Podstawy sterowania silnikami krokowymi

Podstawy sterowania silnikami krokowymi 1. WSTP Nowoczesne technologie w rónych gałziach narzucaj coraz wysze wymagania na urzdzenia wchodzce w skład linii technologicznych. Wymagania jakie si stawia przed tymi urzdzeniami, to przede wszystkim wysoka wydajno, eliminacja obsługi i niezawodno. Wprowadzenie na szerok skal techniki mikroprocesorowej umoliwiło realizacj funkcji sterowania w znacznym stopniu w sposób programowy co uprociło budow sprztu i podniosło jego niezawodno. W wielu procesach technologicznych napd oraz pozycjonowanie urzdze wykonawczych jest nieodzownym elementem całego procesu. W napdach pozycjonujcych stosuje si najczciej silniki prdu stałego oraz silniki krokowe. Współczesne elementy wykonawcze urzdze pozycjonujcych coraz czciej wyposaone s w silniki krokowe, które nie wymagaj stosowania kosztownych i zawodnych mechanizmów krzywkowych i zapadkowych niezbdnych w przypadku napdów wykorzystujcych silniki prdu stałego. Powyszy fakt oraz łatwo sterowania silników krokowych za pomoc urzdze cyfrowych spowodował, e znajduj one coraz wiksze zastosowanie. Silniki krokowe mona spotka w robotach przemysłowych a take w coraz wikszej liczbie urzdze z którymi spotykamy si na co dzie. Opanowały one napdy dysków i dyskietek w komputerach, napdy głowic i wałków w drukarkach i maszynach do pisania, przesuwanie głowic laserowych w odtwarzaczach kompaktowych. Zagadnienia poruszane w tym opisie dotycz układów sterowania z silnikami krokowymi, budowy silników krokowych, ich właciwoci a w szczególnoci sterowania silników krokowych za pomoc układów mikroprocesorowych. 1

Według PN-87/E-01006 silnik krokowy jest to silnik przekształcajcy cig sterujcych impulsów elektrycznych na cig przesuni ktowych lub liniowych. Silnik krokowy wykonuje obrót o konkretne przyrosty pod wpływem impulsów elektrycznych podawanych w odpowiedniej kolejnoci. Obroty silnika s zwizane bezporednio z podawanymi impulsami. Jest to wic silnik o działaniu dyskretnym. Rys. 1. Przykładowe miniaturowe silniki krokowe Kierunek obrotu jest zwizany z sekwencj podawanych impulsów, natomiast prdko obrotów osi zaley od czstotliwoci tych impulsów a kt obrotu od ich iloci. Silnik krokowy nie moe pracowa bez elektronicznego układu sterowania. 2

Głównymi elementami układu sterowania silnika krokowego s: ródło impulsów, układ logiczny, stopie wyjciowy mocy i zasilacz prdu stałego. ródłem impulsów moe by generator impulsów, mikroprocesor, przetwornik sygnału cigłego na impulsy lub pami operacyjna. Układy sterowania urzdze wyposaonych w silniki krokowe, z uwagi na skomplikowane i rónorakie funkcje realizowane przez te urzdzenia, s coraz czciej sterownikami mikroprocesorowymi.sterowniki mikroprocesorowe z łatwoci mog przej rol wielu zespołów sterowania napdami krokowymi, a ponadto zapewni optymalizacj sterowania. 2. Podstawy wiedzy o silnikach krokowych: Silniki krokowe s cyfrowo sterowanymi napdami stosowanymi do pozycjonowania. Umoliwiaj łatw kontrol kta i prdkoci obrotowej w zakresie od zera do kilku tysicy obrotów na sekund zalenie od parametrów silnika i sterownika. Charakterystyczn cech silnika krokowego jest utrzymywanie rotora w okrelonej pozycji z pełnym momentem trzymajcym co oznacza stały pobór prdu, dlatego te silniki krokowe mimo postoju s niepokojco ciepłe. Zaleta łatwego pozycjonowania silnika stwarza wiele moliwoci aplikacji od automatyzacji w przemyle, poprzez urzdzenia z zakresu techniki medycznej, zastosowania w przemyle samochodowym do przemysłu zabawek i reklam. 2.1. Budowa silnika krokowego Silnik krokowy składa si z rotora i stojana. To włanie te dwa elementy odpowiedzialne s za jego rotacyjn prac. Wyróniamy kilka rodzajów napdów krokowych prdu stałego: o zmiennej reluktancji (VR), z magnesem stałym (PM), hybrydowy oraz tarczowy. 3

Silnik o zmiennej reluktancji posiada najprostsz budow przez co ma wielu zwolenników. Obecnie prym na rynku wiod silniki z magnesem stałym oraz hybrydowe. Te pierwsze s tasze, jednak napdy hybrydowe charakteryzuj si wysz rozdzielczoci i prdkoci obrotu i dlatego s najpopularniejsze. Silniki z magnesem stałym maj najczciej rozdzielczo 24-48 kroków na obrót. Silnik ze stałym magnesem zbudowany jest odmiennie. Rys. 2. Budowa silnika z magnesem stałym i hybrydowego Rotor nie posiada zbów, w zamian ma kształt walca namagnesowanego naprzemiennie wzdłu osi obrotu. Stojan znajduje si wokół rotora i składa si z elementów posiadajcych uzwojenia generujce bieguny na przeciwnych kocach elementu. Oba koce zakrzywione s do wewntrz tak, aby bieguny znajdowały si naprzeciwko biegunów na rotorze. 4

Namagnesowanie rotora pozwala na uzyskanie lepszego momentu. Silniki te s bardzo tanie w produkcji dziki zastosowaniu ferrytowych magnesów. Silniki hybrydowe s najnowoczeniejszym typem silników krokowych. Silnik hybrydowy jest bardziej kosztownym ni silnik z magnesem trwałym, cechuje si za to lepszymi parametrami jeli chodzi o rozdzielczo i szybko. Zasada działania silnika opiera si na tym, e magnes trwały umieszczony na wirniku lub na stojanie wytwarza jednako biegunowy strumie magnetyczny, który zamyka si w obwodzie magnetycznym: stojan szczelina powietrzna - wirnik. Po zasileniu uzwojenia stojana impulsem sterujcym, wzbudzony strumie magnetyczny pod jednym biegunem stojana dodaje si do strumienia magnesów trwałych, pod drugim za odejmuje si. Wirnik zostaje wprowadzony w ruch tak, by osie zbów stojana i wirnika bieguna o strumieniu wzmacniajcym pole magnetyczne pokryły si. Typowe kty silnika hybrydowego mieszcz si w zakresie 3,6º - 0,9º tj. 100-400 kroków na obrót. Silnik hybrydowy łczy w sobie zalety silnika ze zmienn reluktancj i silnika z magnesem stałym. Dodatkowo ich zalet jest osiganie wyszych momentów trzymajcych przy zblionych parametrach konstrukcyjnych. Rotor silnika ma wiele zbów i posiada osiowo namagnesowane magnesy umieszczone koncentrycznie wokół osi. Zby rotora zapewniaj lepsz drog przepływowi magnetycznemu, co polepsza charakterystyki momentu spoczynkowego i dynamicznego w porównaniu z silnikami z magnesem stałym i reluktancyjnymi. Rys. 3. Przykładowy silnik hybrydowy 5

2.2. Zasada funkcjonowania silnika krokowego Silniki krokowe działaj dziki odpychaniu i przyciganiu elektrycznie wytwarzanych biegunów magnetycznych wewntrz silnika. Silniki o zmiennej reluktancji, s najprostszymi silnikami krokowymi. Posiadaj one wirnik ze stali magnetycznej mikkiej i uzwojony stojan. Wirnik posiada wiele zbów wzdłu osi obrotu. Z tego wzgldu, e rotor nie wytwarza adnego pola magnetycznego, wystpuj trudnoci z ustaleniem połoenia rotora. Oscylacje w ustalaniu połoenia oraz niskie tłumienie wewntrzne silnika powoduje, e silniki te wpadaj w rezonans. Rys. 4. Przekrój poprzeczny silnika o zmiennej reluktancji Z tego powodu silniki te wymagaj odpowiedniego tłumienia dynamicznego lub elektrycznego. Impulsy elektryczne uzwoje stojana, powoduj odpowiednie namagnesowanie jego biegunów. Rotor dy do zminimalizowania oporu magnetycznego (reluktancji) pomidzy jego zbami, a stojanem. Inaczej mówic, kiedy uzwojenia s zasilane, w stojanie powstaje indukcja magnetyczna i rotor ustawia si tak, aby zamkn obwód magnetyczny. W ten sposób silnik wykonuje krok. Aby rotor silnika krokowego mógł si obraca, wymagane jest odpowiednie zasilanie uzwoje. Poniewa rotor nie jest zasilany, komutacji podlega jedynie stojan. Prd doprowadzany jest do faz silnika za pomoc zewntrznych komutatorów. Komutatory te mona traktowa jako przełczniki prdu. 6

Typowy dwufazowy silnik krokowy ma komutacj czterotaktow: 1. Po zasileniu cewki 1 napiciem o dodatniej biegunowoci, wytworzy ona strumie a wirnik zajmie połoenie by kierunek jego strumienia był zgodny z kierunkiem strumienia stojana, 2. Po zasileniu cewki 2 napiciem o dodatniej biegunowoci strumie zmieni kierunek o 90 0, co spowoduje obrót wirnika o ten sam kt, 3. Zasilajc cewk 1 napiciem o ujemnej biegunowoci otrzymamy strumie przemieszczony o kt 90 0 w porównaniu z taktem poprzednim, wirnik znów pody za t zmian tak jak to jest pokazane na rysunku poniej, 4. W ostatnim takcie zasilamy cewk 2 napiciem o ujemnej biegunowoci, w wyniku czego otrzymujemy analogiczny skutek jak w pozostałych taktach. Cały takt komutacji moemy zapisa w postaci: (+1) (+2) (-1) (-2). 7

W praktyce sterowanie odbywa si z pomoc odpowiednich kluczy tranzystorowych. Najprostszym przykładem wytwarzania momentu moe by dwufazowy silnik magnetoelektryczny. Rys. 5. Komutacja magnetoelektrycznego silnika krokowego Połoenie wirnika w funkcji stanów kluczy K1 i K2 W przypadku zastosowania silnika skokowego o wirniku biernym reluktancyjnym, który nie rozrónia zmiany zwrotu wektora strumienia naley zastosowa cztery pasma uzwojenia. 8

Układ komutacji takiego silnika jest pokazany poniej: a) b) Rys. 6. Komutator silnika skokowego: A,B,C,D - kolejne pasma silnika czteropasmowego, T - wejcie impulsów taktujcych, K - wejcie sygnału kierunku a) - wzbudzanie pasma A po pierwszym impulsie taktu na wejciu T b) - wzbudzanie pasma B po drugim impulsie taktu na wejciu T 9

W powyszym przypadku zmienialimy biegunowo napicia sterujcego, taki sposób jest nazywany komutacj bipolarn. Natomiast w przypadku niezmieniania biegunowoci mamy do czynienia z komutacj unipolarn. Pasma silnika mog by wzbudzane pojedynczo, parami lub według innych zasad dostosowanych do jego budowy (np. przy czterech pasmach moemy w omiu taktach zasila na przemian jedn lub dwie cewki). Jeli w czasie działania maszyny sposób ten nie jest zmieniany, mówi si o komutacji symetrycznej. Łatwo zauway e w przypadku komutacji niesymetrycznej, zwiksza si dwukrotnie liczba taktów w cyklu, a tym samym zmniejsza si dwukrotnie skok wirnika silnika. Przykładem moe by czsto stosowany sposób nazywany 1/4. Oznacza to, e w kadej chwili tylko jedno z pasm jest wzbudzane, a liczba wystpujcych kombinacji zasilania wynosi 4. Innym równie czsto stosowanym algorytmem zasilania jest 2/4, czyli tzw. zasilanie pasm parami. Jest to sposób pozwalajcy na lepsze wykorzystanie miedzi uzwojenia. Na rysunku poniej pokazano wyidealizowany wykres obrazujcy przebiegi prdów w pasmach silnika komutowanego w taki sposób. W przedstawionym przypadku przełczenie komutatora nastpuje pod wpływem ujemnego zbocza impulsu taktujcego. 10

u - napicie taktujce, t - czas, i A i D - prdy w pasmach A, B, C, D Rys. 7. Komutacja unipolarna czterech pasm parami wg algorytmu 2/4 (przebiegi wyidealizowane) i A, i B, - prdy w pasmach A i B Rys. 8. Komutacja bipolarna dwóch pasm parami wg algorytmu 2/4 (przebiegi wyidealizowane) 11

Aby uzyskiwa jak najmniejsze skoki wirnika moemy zwiksza liczb par biegunów wirnika lub liczb pasm uzwojenia, jest to jednak kłopotliwe ze wzgldów konstrukcyjnych. Innym sposobem moe by stopniowe przełczanie prdów w poszczególnych pasmach, co uzyskujemy metodami elektronicznymi. Przykład uzyskiwania mikroskoków jest pokazany poniej: i A, i B, - prdy w pasmach A i B Rys. 9. Komutacja bipolarna dwóch pasm parami z podziałem na mikroskoki (przebiegi wyidealizowane) Skutkiem tego wytwarzany przez te prdy wypadkowy strumie magnetyczny w stojanie równie stopniowo zmienia swoje połoenie ktowe. Na rysunku pokazano podział skoku na 5 mikroskoków. Podział taki, cho moliwy jak kady inny, bywa rzadko stosowany ze wzgldu na znaczne komplikacje układowe. Najczciej stosowane s podziały na 2 n czci, gdzie n - jest dowoln liczb naturaln. 12

2.3. Ogólny podział silników krokowych 2.3.1. Podział ze wzgldu na rodzaj ruchu Oprócz opisanych powyej silników krokowych obrotowych na rynku wystpuje równie gał napdów krokowych liniowych. Tak jak w przypadku silników obrotowych, najczciej spotykane s liniowe silniki skokowe reluktancyjne i hybrydowe, znacznie rzadziej elektrodynamiczne. Hybrydowy, liniowy napd krokowy składa si z ruchomego biegunnika i nieruchomego stojana. Na rys. 10 pokazany jest sposób zamiany ruchu obrotowego na liniowy. Silnik uzyskany w wyniku tej transformacji nazywany jest te silnikiem tubowym. Poniewa rotor w takiej maszynie nie wykonuje ruchu obrotowego, ale tylko liniowy, wic w dalszej czci pracy rotor bdzie okrelany słowem rdze. Silniki o ruchu liniowym znajduj zastosowanie jako: zamienniki dla siłowników hydraulicznych, elementy wykonawcze rónego rodzaju manipulatorów precyzyjne elementy wykonawcze dla manipulatorów mikroskopowych elementy wykonawcze w pomieszczeniach o duym rygorze czystoci (np. produkcja cyfrowych układów elektronicznych) Rys. 10. Transformacja silnika z ruchem obrotowym w silnik liniowy Silniki liniowe charakteryzuj si nastpujcymi cechami: bezporednie połczenie do sterowników PLC lub komputerów przemysłowych, cigł kontrola pozycji rdzenia podczas wykonywania ruchu, 13

bardzo dua dynamika ruchu, (cigłe cykliczne operacje mog by powtarzane z czstotliwoci > 15Hz), zwarta budowa, konstrukcja stojana zintegrowana z czujnikami oraz łoyskami, due długo rdzenia a w konsekwencji due zakresy ruchu silnika liniowego, przystosowany do pracy w trudnych warunkach przemysłowych. Silnik te s silnikami synchronicznymi, dwufazowymi z magnetycznym rdzeniem. Silnik liniowy firmy LinMot składa si z: statora (wzbudnika), który zawiera 2 uzwojenia, rdzenia magnetycznego, zbudowany jest on z małych magnesów umieszczanych jeden obok drugiego w osi rdzenia, czujnik połoenia rdzenia, moduł elektroniczny, który odpowiada za prawidłow prac silnika. Rys. 11. Budowa silnika liniowego firmy LinMot. Zalet liniowego silnika krokowego jest bezporednia zamiana impulsowych sygnałów wejciowych na przemieszczenie liniowe. Liniowe napdy skokowe maj wiksz dokładno i sprawno oraz lepsze charakterystyki dynamiczne w porównaniu z wirujcymi silnikami krokowymi w połczeniu z mechanizmami przetwarzania ruchu obrotowego na postpowy. 14

2.3.2. Podział ze wzgldu na rodzaje uzwoje silników krokowych Klasyfikacja napdów krokowych rozrónia ze wzgldu na ilo segmentów silniki jedno i wielosegmentowe. Zwikszenie iloci segmentów umoliwia uzyskanie, przy odpowiednim zasilaniu impulsami uzwoje segmentów, duej liczby skoków na jeden obrót. Z iloci segmentów zwizana jest cile ilo pasm uzwoje silnika. Naley zauway, e istniej dwa sposoby ułoenia pasm: symetryczne i niesymetryczne. W konstrukcji symetrycznej uzwojenia dwóch przeciwległych biegunów stojana tworz pasmo. Rozwizanie niesymetryczne charakteryzuje si tym, e całe uzwojenie jednego pasma jest umieszczone na jednym biegunie.!! "!! #! $ Silniki krokowe róni si pod wzgldem liczby pasm uzwojenia. Kade pasmo jest czci uzwojenia i jest zasilane impulsami. Rozrónia si jedno-, dwu-, trzy-, cztero- lub piciopasmowe silniki krokowe. Od liczby pasm zale w duej mierze właciwoci silnika krokowego. Wraz ze wzrostem liczby pasm, zwiksza si moment obrotowy i liczba skoków na obrót przy malejcej wartoci skoku. Zwikszenie liczby pasm powoduje zmniejszenie pulsacji momentu obrotowego w efekcie dobre tłumienie oscylacji i ograniczenie zjawiska rezonansu. 15

3. SPOSOBY STEROWANIA SILNIKÓW KROKOWYCH Rozpatrujc właciwoci silnika skokowego naley bra pod uwag nie tylko cechy wynikajce z budowy samego silnika ale trzeba bra pod uwag silnik wraz z układem sterowania jako cało. Rozpatrywanie samego tylko silnika daje obraz dalece niepełny. Układ sterowania odgrywa bowiem decydujc rol w kształtowaniu podanych charakterystyk silników krokowych. Zasadniczy rozwój silników krokowych zmierza w kierunku zwikszenia liczby skoków, sprawnoci i momentu obrotowego a zmniejszeniu inercji mechanicznej. O parametrach napdu skokowego decyduje konstrukcja mechaniczna danego obiektu i silnika, własnoci elektryczne i magnetyczne materiałów, z których wykonano silnik oraz sposób zasilania jego uzwoje i wreszcie algorytm sterowania. 3.1. STEROWANIE BIPOLARNE I UNIPOLARNE SILNIKÓW KROKOWYCH Wród silników krokowych mona wyróni dwa podstawowe typy: unipolarne i bipolarne. Rys. 12. Budowa silnika: a) unipolarnego, b) bipolarnego 16

Silnik bipolarny o dwóch fazach ma jedno uzwojenie na faz, natomiast unipolarny ma jedno uzwojenie z odczepem porodku. Istniej take silniki posiadajce po dwa uzwojenia na faz. Mog one pracowa zarówno w trybie unipolarnym jak i bipolarnym. Przy sterowaniu bipolarnym całe pasmo uzwojenia bierze jednoczenie udział w pracy natomiast przy sterowaniu unipolarnym jednoczenie jest włczona połowa pasma. Rys. 13. Sposoby sterowania silnika : a) unipolarnego b) bipolarnego W silniku bipolarnym do zmiany pola magnetycznego w rdzeniu wystarcza jeden przełcznik dwupozycyjny, lub dwa tranzystory włczane na przemian. W przypadku silnika unipolarnego do kluczowania prdu wystarczy jeden tranzystor na faz. 17

Sterowanie unipolarne zapewnia przepływ prdu w danym uzwojeniu tylko w jednym kierunku, podczas gdy sterowanie bipolarne zapewnia przepływ prdu w dwóch kierunkach. Zalet wariantu unipolarnego jest prostszy układ połcze i mniejsza liczba tranzystorów, wad za to,e jednoczenie pracuje tylko połowa uzwojenia, a zatem nie wytwarza si moment obrotowy o pełnej wartoci. Zalet sterowania bipolarnego jest dobre wykorzystanie momentu obrotowego dziki temu, e całe uzwojenie jest w stanie prdowym po otrzymaniu impulsu. Ogólnie rzecz biorc silniki bipolarne wymagaj bardziej rozbudowanego układu sterowania. Problem ten został rozwizany z chwil pojawienia si specjalizowanych scalonych układów mocy zawierajcych dwa kompletne mostki tranzystorowe mogce kluczowa znaczne prdy. 3.2. RODZAJE KROKU I ALGORYTMY KOMUTACJI Najpowszechniejsze rodzaje sterowania to: falowe, pełnokrokowe, półkrokowe, mikrokrokowe. Pierwsze trzy rodzaje nie wymagaj stosowania specjalnych układów energoelektrycznych. Najpopularniejsze silniki krokowe s dwufazowe, istniej jednak silniki trójfazowe i piciofazowe. Silniki dwufazowe dzielimy na unipolarne i bipolarne. W zwizku z tym wyróniamy konstrukcje z dwoma fazami i jednym, wspólnym odczepem po rodku dla unipolarnych lub z dwoma uzwojeniami i osobnymi odczepami dla bipolarnych. Unipolarne silniki nazywane s picio lub szeciu wyprowadzeniowymi. Bipolarne natomiast cztero i omio wyprowadzeniowymi. Fazy opisane s symbolami: A, A\, B, B\. 18

3.2.1.STEROWANIE FALOWE W sterowaniu falowym inaczej zwanym jednofazowym w danym momencie zasilana jest jedna faza. Kolejno ich pracy jest nastpujca A-B-A -B. Wynikiem tego rodzaju sterowania jest wykonanie pełnego kroku. Rys. 14. Połoenie wału silnika dla pracy jednofazowej Silniki falowe nazywane s silnikami unipolarnymi, co wynika włanie z iloci faz silnika wykorzystywanych jednoczenie. Dla silników o uzwojeniach unipolarnych i bipolarnych przy takich samych parametrach uzwoje taki sposób zasilania wywołuje te same połoenie mechaniczne. Wad takiego sposobu sterowania jest to, e silniki o uzwojeniach unipolarnych wykorzystuj tylko 25% a o uzwojeniach bipolarnych 50% całkowitego uzwojenia silnika w danej chwili czasu. Oznacza to, e nie wykorzystuje si maksymalnego momentu wyjciowego silnika. 19

3.2.2. STEROWANIE PEŁNOKROKOWE W sterowaniu dwufazowym inaczej pełnokrokowym w kadej chwili czasu zasilane s dwie fazy. Kolejno pracy opisuje si jako AB-A B-A B -AB. Wynikiem tego rodzaju sterowania s takie same ruchy jak przy sterowaniu jednofazowym z tym, e pozycja wirnika jest przesunita o pół kroku. Jednak dziki temu, e jednoczenie pracuj dwie fazy silnik uzyskuje dwukrotnie wikszy moment w porównaniu do sterowania jednofazowego bdcy odpowiednikiem 50% całkowitego uzwojenia silnika. Rys. 15. Połoenie wału silnika dla pracy pełnokrokowej (dwufazowej) Przy sterowaniu pełnokrokowym ruchy rotora s takie same jak przy falowym. 20

3.2.3. STEROWANIE PÓŁKROKOWE Sterowanie półkrokowe jest bardziej złoone od poprzednich dwóch rodzajów. Sterowanie półkrokowe jest kombinacj sterowania dwufazowego i jednofazowego Stojan zasilany jest naprzemiennie na jedn, a nastpnie dwie fazy. Daje to w efekcie dwukrotnie krótszy krok. Pozwala to na wyeliminowanie w duym stopniu najwikszej słaboci pozostałych dwóch rodzajów pracy, efektu rezonansu mechanicznego silnika w trakcie pracy. Schemat pracy w trybie półkrokowym opisuje si kolejno AB-B-A B-A -A B -B -AB -A. Rys. 16. Połoenia wału silnika dla pracy z ½ kroku 21

Silnik unipolarny 4-fazowy Przebieg górny pełny krok Przebieg dolny 1/2 kroku 22

Silnik 2-fazowy bipolarny Przebieg lewy pełny krok Przebieg prawy 1/2 kroku 23

3.2.4. STEROWANIE MIKROKROWE W sterowaniu mikrokrokowym prdy w uzwojeniach zmieniaj si płynnie rozbijajc w ten sposób pełen krok na wiele mniejszych kroczków. Praca z mikrokrokiem polega na obracaniu polem magnetycznym stojana w sposób bardziej płynny ni w sterowaniu pełno i półkrokowym powoduje to mniejsze drgania i umoliwia bezszumowe poruszanie silnika do poziomu czstotliwoci 0 Hz. Powodem rezonansu silnika jest pulsujce dostarczanie energii. Lekarstwem na to moe by mikrokrok. Silnik krokowy jest silnikiem synchronicznym. Oznacza to, e stabilne połoenia zatrzymania wirnika jest zsynchronizowane z polem magnetycznym stojana. Obroty wirnika uzyskuje si przez obracanie pola, wirnik poda do nowego połoenia stabilnego. Moment M wytwarzany przez silnik jest funkcj momentu spoczynkowego (moment trzymajcy) Ms i odległoci pomidzy polem magnetycznym stojana a pozycj wirnika Q r M = M s *sin(q s -Q r ) gdzie: Q s i Q r ktowa odległo wyraone w stopniach elektrycznych. Kiedy silnik sterowany jest w sposób pełno lub półkrokowy, pole magnetyczne stojana obraca si o odpowiednio 90 o i 45 o stopni elektrycznych na kady krok silnika. W sterowaniu mikrokrokowym naley prdy w uzwojeniach zmienia płynnie rozbijajc w ten sposób pełen krok na wiele mniejszych kroczków. W pracy mikrokrokowej silnika układ sterowania musi wytworzy sygnały o poziomach porednich pomidzy maksymaln i minimaln wartoci prdu ródła. Prdy w pasmach silnika wytwarzaj wektor strumienia magnetycznego, którego połoenie w przestrzeni jest okrelone przez warto tych prdów. Dziki pracy z mikrokrokiem moliwe jest uzyskanie dokładniejszego pozycjonowania. Standardowy krok podzielony moe by od 2 do 32 razy. W praktyce ju przy podziale 8 i 16 uzyskuje si zadowalajce rezultaty zmniejszenia wpływu rezonansu silnika. 24

Stosujc sterowanie mikrokrokowe naley pamita, e wraz z podziałem kroku spadkowi podlega wzgldna energia wzbudzajca przypadajca na jeden mikrokrok. W sposób procentowy w odniesieniu do pełnego kroku przedstawia t zaleno rysunek poniej. Rys. 17. Zmiana wzgldnej energii przypadajcej na jeden krok Ju przy 1/8 kroku energia potrzebna do wykonania skoku rotora jest 50 krotnie mniejsza. 25

Jeli posiadamy sterownik, który moe wytworzy dowolny prd na poziomie od 0 do 141% prdu nominalnego, moliwe jest wtedy wytworzenie obracajcego si pola magnetycznego o dowolnej orientacji. Jest zatem moliwe wybranie dowolnego kta elektrycznego kroku np. ¼, 1/8, 1/32. Oprócz zmiany pola elektrycznego mona zmieni jego natenie. Przykład wyidealizowanego uzyskiwania mikroskoków jest pokazany jeszcze raz poniej: i A, i B, - prdy w pasmach A i B Rys. 18. Komutacja bipolarna dwóch pasm parami z podziałem na mikroskoki Skutkiem tego wytwarzany przez te prdy wypadkowy strumie magnetyczny w stojanie równie stopniowo zmienia swoje połoenie ktowe. Na rysunku pokazano podział skoku na 5 mikroskoków. 26

3.3. Sterowniki silników krokowych na przykładzie sterownika SMC52 SMC52 jest sterownikiem przeznaczonym do współpracy z dwufazowym silnikiem krokowym. Umoliwia sterowanie pełnokrokowe lub krokiem podzielonym na 2, 4 lub 8 czci, wymuszajc odpowiedni warto prdu w uzwojeniu silnika niezalenie od napicia zasilania sterownika. Kady impuls prostoktny pojawiajcy si na wejciu kroku (CLK) powoduje przeskok silnika o jeden krok lub mikrokrok, w zalenoci od głbokoci podziału krokowego ustawionego w sterowniku za pomoc zworek (M1 i M2). Prd znamionowy silnika ustalany jest za pomoc potencjometru znajdujcego si na płytce drukowanej sterownika. Potencjometr umoliwia zmian prdu fazy sterownika w zakresie 0,9 A do 2,5 A. Charakterystyczne cechy sterownika: szeroki zakres napicia zasilania +15V..+28V (35V max.) interfejs sterujcy KROK/KIERUNEK wysoka czstotliwo kroku do 500kHz prd znamionowy max 2.5A na faz mikrokrok z podziałem do 1/8 do obsługi silników 2-fazowych automatyczne kształtowanie sinusoidy podbicie prdu dla pracy mikrokrokowej (141% wartoci prdu pełnokrokowego) zabezpieczenie termiczne kocówki mocy zabezpieczenie przeciwprzebiciowe kocówki mocy 27

Opis wej sterujcych Przykładowy sposób sterowania wej sterownika przedstawia poniszy rysunek. Do generowania sygnałów sterujcych mona uy generatora np. sterownika PLC z odpowiednim wyjciem (umoliwiajcym generowanie szybkich impulsów prostoktnych) lub z mikrokontrolera. Wysterowanie wejcia sterownika polega na zwieraniu danego wejcia do masy. Rys. 19. Sposób sterowania wejciami sterownika Podłczenie silnika Poniej przedstawiono przykładowe sposoby podłczenia silników 8 i 6 przewodowych do sterownika. Podane kolory przewodów odpowiadaj silnikowi 57BYG081 (8 przewodowy) i 42BYG802U (6 przewodowy). Kadorazowo przed podłczeniem silnika naley zapozna si z właciwymi kolorami przewodów, które okrela producent silnika. Kolory kabli najczciej podane s na etykiecie silnika. 28

29

4. Zalety i wady silników krokowych Zalety: kt obrotu silnika jest proporcjonalny do iloci impulsów wejciowych, silnik pracuje z pełnym momentem w stanie spoczynku (o ile uzwojenia s zasilane), precyzyjne pozycjonowanie i powtarzalno ruchu - dobre silniki krokowe maj dokładno ok. 3-5% kroku i błd ten nie kumuluje si z kroku na krok, moliwo bardzo szybkiego rozbiegu, hamowania i zmiany kierunku, niezawodne - ze wzgldu na brak szczotek. ywotno silnika zaley zatem tylko od ywotnoci łoysk, zaleno obrotów silnika od dyskretnych impulsów umoliwia sterowanie w ptli otwartej, przez co silnik krokowy jest łatwiejszy i taszy w sterowaniu, moliwo osignicia bardzo niskich prdkoci synchronicznych obrotów z obcieniem umocowanym bezporednio na osi, szeroki zakres prdkoci obrotowych uzyskiwany dziki temu, e prdko jest proporcjonalna do czstotliwoci impulsów wejciowych, jedn z najbardziej znaczcych zalet silnika krokowego jest moliwo dokładnego sterowania w ptli otwartej. Praca w ptli otwartej oznacza, e nie potrzeba sprzenia zwrotnego - informacji o połoeniu. Takie sterowanie eliminuje potrzeb stosowania kosztownych urzdze sprzenia zwrotnego, takich jak enkodery optoelektroniczne. Pozycje znajduje si zliczajc impulsy wejciowe. Wady: rezonanse mechaniczne pojawiajce si przy niewłaciwym sterowaniu, trudnoci przy pracy z bardzo duymi prdkociami. 30

Zastosowanie silników krokowych Ze wzgldu na wymienione cechy charakterystyczne silniki skokowe znalazły bardzo wiele rónorodnych zastosowa. Ich udział ilociowy w całej grupie małych maszyn elektrycznych przekracza 15 % i stale ronie. Znale je mona wszdzie tam, gdzie wymagane jest precyzyjne pozycjonowanie ktowe lub liniowe. Najwicej silników skokowych znajduje si w komputerach i urzdzeniach peryferyjnych do nich (stacjach dyskietek, dysków twardych, czytnikach i nagrywarkach płyt CD, DVD, drukarkach, skanerach). Nowoczesne aparaty fotograficzne, kamery wideo, rzutniki obrazów i projektory, pozycjonery anten satelitarnych, telefaksy maj w swej budowie silniki skokowe. Setki milionów silników skokowych pracuje na całym wiecie w urzdzeniach technologicznych, a wród nich w robotach, manipulatorach, pozycjonerach, drukarkach kodów, układach selekcji, w maszynach sprzedajcych, pakujcych i wielu, wielu innych. Silniki do zastosowa technologicznych, a szerzej, profesjonalnych - czsto nazywa si elektromaszynowymi elementami automatyki wyróniajc t nazw maszyny o szczególnie wysokiej jakoci wykonania i stabilnoci parametrów. Podobnie wysokie wymagania odnonie jakoci wykonania i dokładnoci ruchu stawiane s silnikom stosowanym do budowy aparatury medycznej, jeszcze wysze do urzdze militarnych i lotnictwa, a najwysze do sprztu kosmicznego. Rys. 20. Silnik krokowy w przepustnicy powietrza 31