliwośĘ im- nikach VR nie wystÍpuje zmia- oraz magnesu trwaÅ‚ego, powodu-
woduje to, Å‚e silnik ìprzeciw- pulsÛw lub czasy narastania na kierunku prÄ…du w uzwoje- jÄ…cego naprzemienne namagneso-
stawia siÍî prÛbom obrÛcenia prÄ…du w uzwojeniach. Gene- niach, dlatego zwykle wykony- wanie zÍbÛw biegunami N i S.
wirnika w inne poÅ‚oÅ‚enie. ralnie sÄ… to parametry decy- wane sÄ… jako 3-fazowe lub 4- UzÍbiony stojan ma konstrukcjÍ
Moment trzymający zwykle dujące o doborze układu ste- fazowe i wymagają nieco inne- podobną jak w silniku o zmien-
jest mniejszy od momentu ob- rownika i teoretycznej maksy- go sposobu sterowania nił po- nej reluktancji.
rotowego, podawany jest malnej prÍdkoÅ›ci obrotowej zostaÅ‚e rodzaje.
w Nm lub Ncm (dla okreÅ›lo- silnika (w praktyce maksy- Wirnik silnika z magnesem Sterowanie silnikÛw
nego prÄ…du uzwojenia). malne obroty czÍsto ograni- trwaÅ‚ym (PM - Permanent Mag- krokowych
- Krok podstawowy: przesuniÍ- cza rezonans mechaniczny net motor) nie posiada zÍbÛw, Najpierw omÛwimy najprost-
cie kÄ…towe wirnika przypada- wirnika, spowodowany skoko- jest wykonany w postaci walca szy sposÛb sterowania 2-fazo-
jÄ…ce na jeden impuls prÄ…do- wÄ… rotacjÄ…). naprzemiennie namagnesowane- wych silnikÛw PM i HB - tzw.
wy. Podawany jest w stop- Dla silnikÛw krokowych nie go biegunami N i S, natomiast sterowanie falowe. Uproszczony
niach kÄ…towych, typowe war- podaje siÍ mocy znamionowej, specyficzny rodzaj ìzÍbÛwî po- model silnika hybrydowego
toÅ›ci: 15o, 7,5o, 3,6o, 1,8o, poniewaÅ‚ moc oddawana do ob- siada rdzeÒ stojana. ZaleÅ‚nie
0,9o. Wartościom tym odpo- ciąłenia zaleły od aktualnej od kierunku prądu w uzwojeniu
wiadajÄ… nastÍpujÄ…ce liczby prÍdkoÅ›ci obrotowej silnika. W ty- - przyciÄ…gane sÄ… odpowiednie
krokÛw/obrÛt: 24, 48, 100,
200, 400.
Rys. 21 Rys. 22 Rys. 23 Rys. 24
Elektronika Praktyczna 2/2004
98
K U R S
Rys. 25 Rys. 26
o kroku 30o jest przedstawiony wirnik ustawi siÍ w jednej z po- ustawione w jednej linii z do- spoczynkowych. JeÅ‚eli przez
na rys. 24. Wirnik silnika skÅ‚a- zycji przedstawionych na rys. wolnÄ… parÄ… zÍbÛw stojana. Nie- uzwojenie A popÅ‚ynie prÄ…d, to
da siÍ z dwÛch nabiegunnikÛw, 25. Dzieje siÍ tak dlatego, Å‚e wielki moment obrotowy powo- wirnik zajmie pozycjÍ jak na
posiadajÄ…cych po 3 zÍby. Stojan namagnesowany wirnik usiÅ‚uje dujÄ…cy takie pozycjonowanie rys. 25a - przeciwne bieguny
ma 4 zÍby, na ktÛrych sÄ… nawi- zająĘ takÄ… pozycjÍ, aby reluktan- wirnika nazywa siÍ momentem wirnika i stojana naprzeciw sie-
niÍte uzwojenia A i B, kaÅ‚de cja obwodu magnetycznego byÅ‚a spoczynkowym (bezprÄ…dowym). bie. W takim stanie moment ob-
podzielone na dwie sekcje. jak najmniejsza tzn. aby namag- Silnik przedstawiony na rysun- rotowy niezbÍdny do wytrÄ…cenia
W przypadku braku zasilania nesowane zÍby wirnika byÅ‚y ku ma 12 moÅ‚liwych pozycji wirnika z poÅ‚oÅ‚enia rÛwnowagi
Elektronika Praktyczna 2/2004
99
K U R S
Przydatne linki (dotyczÄ…ce
silników BLDC i VCM)
Polskie:
- www.silniki.pl - dystrybutor
silników i sterowników (DC,
BLDC)
Rys. 29
Zagraniczne:
sunku do pozycji z rys. 25a. Ob- - www.allegromicro.com - firma
rÛt wirnika o jeden krok nastÍpu- Allegro Microsystems - producent
je poprzez zmianÍ kierunku prze- scalonych sterowników silników,
pływu prądu w uzwojeniach. Sek- ciekawe poradniki i noty
Rys. 28
wencja zasilania uzwojeÒ dla aplikacyjne,
uzwojenie A ze zmianÄ… polary- 4 krokÛw w prawo moÅ‚e byĘ opi- - http://us.st.com/stonline/books -
zacji to kolejny krok (rys. 25c) sana: A+B+, A+B-, A-B-, A-B+. karty katalogowe i noty
i znowu uzwojenie B - to czwar- Jednoczesne zasilanie obu uzwo- aplikacyjne sterowników firmy ST
ty krok (rys. 25d). Sekwencja jeÒ umoÅ‚liwia uzyskanie 2-krotnie Microelectronics,
zasilania uzwojeÒ A+, B+, A-, wiÍkszego momentu obrotowego - www.micromo.com,
B- powoduje wykonanie cyklu w porÛwnaniu ze sterowaniem fa- www.densitron.com/em,
4 krokÛw w prawo, powtÛrzenie lowym. www.beikimco.com -producenci
tej sekwencji to kolejne 4 kroki. Jak juÅ‚ zauwaÅ‚yliÅ›my, wystÍ- silników BLDC i VCM,
JeÅ‚eli zastosujemy sekwencjÍ puje przesuniÍcie o 1/8 kroku po- - www.compumotor.com - strona
A+, B-, A-, B+, to wirnik wy- miÍdzy pozycjami wirnika w za- firmy Parker Motion & Control,
kona 4 kroki w lewo. Przy ste- lełności od tego, czy zasilane są która opracowała doskonały
rowaniu falowym uzwojenia za- obydwa uzwojenia, czy tylko je- poradnik Motor Technologies.
Rys. 27
silane sÄ… naprzemiennie, co dno. TÍ wÅ‚aÅ›ciwośĘ moÅ‚na wy-
uniemoÅ‚liwia uzyskanie duÅ‚ego korzystaĘ do sterowania pÛÅ‚kro- Dalsze zwiÍkszenie rozdziel-
jest znacznie wiÍkszy niÅ‚ w sta- momentu obrotowego. kowego. JeÅ‚eli na przemian bÍ- czoÅ›ci i pÅ‚ynnoÅ›ci ruchu silnika
nie bezprądowym - jest to tzw. W trybie sterowania pełnokro- dzie zasilane jedno lub dwa jest mołliwe poprzez sterowanie
moment trzymajÄ…cy. JeÅ‚eli teraz kowego prÄ…d pÅ‚ynie jednoczeÅ›nie uzwojenia, to za kaÅ‚dym razem mikrokrokowe. PowrÛĘmy do
przeÅ‚Ä…czymy zasilanie z uzwoje- przez obydwa uzwojenia silnika. wirnik obrÛci siÍ o 15o, czyli ukÅ‚adu sterowania z rys. 26,
nia A na B (zmieniajÄ…c odpo- W takim przypadku wirnik usta- poÅ‚owÍ kroku. WadÄ… takiego roz- lecz przy zaÅ‚oÅ‚eniu IB = IA.
wiednio polaryzacjÍ), to wirnik wia siÍ tak, aby jego zÍby znaj- wiÄ…zania jest zmienny moment Pozycja wirnika nie bÍdzie wte-
obrÛci siÍ w prawo o kÄ…t 30o dowaÅ‚y siÍ pomiÍdzy zÍbami sto- obrotowy - co drugi krok bÍdzie dy symetryczna, lecz przesuniÍ-
wykonujÄ…c jeden krok (rys. jana (rys. 26a), pozycja wirnika ìsÅ‚abszyî, ale w niektÛrych za- ta w kierunku uzwojenia A.
25b). Ponowne przeÅ‚Ä…czenie na jest przesuniÍta o 1/8 kroku w sto- stosowaniach jest to dopuszczal- ZmieniajÄ…c odpowiednio stosu-
ne (zaletÄ… takiego sterowania jest nek natÍÅ‚eÒ prÄ…du w uzwoje-
poprawa płynności ruchu przy niach A i B, mołna uzyskaĘ do-
maÅ‚ych prÍdkoÅ›ciach obroto- wolnÄ… liczbÍ poÅ›rednich poÅ‚o-
wych). Znacznie lepsze jest ste- Å‚eÒ wirnika pomiÍdzy pozycja-
rowanie pÛÅ‚krokowe ze zmien- mi ìpeÅ‚nokrokowymiî. JeÅ‚eli
nym prądem - gdy zasilane jest prąd w kałdym uzwojeniu mołe
tylko jedno uzwojenie, to natÍ- przyjmowaĘ jednÄ… z dwÛch war-
Å‚enie prÄ…du jest wiÍksze o ok. toÅ›ci, to mamy 3 kombinacje
40%. WiÍksze natÍÅ‚enie prÄ…du (IA>IB, IA=IB, IAwyrÛwnuje moment obrotowy nÍ poÅ‚oÅ‚enia o 1/4 kroku, przy
dla wszystkich krokÛw. 3 wartoÅ›ciach natÍÅ‚enia prÄ…du -
1
Na rys. 27 przedstawiono /8 kroku itd. Sterowniki o du-
graficznÄ… ilustracjÍ przepÅ‚ywu Å‚ej rozdzielczoÅ›ci pozwalajÄ…
prądu przez uzwojenia dla ste- uzyskaĘ nawet do 500 mikrokro-
rowania peÅ‚nokrokowego (a), kÛw (czyli 100000 krokÛw na
pÛÅ‚krokowego ze staÅ‚ym prÄ…dem obrÛt dla silnika 200-krokowe-
(b) i pÛÅ‚krokowego ze zmien- go). W takim przypadku wykres
nym prÄ…dem (c). prÄ…du w uzwojeniach przypomi-
PowyÅ‚szy opis dotyczyÅ‚ mo- na dwie sinusoidy przesuniÍte
delu silnika o bardzo maÅ‚ej roz- wzglÍdem siebie o 90o (rys. 29)
dzielczoÅ›ci, rzeczywiste silniki i sposÛb sterowania zaczyna
majÄ… znacznie wiÍkszÄ… liczbÍ przypominaĘ synchroniczny sil-
zÍbÛw wirnika i stojana. nik prÄ…du zmiennego. W prakty-
Na rys. 28 przedstawiono ce jest mołliwe zasilanie silni-
schemat budowy silnika hybry- ka krokowego z 1-fazowej sieci
dowego z krokiem 1,8o, co daje prądu zmiennego (oczywiście
200 krokÛw/obrÛt. Wirnik ma przez transformator obniÅ‚ajÄ…cy
nadal dwie sekcje przesuniÍte napiÍcie). W tym celu jedno
wzglÍdem siebie, ale w kaÅ‚dej uzwojenie Å‚Ä…czy siÍ z zasilaniem
sekcji znajduje siÍ po 50 zÍ- bezpoÅ›rednio, a drugie - przez
bÛw. Stojan jest 8-biegunowy, kondensator o pojemnoÅ›ci kilku
po 5 zÍbÛw na kaÅ‚dym biegu- mikrofaradÛw. PrÍdkośĘ obroto-
nie. Uzwojenia A i B są podzie- wa silnika zaleły od jego kro-
lone na 4 pasma i nawiniÍte ku znamionowego i od czÍstotli-
w sposÛb zaznaczony na rysun- woÅ›ci sieci (dla 50 Hz i kroku
ku. Odpowiedni stosunek licz- 1,8o bÍdzie to 60 obr./min).
by i rozstawu zÍbÛw wirnika Moment obrotowy przy pra-
i stojana powoduje, łe przy cy mikrokrokowej zaleły od su-
przeÅ‚Ä…czeniu prÄ…du z uzwojenia my prÄ…dÛw uzwojeÒ A i B, czy-
A do B nastÍpuje obrÛt pola li bÍdzie siÍ zmieniaÅ‚ dla po-
magnetycznego o 45o, ale wir- szczegÛlnych mikrokrokÛw.
nik obraca siÍ tylko o 1,8o. Jacek Przepiórkowski
Elektronika Praktyczna 2/2004
100