PAŃSTWOWA WYŻSZA SZKOŁA ZAWODOWA INSTYTUT POLITECHNICZNY
2004/2005	LABORATORIUM Z AUTOMATYKI I STEROWANIA
Ćwiczenie nr 3	BADANIE SILNIKA KROKOWEGO
Budowa i Eksploatacja Maszyn ST. Zaoczne Semestr III	Dyksik Arnold Stefaniak Łukasz Kania Mateusz
Data wykonania		Data	Ocena	Podpis
2005-06-16	T
	S

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z budową, zasadą działania silnika krokowego oraz zapoznanie się zew sterownikiem silnika krokowego.

2. Zasada działania silnika krokowego

1. zasada działania silnika krokowego.

Silnik krokowy jest urządzeniem elektromechanicznym, które przekształcą impulsy elektryczne w dyskretne ruchy mechaniczne. Os silnika krokowego obraca się o niewielkie przyrosty kata 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 sekwencja podawanych impulsów, prędkość obrotów zależy od częstotliwości tych impulsów, a kat obrotu - od ich ilości.

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

2. zalety silników krokowych

1.Kat obrotu silnika jest proporcjonalny do ilości impulsów wejściowych.
2.Silnik pracuje z pełnym momentem w stanie spoczynku (o ile uzwojenia są zasilane).
3.Precyzyjne pozycjonowanie i powtarzalność ruchu - dobre silniki krokowe maja dokładność ok. 3-5% kroku i błąd ten nie kumuluje się z kroku na krok.
4.Mozliwosc bardzo szybkiego rozbiegu, hamowania i zmiany kierunku.
5.Niezawodne - ze względu na brak szczotek. Żywotność silnika zależy, zatem tylko od żywotności łożysk.
6.Zaleznosc obrotów silnika od dyskretnych impulsów umożliwia sterowanie w pętli otwartej, przez co silnik krokowy jest łatwiejszy i tańszy w sterowaniu.
7.Mozliwosc osiągnięcia bardzo niskich prędkości synchronicznych bezpośrednio na osi.
8.Szeroki zakres prędkości obrotowych uzyskiwany dzięki temu, ze prędkość jest proporcjonalna do częstotliwości impulsów wejściowych.

c) wady silników krokowych

1.Rezonanse mechaniczne pojawiające się przy niewłaściwym sterowaniu.
2.Trudnosci przy pracy z bardzo dużymi prędkościami.

3. rodzaje silników krokowych

- Silnik o zmiennej reluktancji VR (Variable Reluctance)

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.

- Silnik z magnesem trwałym PM (Permanent Magnet)

Silnik ten często zwany silnikiem kubkowym, jest tani, charakteryzuje się niska rozdzielczością (48-24 kroków na obrót). Jak nazwa wskazuje, silniki z magnesem trwałym maja w swej strukturze magnesy trwale. Inaczej niż w silnikach o zmiennej reluktancji, rotor nie posiada zębów, lecz jest namagnesowany naprzemiennie biegunami N i S tak, iż bieguny te są usytuowane w linii prostej, równoległej do osi rotora. Namagnesowane bieguny rotora wpływają na zwiększenie indukcji magnetycznej, dlatego silniki z magnesem trwałym w porównaniu z silnikami o zmiennej reluktancji maja lepsza charakterystykę momentowa.

- Silnik hybrydowy HB (HyBrid)

Silnik hybrydowy jest bardziej kosztowny niż silnik z magnesem trwałym, ale ma lepsze parametry jeśli chodzi o rozdzielczość, moment i szybkość. Typowa rozdzielczość 100-400 kroków na obrót. Silnik hybrydowy łączy w sobie zalety silnika ze zmienna reluktancją i silnika z magnesem trwałym. Rotor ma wiele zębów jak w silnikach VR i posiada osiowo namagnesowane magnesy umieszczone koncentrycznie wokół osi. Zęby rotora zapewniają lepsza drogę przepływowi magnetycznemu, co dalej polepsza charakterystyki momentu spoczynkowego i dynamicznego w porównaniu z silnikami VR i PM.

- silnik bipolarny

Silnik bipolarny poznaje się po tym, iż ma 4 przewody wyjściowe. Cykl składa się z 4 kroków, po czym sekwencja jest powtarzana. W silnikach bipolarnych należy zwrócić uwagę na to, ze występują stany zabronione, np., gdy pracują T1 i T3, w tym wypadku jest duże prawdopodobieństwo, iż zostanie uszkodzone sterowanie.

Tranzystor	T2 i T3	T1 i T4	T6 i T7	T5 i T8
Krok 1	1	0	1	0
Krok 2	0	1	1	0
Krok 3	0	1	0	1
Krok 4	1	0	0	1

Aby silnik obracał się w jednym kierunku należy zastosować kroki w kolejności 1,2,3,4 i następnie powtarzać ta kolejność, aby silnik obracał się w stronę przeciwna, należy podawać kroki w odwrotnej, kolejnosci czyli 4,3,2,1.

3. Przebieg ćwiczenia

a) zapoznanie się Indeksem indekserem MI 1.3.2

Indekser MI 1.3.2 jest uniwersalnym urządzeniem pośredniczącym we współpracy z programem sterującym WINSMC i szeroką gamą programowalnych i nieprogramowalnych sterowników silników krokowych. Może przejąć na siebie realizację zadań związanych z ruchem lub pozycjonowaniem na obiekcie. Szczególnie przydatny okaże się wszędzie tam, gdzie zachodzi konieczność cyklicznego wykonywania skomplikowanych, powtarzalnych sekwencji ruchów o wielu parametrach (zarówno pozycji jak i prędkości). W wersji z łączem RS 485 i dodatkowym modułem translatora sygnałów AD 31, możliwa jest współpraca PC z wieloma indekserami i sterownikami silników krokowych.

b) zapoznanie się z programem WINSMC

Przeznaczeniem programu WINSMC jest tworzenie programów sterujących silnikami krokowymi, podłączonych do sterowników firmy WObit. Lista współpracujących sterowników znajduje się w głównym spisie opcji pomocy programu.

WINSMC umożliwia tworzenie i testowanie programów za pomocą komputera przed ostatecznym załadowaniem ich do sterownika.

3. podstawowe komendy sterowania używane w programie WINSMC

Komendy sterowania dzielimy na trzy zasadnicze grupy:

Komendy sterujące programu ñ instrukcje niezwiązane bezpośrednio z ruchem silnika, umożliwiające poruszanie się po programie, kontrolujące dostępne porty wejścia/wyjścia itp.

Czekaj - czekaj określony czas;

Skocz - skok bezwarunkowy;

Skocz, jeśli - skok warunkowy;

Ustaw wyjście - kontrola dostępnych portów wyjściowych;

Zeruj pozycję - zerowanie licznika pozycji;

Wywołaj - wywołaj podprogram - w przypadku sterownika ZD100

4. komendy definiujące

Podział - ustalenie podziału krokowego;

Prędkość startowa, prędkość maksymalna, przyspieszenie - parametry wg definiujące rozpoczęcie ruchu, ruch, hamowanie silnika.

Komendy ruchu - komendy bezpośrednio oddziaływujące na ruch silnika:

Stała prędkość - ruch ze stałą zadaną prędkością w krokach/s lub obr./s;

Znajdź HOME - szukaj punktu odniesienia HOME;

Znajdź pozycję - przesuń silnik do zadanej pozycji.

Hamuj - hamuj silnik poruszający się ze stałą prędkością.

5. przykładowy program pierwszy

Silnik cyklicznie, co 2 sekundy wykonuje ruch w prawo o 200 kroków w podziale 1/4, co odpowiada 1/4 pełnego obrotu (silnik o parametrze 200 kroków na obrót przy pełnym podziale).Jednocześnie ruch silnika sygnalizowany jest niskim stanem na wyjściu OUT 1.

00> Podział 1/4

01> Ustaw wyjście OUT 1 - HIGH «1»

02> Prędkość startowa 20.00 krok/s

03> Prędkość maksymalna 1500.00 krok/s

04> Przyspieszenie 25 kroków

05> Zeruj licznik pozycji

06> Ustaw wyjście OUT 1 - LOW «0»

07> Znajdź pozycję 200.00 kroków

08> Ustaw wyjście OUT 1 - HIGH «1»

09> Czekaj 20*0.1sek

10> Skocz do 5 linii

11> Koniec - zwróć 0

6. przykładowy program drugi

Modyfikacja programu 1. Silnik cyklicznie, co 2 sekundy wykonuje ruch w prawo lub w lewo o 200 kroków w podziale 1/4, co odpowiada 1/4 pełnego obrotu w zależności od stanu na wejściu PORT 1. Ruch silnika sygnalizowany jest niskim stanem na wyjściu OUT 1.

Jednocześnie sprawdzany jest stan portu wejściowego PORT 2.

Podanie stanu ON powoduje zakończenie działania programu.

00> Podział 1/4

01> Ustaw wyjście OUT 1 - HIGH «1»

02> Prędkość startowa 20.00 krok/s

03> Prędkość maksymalna 1500.00 krok/s

04> Przyspieszenie 25 kroków

05> Zeruj licznik pozycji

06> Skok, do 15 jeśli PORT 2 ON

07> Ustaw wyjście, OUT 1 - LOW «0»

08> Skok, do 11 jeśli PORT 1 ON

09> Znajdź pozycję 200.00 kroków

10> Skocz do 12 linii

11> Znajdź pozycję - 200.00 kroków

12> Ustaw wyjście OUT 1 - HIGH «1»

13> Czekaj 20*0.1sek

14> Skocz do 5 linii

15> Koniec - zwróć 0

4. Wnioski

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.

Silnik krokowy jest silnikiem synchronicznym. Oznacza to, że stabilne położenie zatrzymania rotora jest zsynchronizowane z polem magnetycznym stojana. Obroty rotora uzyskuje się przez obracanie pola - rotor podąża do nowego położenia stabilnego. Moment wytwarzany przez silnik jest funkcją momentu spoczynkowego i odległości pomiędzy polem magnetycznym stojana a pozycją rotora.

Kiedy silnik krokowy jest sterowany w sposób pełno- lub półkrokowy, pole magnetyczne stojana obraca się odpowiednio o 90 i 45 stopni elektrycznych na każdy krok silnika. Z powyższego wynika, że w silniku powstaje moment pulsujący, co obrazuje rysunek 1. Pokazuje on również wahania prędkości wywołane wahaniami momentu.

Kiedy silnik sterowany jest przy niskich częstotliwościach z pełnym krokiem lub półkrokiem ruch staje się nieciągły i charakteryzuje się dużym poziomem zakłóceń i drgań. Ma to miejsce przy częstotliwościach poniżej naturalnej częstotliwości układu. W takim przypadku mikrokrok pozwala w łatwy i bezpieczny sposób rozszerzyć zakres częstotliwości w dół do 0 Hz. Zwykle jest wtedy konieczne zastosowanie podziału krokowego większego niż 1/32 pełnego kroku. Przy tak małym kroku energia przekazana rotorowi przy jednym kroku elektrycznym wynosi tylko 0,1 % energii pełnego kroku i jest tak mała, że może być z łatwością pochłonięta przez wewnętrzne tarcie w silniku. Nie powstają wtedy żadne drgania ani silnik nie wybiega w danej chwili poza swoje pożądane położenie. Odchylenie kolejnych pozycji mikrokrokowych rotora od linii prostej zależy wtedy od użycia nieskompensowanych przebiegów wejściowych sinus / cosinus.

Silnik krokowy zależnie od częstotliwości taktowania może pracować w trybie start-stopowym dla niskich częstotliwości a powyżej pewnej granicy w trybie synchronicznym.

Przy zwiększaniu częstotliwości taktowania przechodząc od pracy start - stopowej do obrotów synchronicznych, praca silnika nagle staje się cichsza. Częstotliwość przejścia zależy od bezwładności układu napędzanego wraz z silnikiem (Moment bezwładności zredukowany).

Zwiększając dalej częstotliwość taktowania dochodzimy do momentu, kiedy silnik zatrzymuje się. Silnik nie rusza ponownie nawet po zdjęciu obciążenia. Podobnie w całym zakresie pracy synchronicznej przeciążenie silnika powoduje jego zatrzymanie (nazywa się to wypadnięciem faz i towarzyszy mu charakterystyczne buczenie). Zmniejszenie obciążenia nie powoduje startu silnika. Aby silnik uruchomić ponownie należy zmniejszyć częstotliwość taktowania do zakresu start-stopowego.

---