Silniki krokowe

Silnik krokowy jest urządzeniem elektromechanicznym, które przekształca impulsy elektryczne w dyskretne ruchy mechaniczne. Oś silnika krokowego obraca się o niewielkie przyrosty kąta pod wpływem impulsów elektrycznych, podawanych w odpowiedniej kolejności. Obroty silnika są związane bezpośrednio z podawanymi impulsami na kilka sposobów. Kierunek obrotów osi jest ściśle związany z sekwencją podawanych impulsów, prędkość obrotów zależy od częstotliwości tych impulsów, a kąt obrotu - od ich ilości. Czeste zastosowanie silników krokowych można zaobserwować w automatyce przemysłowej (ciekawy opis podstaw w serwisie milf  )

 

RODZAJE SILNIKÓW KROKOWYCH I ICH WŁAŚCIWOŚCI

 Rodzaj zastosowanego silnika jego budowa oraz  wynikające z tego różne możliwe sposoby sterowania sprawiają , że konstruując sterownik należy wziąć pod uwagę właściwości poszczególnych rodzajów silników ponieważ cechy silnika ściśle rzutują na sposoby rozwiązania sterowania a w konsekwencji na właściwości całego układu napędowego.

W niniejszym opisie omówiono różne rodzaje silników krokowych i ich właściwości. Poruszono zagadnienia z różnymi stanami pracy silników, możliwymi sposobami sterowania oraz sposoby eliminacji niekorzystnych zjawisk występujących podczas ich pracy a w szczególności ograniczenia drgań i rezonansów.

 

BUDOWA SILNIKÓW KROKOWYCH I ICH WŁAŚCIWOŚCI

 

Obecnie istnieje duża liczba różnorodnych typów silników krokowych i jest możliwe pojawienie się nowych. W chwili obecnej wydaje się być aktualna klasyfikacja przedstawiona na rysunku poniżej.

Zalety i wady silników krokowych.

 

Zalety: 

Kąt obrotu silnika jest proporcjonalny do ilości impulsów wejściowych.

Silnik pracuje z pełnym momentem w stanie spoczynku (o ile uzwojenia są zasilane).

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

Możliwość bardzo szybkiego rozbiegu, hamowania i zmiany kierunku.

Niezawodne - ze względu na brak szczotek. żywotność silnika zależy zatem tylko od żywotności łożysk.

Zależność obrotów silnika od dyskretnych impulsów umożliwia sterowanie w pętli otwartej, przez co silnik krokowy jest łatwiejszy i tańszy w sterowaniu.

 Możliwość osiągnięcia bardzo niskich prędkości synchronicznych obrotów z obciążeniem umocowanym bezpośrednio na osi.

Szeroki zakres prędkości obrotowych uzyskiwany dzięki temu, że prędkość jest proporcjonalna do częstotliwości impulsów wejściowych.

Jedną z najbardziej znaczących zalet silnika krokowego jest możliwość dokładnego sterowania w pętli otwartej. Praca w pętli otwartej oznacza, że nie potrzeba sprzężenia zwrotnego - informacji o położeniu. Takie sterowanie eliminuje potrzebę stosowania kosztownych urządzeń sprzężenia zwrotnego, takich jak enkodery optoelektroniczne. Pozycje znajduje się zliczając impulsy wejściowe.

 

 Wady: 

Rezonanse mechaniczne pojawiające się przy niewłaściwym sterowaniu.

Trudności przy pracy z bardzo dużymi prędkościami.

Podstawowe rodzaje silników krokowych to:

 

Silniki o zmiennej reluktancji

Silniki z magnesem trwałym

Silniki hybrydowe

Silnik o zmiennej reluktancji VR (od ang. Variable Reluctance)

 

  Najbardziej ogólny podział silników krokowych dotyczy podziału ze względu na rodzaj ruchu na silniki wirujące i liniowe

Silnik o zmiennej reluktancji

Ten typ silnika był przez długi czas bardzo popularny. Jest on chyba najprostszy ze strukturalnego punktu widzenia.

 

Silnik taki składa się z rotora o wielu zębach wykonanego z miękkiej stali i uzwojonego stojana. Kiedy uzwojenia stojana są zasilane prądem stałym, bieguny namagnesowują się. Ruch pojawia się na skutek przyciągania zębów rotora przez zasilane bieguny stojana.

 

Oprócz szeroko stosowanych jednosegmentowych silników krokowych często bywają stosowane silniki wielosegmentowe. Wśród jednosegmentowych silników krokowych o wirniku reluktancyjnym rozróżnić można takie, w których na jeden biegun stojana przypada jeden ząb wirnika i takie, w których na jeden biegun stojana przypada kilka zębów wirnika. Obydwie odmiany mogą być wykonana w wariancie symetrycznym bądź niesymetrycznym. W budowie symetrycznej uzwojenia dwóch przeciwległych biegunów tworzą pasmo natomiast budowa niesymetryczna charakteryzuje się tym, że całe uzwojenie jednego pasma jest umieszczone na jednym biegunie. Działanie silnika skokowego o wirniku reluktancyjnym opiera się na wykorzystaniu momentu reluktancyjnego. Silnik ten składa się z rotora o wielu zębach wykonanego z miękkiej stali i uzwojonego stojana. Kiedy uzwojenia stojana są zasilane stałym prądem, bieguny namagnesowują się. Ruch pojawia się na skutek przyciągania zębów rotora przez zasilane bieguny stojana. Zasadę działania przedstawia poniższy rysunek .

 

Strumień w obwodzie magnetycznym  opisany jest wzorem

 f=I_z / R _m

i jest funkcją przepływu Iz oraz reluktancji magnetycznego wykazują  linie pola dążenie do zamknięcia w obwodzie o najmniejszej reluktancji. W ten sposób powstaje moment obrotowy, który dąży do ustawienia  wirnika w położeniu  q = 0.

Widok  silnika reluktancyjnego przedstawiono poniżej.

 

Prądnice tachometryczne

            Prądnice tachometryczne generują napięcie proporcjonalne do prędkości obrotowej.  Prądnica tachometryczna prądu stałego to mała prądnica prądu stałego ze wzbudzeniem obcym, lub ze wzbudzeniem magnesem stałym. Napięcie wyjściowe takiej prądnicy dane jest wzorem:

Gdzie φ_wzb – strumień wzbudzenia, ω – prędkość obrotowa wirnika, R_t – opór twornika, R_psz-opór przejścia szczotek, R_obc – opór obciążenia.

Ze wzorru  wynika że największe nachylenie charakterystyki wyjściowej uzyskuje się dla nieskończenie dużego R_obc. Nachylenia te są rzędu 0,005 - ! V/rpm. Minimalne R_psz uzyskuje się przy zastosowaniu szczotek miedzianych. Szczotki muszą być ustawione w strefie neutralnej, w przeciwnym razie pojawi się tzw. asymetria napięciowa która sprawie, że nachylenie charakterystyki wyjściowej dla dodatnich i ujemnych prędkości wirowania nie jest identyczne. Zjawisko to jest związane z oddziaływaniem twornika i może występować przy R_obc < ∞. Zmiana temperatury zmienia rezystancję wzbudzenia, co prowadzi do zmiany prądu i strumienia wzbudzenia. Zmienia się więc nachylenie charakterystyki. Zmiany te ulegają ograniczeniu, jeśli prąd wzbudzenia jest na tyle wielki, że magnetowód  jest w stanie nasycenia. Wtedy zależność φ_w od prądu wzbudzenia jest prawie równa zero. W przypadku wzbudzenia magnesami trwałymi, φ_w nie zależy od temperatury.

Wadą prądnicy tachometrycznej prądu stałego jest pulsowanie napięcia wyjściowego wynikająca ze skończonej liczby działek komutatora.

Prądnica tachometryczna indukcyjna – na stojanie jest uzwojenie wzbudzenia zasilane prądem zmiennym o częstotliwości w granicach 400-500 Hz. Uzwojenia wyjściowe stojana dostarcza napięcia U_wy, o amplitudzie zależnej od prędkości wirnika zwartego lub w postaci aluminiowego kubka.

Działanie prądnicy. Zmienny prąd wzbudzenia I_w indukuje prądy we wirniku. Ich kierunki dla dI_w/dt>0 zaznaczonego wewnątrz wirnika. Strumień od tych prądów, podobnie jak od prądu I_w, nie koliduje  z uzwojeniem wyjściowym. Zatem przy ω=0 sem indukowana na wyjściu jest równa zeru. Jeżeli jednak np. ω>0 to we wirniku powstają także prądy od sem rotacji, o kierunkach zaznaczonych na zewnątrz wirnika. Strumień od tych prądów indukuje w uzwojeniu wyjściowym sem (o pulsacji Ω) zależną od ilorazu v=ω/Ω. Dla małych v zależność amplitudy sem od ω jest prawie liniowa, zatem może być wykorzystywana do pomiaru prędkości kątowej.

Mostek tachometryczny prądu stałego – za jego pomocą możemy mierzyć sem silnika wykonawczego prądu stałego, która, przy stałym strumieniu wzbudzenia, jest miarą prędkością obrotowej wirnika.

Parametry mostka dobiera się tak, aby przy ω=0 napięcie U_wy=0. Zatem zachodzi jak dla mostka Wheatstonea – R₂·R₃=R_t·R₁ lub R₃/R_t=R₁/R₂=h . Rozwiązując równania oczkowe:

e=k·ω

Mostek tachometryczny prądu przemiennego umożliwia sterowania prędkością dwufazowego silnika wykonawczego prądu przemiennego z jednoczesnym pozyskiwaniem informacji o aktualnej prędkości obrotowej silnika.

P arametry elementów mostka R₁, R₂, Z₃ dobieramy tak aby przy ω=0 napięcie U_wy było zerowe. Tak jest jeśli: R₁/R₂=Z₃/Z_s=h.

Okazuja się że napięcie wyjściowe można zapisać w postaci:

gdzie a,b,c,d są odpowiednimi współczynnikami zespolonymi. Dla spotykanych wartości parametrów silników wykonawczych współczynniki b oraz d są małe w porównaniu do a oraz c. Zatem amplituda napięcia wyjściowego jest w przybliżeniu proporcjonalna do prędkości obrotowej wirnika od napięcia sterowania U_s.

Transformatory położenia

kątowego

 

     Transformatory położenia kątowego dostarczają napięcia odwzorowującego aktualny kąt obrotu (położenia) wirnika.  Stojan, jak i wirnik zawierają po dwa jednakowe uzwojenia, których osie są prostopadłe względem siebie. Magnetowód i rozkład uzwojeń muszą być tak dobrane, aby indukcyjności stojan wirnik zawierają tylko jedną podstawową harmonikę.

Transformator położenia kątowego sinusowo-kosinusowy.

Uzwojenia stojana d zasilane jest prade  przemiennym. Uzwojenie stojana q jest zwarte (poprzez rezystancję). Zwarte (poprzez impedancje) są też uzwojenia wirnika, do których dostęp jest albo za pośrednictwem pierścieni ślizgowych, albo przewodów giętych. Jeżeli przyjąć, że prędkość kątowa przekręcania się wirnika w nowe położenie jest mała w porównaniu do pulsacji napięcia zasilania U_d, to indukowane w uzwojeniach sem rotacji można pominąć.  Pozostają tylko sem transformacji zależne od aktualnych sprężeń, zależnych z kolei od aktualnego kąta φ wirnika. W takiej sytuacji, do opisu matematycznego można się posłużyć metodą symboliczną sprowadzającą się do równań symbolicznych. Można obliczyć fazor napięcie wyjściowego:

gdzie:

U_D- fazor napięcia wejściowego, Z_a-Z_q – sumy odpowiednich impedancje, X – amplituda reaktancji wzajemnej stojana i wirnika, k – stosunek liczby zwojów wirnika do liczby zwojów stojana.

 Jeśli spełniony jest tzw. warunek kompensacji pierwotnej Z_d=Z_q lub wtórnej Z_a=Z_b, to w mianowniku wyrażenia znika zależność od sin²φ. Zatem amplituda napięcia wyjściowego U_{a wy} przy ustalonym napięciu U_d jest proporcjonalny do cosφ.  W taki sam sposób obliczone napięcie wyjściowe U_{b wy} jest proporcjonalne do sinφ.

Transformator położenia kątowego liniowego z kompensacją pierwotną.

 

Transformator ma w tym układzie dostarczać sygnał wyjściowy o amplitudzie wprost proporcjonalnej wprost do kąta φ. Funkcja f(α)=sinα/(1+m·cosα) dla m=0,5361 jest w przedziale (-60,60 st) liniowa z błędem nie przekraczającym jednego promila.

Transformator położenia kątowego-przesuwnika fazowego w wersji z dwoma napięciami zasilającymi przesuniętymi w fazie o 90 sopnit, w wersji b z jednym napięciem zasilającym.

 Dla wersji b

amplituda stała a jego faza jest funkcją liniowa kąta φ.

 

Widać, że napięcie wyjściowe ma stałą amplitudę, zaś faza zależy liniowo od kąta wirnika φ.

Transformator położenia kątowego – mikrosyna. Można go stosować gdy potrzebne jest odwzorowanie niewielkich kątów obrotu. Uzwojenie wejściowe jest zasilane prądem przemiennym I_we.

Działanie transformatora. Jeśli wirnik jest jak w położeniu na rysunku, to strumienie we wszystkich czterech biegunach są takie same. Zatem sem indukowane w uzwojeniu wyjściowym na biegunach pionowych znoszą się z sem indukowanymi na biegunach poziomych, ze względu na przeciwsobne połączone. Jeśli teraz wirnik wychyli się w kierunku φ, to wielkie zęby wirnika będą bardziej pokrywać bieguny pionowe niż poziome. Zatem sem indukowane w uzwojeniu na biegunach pionowych będą większe niż na biegunach poziomych. Różnica ta jest tym większa, im większa jest różnica pokryć obu biegunów pionowych i poziomych przez wielkie zęby wirnika. W sumie amplituda napięcia indukowanego w uzwojeniu wyjściowym zależy od φ w sposób liniowy dla niewielkich wartości kąta.