Silnik krokowy

Rafał Sadowski [e-mail]
styczeń 2001

Silnik krokowy jest to silnik przekształcający ciąg sterujących impulsów elektrycznych na ciąg przesunięć kątowych jego wirnika, lub w przypadku silników liniowych przesunięcie liniowe biegnika. Droga kątowa lub liniowa, którą przebywa wirnik lub biegnik), jest proporcjonalna do liczby impulsów a prędkość części ruchomej silnika do częstotliwości tych impulsów. Silnik przetwarza sygnał sterujący na ustalone położenie wału bezpośrednio.

Silniki krokowe pracują w sposób dyskretny � pozwalają zamienić ciąg impulsów sterujących na równą im liczbę skoków � każdy o stały, charakterystyczny dla każdego silnika kąt. W przerwach pomiędzy kolejnymi impulsami sterującymi, wirnik silnika krokowego zachowuje ostatnio osiągnięte położenie równowagi.

Ze względu na dużą niezawodność, możliwość zmiany kierunku, prostotę sterowania oraz to, że silnik krokowy stanowi przetwornik informacji cyfrowej na dyskretnie zmieniające się położenie kątowe lub liniowe, są one stosowane do napędzania różnego rodzaju urządzeń pozycjonujących, w przetwornikach położenia, w których kąt obrotu jest proporcjonalny do liczby impulsów sterujących podawanych na wejście komutatora silnika oraz do współpracy z cyfrowymi układami zasilania.

Impuls sterujący powoduje, że uzwojenia silnika zostają zasilone (za pomocą komutatora), odpowiednim układem napięć, które są utrzymywane na nim najczęściej aż do pojawienia się następnego impulsu sterującego, powodującego zmianę tych napięć. Wywołuje to zmianę rozpływu prądu płynącego w uzwojeniu, co wiąże się ze zmianą kierunku strumienia magnetycznego, czego konsekwencją jest obrót silnika o pewien kąt nazywany skokiem. Liczba układów napięć zasilających (stanów wejść) po przekroczeniu której zaczynają się one powtarzać nazywana jest cyklem komutacji, natomiast każdy ze stanów wejść nazywany jest taktem komutacji.

Do zalet silników krokowych możemy zaliczyć: łatwość sterowania prędkością, możliwość zmiany kierunku, dużą niezawodność oraz prostotę sterowania. Cechami charakterystycznymi silników krokowych są: zajmowanie przez wirnik ustalonych położeń odległych od siebie o wielokrotność skoku, rozwijanie prawie stałych momentów w szerokim zakresie prędkości obrotowej oraz występowanie momentu sprowadzającego wirnik do ustalonego położenia.

Zasada działania silnika krokowego o wirniku czynnym:

Silnik krokowy o wirniku czynnym posiada wirnik wytwarzający strumień magnetyczny oraz stojan z uzwojeniem sterującym. Wirnik silnika stanowią magnesy trwałe. Na stojanie znajdują się bieguny, na których są umieszczone pasma uzwojenia. Do pasm uzwojenia sterującego podawane są impulsy. Pod wpływem wytworzonego momentu synchronizującego po każdym impulsie wirnik obraca się o kąt skoku. Każdemu impulsowi odpowiada określone położenie. Wirnik silnika, który jest spolaryzowany dwubiegunowo zajmie takie położenie, by jego strumień miał kierunek zgodny z kierunkiem strumienia stojana.

Ponieważ na stojanie znajdują się dwa pasma uzwojenia sterującego, a wirnik ma dwa bieguny, więc wartość skoku tego silnika można obliczyć, korzystając ze wzoru: 
gdzie p - liczba par biegunów, m - liczba pasm uzwojenia sterującego.

Rozpatrywany silnik skokowy ma komutację czterotaktową; czterem taktom odpowiada pełen cykl komutacji, czyli cykl przywracający pierwotne położenie.

Wzór na wartość skoku: 
gdzie k = 2m jest liczbą taktów w jednym cyklu.

Przykładowe 3 takty z pracy silnika:

1)                     2)                     3)

p>Przebiegi napięć pasmowych:

Zapis schematu komutacji:

(+1) - (+2) - (-1) - (-2) - (+1)

Zasada działania silnika krokowego o wirniku biernym.

Silnik krokowy o wirniku reluktancyjnym ma uzębiony wirnik z miękkiej magnetycznie stali oraz stojan z trzema pasmami uzwojenia, zasilanymi z układu elektronicznego zgodnie z cyklogramem impulsów. Linie pola magnetycznego zamykają się w obwodzie dążąc do tego, aby reluktancja (opór magnetyczny) była jak najmniejsza. W ten sposób powstaje moment obrotowy , zwany reluktancyjnym, który dąży do ustawienia wirnika w położeniu, w którym linie sił pola magnetycznego mają ten sam kierunek z osią wirnika.

Wartość skoku tego silnika:
      360° / 2× 3× 2 = 360° /12 = 30°

Gdzie: z - liczba zębów silnika, n - współczynnik równy 1 przy indywidualnym włączeniu pasm, 2 przy jednoczesnym włączeniu uzwojeń.

Zapis komutacji silnika: (1) - (1-2) - (2) - (2-3) - (3) - (3-1)

Jest to komutacja niesymetryczna, sześciotaktowa.

 Przykładowe 3 takty z pracy silnika:

1)                   2)                   3)

Przebiegi napięć pasmowych:

Sposoby komutacji.

Możemy podzielić komutację na symetryczną, przy której w każdym takcie cyklu wzbudzana jest równa liczba pasm uzwojenia, oraz niesymetryczną, która ma miejsce w przypadku, gdy kolejnym taktom odpowiada różna ilość pasm.

Komutacja symetryczna 4-taktowa o długości impulsu T/4:

Komutacja 4-taktowa o długości impulsu T/2 :

Komutacja niesymetryczna 8-taktowa, długość impulsu 3T/8:


 
 

Przy komutacji niesymetrycznej, porównując ją z symetryczną, zwiększa się dwukrotnie liczba taktów w cyklu, co prowadzi w efekcie do zmniejszenia się dwukrotnie skoku wirnika silnika.

Liczba taktów k w cyklu komutacji zależy od liczby niezależnych pasm uzwojenia m, oraz od sposobu komutacji:

K = mn₁n₂

Gdzie: n₁ = 1 dla komutacji symetrycznej lub

2 dla komutacji niesymetrycznej.

N₂ = 1 dla komutacji stałobiegunowej lub

2 dla komutacji zmiennobiegunowej.

Dane techniczne silnika krokowego typu PFC25-48 (prod. Nippon Pulse):

Liczba uzwojeń: 2 pary

Moment obr.: 10 mNm

Liczba kroków/obr.: 48

Kąt kroku: 7,5°
 

---