Silniki skokowe 1.Silniki skokowe W niniejszym opisie omówiono róŝne rodzaje silników skokowych, ich właściwości oraz sposobów sterowania. 1.1 KLASYFIKACJA SILNIKÓW SKOKOWYCH I ICH WŁAŚCIWOŚCI Podstawowymi rodzajami wirujących silników skokowych są: -silniki z magnesem stałym, -silniki o zmiennej reluktancji, -silniki hybrydowe, -silniki tarczowe 1.2. SILNIKI Z MAGNESEM STAŁYM Silniki skokowe o magnesach stałych mogą mieć na wirniku podobnie do klasycznej maszyny synchronicznej bieguny jawne lub utajone. Silniki skokowe o magnesach trwałych moŝna podzielić na magnesowane osiowo lub promieniowo. Są to silniki o wirniku wytwarzającym strumień magnetyczny i o stojanie z uzwojeniem sterującym. Wirnik silnika stanowią magnesy trwałe. Silnik tego typu jest tani, charakteryzuje się niską rozdzielczością o typowych wartościach kąta 7,5 0-15 0 tj. 24-48 kroków na obrót. Rotor silnika nie posiada zębów lecz jest namagnesowany naprzemiennie biegunami N i S tak, iŝ bieguny te są usytuowane w linii prostej równoległej do osi rotora Namagnesowane bieguny rotora wpływają na zwiększenie indukcji magnetycznej, dlatego silnik z magnesem trwałym w porównaniu z silnikami o zmiennej reluktancji mają lepszą charakterystykę momentową. 1.3. SILNIKI O ZMIENNEJ RELUKTANCJI Wśród silników skokowych o wirniku reluktancyjnym rozróŝnić moŝna 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, Ŝe 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.
Strumień w obwodzie magnetycznym opisany jest wzorem Φ =I z / R m i jest funkcją przepływu Iz oraz reluktancji. Linie pola magnetycznego wykazują dąŝenie do zamknięcia się w obwodzie o najmniejszej reluktancji. W ten sposób powstaje moment obrotowy, który dąŝy do ustawienia wirnika w połoŝeniu θ = 0. 1.4. SILNIKI HYBRYDOWE Są najnowocześniejszym typem silników skokowych. Silnik hybrydowy jest bardziej kosztownym niŝ silnik z magnesem trwałym cechuje się za to lepszymi parametrami takimi jak rozdzielczość i szybkość. Zasada działania silnika opiera się na tym, Ŝe magnes trwały umieszczony na wirniku lub na stojanie wytwarza biegunowy strumień magnetyczny, który zamyka się w obwodzie magnetycznym: stojan szczelina powietrzna-wirnik. Po zasileniu uzwojenia stojana impulsem sterującym, wzbudzony strumień magnetyczny pod jednym biegunem stojana dodaje się do strumienia magnesów trwałych, pod drugim zaś odejmuje się. Wirnik zostaje wprowadzony w ruch tak, by osie zębów stojana i wirnika bieguna o strumieniu wzmacniającym pole magnetyczne pokryły się. Typowe kąty silnika hybrydowego mieszczą się w zakresie 3,6-0,9 tj. 100-400 kroków na obrót. Silnik hybrydowy łączy w sobie zalety silnika ze zmienną reluktancją i silnika z magnesem stałym. Rotor silnika ma wiele zębów i posiada osiowo namagnesowane magnesy umieszczone koncentrycznie wokół osi. Zęby rotora zapewniają lepszą drogę przepływowi magnetycznemu co polepsza charakterystyki momentu spoczynkowego i dynamicznego w porównaniu z silnikami z magnesem stałym i reluktancyjnym. Magnes 1.5. SILNIKI TARCZOWE Cechą wyróŝniającą ten silnik jest cienki wirnik tarczowy z naniesionymi magnesami z pierwiastków ziem rzadkich, czego konsekwencją jest bardzo mała bezwładność i duŝe przyspieszenia kątowe. Przepływ strumienia magnetycznego jest osiowy. Typowe kąty silnika tarczowego to 1.8, 3.6, 6 oraz 15 stopni. Na przykład dla silnika o 200 krokach na obrót liczba par biegunów wynosi 50. 2
1.6. STEROWANIE SILNIKÓW SKOKOWYCH Klasyfikacja silników skokowych rozróŝnia ze względów na ilość segmentów silniki jedno i wielosegmentowe. Zwiększenie ilości segmentów umoŝliwia uzyskanie przy kolejnym zasilaniu impulsami uzwojeń kolejnych segmentów duŝej liczby skoków o małym kącie. Z ilością segmentów związana jest ściśle ilość pasm uzwojeń silnika. NaleŜy zauwaŝyć, Ŝe istnieją dwa sposoby wykonania pasma symetryczne i niesymetryczne. W konstrukcji symetrycznej uzwojenia dwu przeciwległych biegunów stojana tworzą pasmo. Rozwiązanie niesymetryczne charakteryzuje się tym, Ŝe całe uzwojenie jednego pasma jest umieszczone na jednym biegunie. Silniki skokowe róŝnią się pod względem liczby pasm uzwojenia. KaŜde pasmo jest częścią uzwojenia i jest zasilane impulsami. RozróŜnia się jedno-, dwu-, trzy-, cztero-, lub pięciopasmowe silniki skokowe. Od liczby pasm zaleŝą w duŝej mierze właściwości silnika skokowego. Wraz ze wzrostem liczby pasm silnika zwiększa się moment obrotowy i liczba skoków na obrót przy malejącej wartości skoku. Zwiększenie liczby pasm powoduje zmniejszenie pulsacji momentu obrotowego w efekcie dobre tłumienie oscylacji i ograniczenie zjawiska rezonansu. Nowoczesne technologie w róŝnych gałęziach narzucają coraz wyŝsze wymagania na urządzenia wchodzące w skład linii technologicznych. Wymagania jakie się stawia przed tymi urządzeniami to przede wszystkim wysoka wydajność, eliminacja obsługi i niezawodność. Wprowadzenie na szeroką skalę techniki mikroprocesorowej umoŝliwiło realizację funkcji sterowania w znacznym stopniu w sposób programowy co uprościło budowę sprzętu i podniosło jego niezawodność. W wielu procesach technologicznych napęd oraz pozycjonowanie urządzeń wykonawczych jest nieodzownym elementem całego procesu. W napędach pozycjonujących stosuje się najczęściej silniki prądu stałego oraz silniki skokowe. Współczesne elementy wykonawcze urządzeń pozycjonujących coraz częściej wyposaŝone są w silniki skokowe, które nie wymagają stosowania kosztownych i zawodnych mechanizmów krzywkowych i zapadkowych niezbędnych w przypadku napędów wykorzystujących silniki prądu stałego. PowyŜszy fakt oraz łatwość sterowania silników skokowych za pomocą urządzeń cyfrowych spowodował,ŝe znajdują one coraz większe zastosowanie. Silniki skokowe moŝna spotkać w robotach przemysłowych a takŝe w coraz większej liczbie urządzeń z którymi spotykamy się na co dzień. Opanowały one napędy dysków i dyskietek w komputerach, napędy głowic i wałków w drukarkach i maszynach do pisania, przesuwanie głowic laserowych w odtwarzaczach kompaktowych. Zagadnienia poruszane w tym opisie dotyczą układów sterowania z silnikami skokowymi, budowy silników skokowych, ich właściwości a w szczególności sterowania silników skokowych za pomocą układów mikroprocesorowych. Według PN-87/E-01006 silnik skokowy jest to silnik przekształcający ciąg sterujących impulsów elektrycznych na ciąg przesunięć kątowych lub liniowych. Silnik skokowy wykonuje obrót o konkretne przyrost pod wpływem impulsów elektrycznych podawanych w odpowiedniej kolejności. Obroty silnika są związane bezpośrednio z podawanymi impulsami. 3
Jest to więc silnik o działaniu dyskretnym. Kierunek obrotu jest związany z sekwencją podawanych impulsów, natomiast prędkość obrotów osi zaleŝy od częstotliwości tych impulsów,a kąt obrotu od ich ilości. Silnik krokowy nie moŝe pracować bez elektronicznego układu sterowania. Głównymi elementami układu sterowania silnika skokowego są : źródło impulsów, układ logiczny, stopień wyjściowy mocy i zasilacz prądu stałego. Źródłem impulsów moŝe być generator impulsów, mikroprocesor, przetwornik sygnału ciągłego na impulsy lub pamięć operacyjna. Układy sterowania urządzeń wyposaŝonych w silniki skokowe, z uwagi na skomplikowane i róŝnorakie funkcje realizowane przez te urządzenia, są coraz częściej sterownikami mikroprocesorowymi.sterowniki mikroprocesorowe z łatwością mogą przejąć rolę wielu zespołów sterowania napędami skokowymi, a ponadto zapewnić optymalizację sterowania. SPOSOBY STEROWANIA SILNIKÓW SKOKOWYCH Rozpatrując właściwości silnika skokowego naleŝy brać pod uwagę nie tylko cechy wynikające z budowy samego silnika ale trzeba brać pod uwagę silnik wraz z układem sterowania jako całość. Rozpatrywanie samego tylko silnika daje obraz dalece niepełny. Układ sterowania odgrywa bowiem decydującą rolę w kształtowaniu poŝądanych charakterystyk silników krokowych. Zasadniczy rozwój silników skokowych zmierza w kierunku zwiększenia liczby skoków, sprawności i momentu obrotowego a zmniejszeniu inercji mechanicznej. O parametrach napędu skokowego decyduje konstrukcja mechaniczna danego obiektu i silnika, własności elektryczne i magnetyczne materiałów, z których wykonano silnik oraz sposób zasilania jego uzwojeń i wreszcie algorytm sterowania. STEROWANIE BIPOLARNE I UNIPOLARNE SILNIKÓW SKOKOWYCH Wśród silników skokowych moŝna wyróŝnić dwa podstawowe typy sterowania : unipolarne i bipolarne. Silnik bipolarny o dwóch fazach ma jedno uzwojenie na fazę, natomiast unipolarny ma jedno uzwojenie z odczepem pośrodku. Istnieją takŝe silniki posiadające po dwa uzwojenia na fazę. Mogą one pracować zarówno w trybie unipolarnym jak i bipolarnym. Przy sterowaniu bipolarnym całe pasmo uzwojenia bierze jednocześnie udział w pracy natomiast przy sterowaniu unipolarnym jednocześnie jest włączona połowa pasma. W silniku bipolarnym do zmiany pola magnetycznego w rdzeniu wystarcza jeden przełącznik dwupozycyjny, lub dwa tranzystory włączane na przemian. W przypadku silnika unipolarnego do kluczowania prądu wystarczy jeden tranzystor na fazę. Sterowanie unipolarne zapewnia przepływ prądu w danym uzwojeniu tylko w jednym kierunku, podczas gdy sterowanie bipolarne zapewnia przepływ prądu w dwóch kierunkach. Zaletą wariantu unipolarnego jest prostszy układ połączeń i mniejsza liczba tranzystorów, wadą zaś to,ŝe jednocześnie pracuje tylko połowa uzwojenia, a zatem nie wytwarza się moment obrotowy o pełnej wartości. Zaletą sterowani bipolarnego jest dobre wykorzystanie momentu obrotowego dzięki temu, Ŝe całe uzwojenie jest w stanie prądowym po otrzymaniu impulsu. Problem ten został rozwiązany z chwilą pojawienia się specjalizowanych scalonych układów mocy zawierających dwa kompletne mostki tranzystorowe mogące kluczować znaczne prądy. 4
Sterowanie unipolarne Sterowanie bipolarne RODZAJE STEROWANIA I ALGORYTMY KOMUTACJI Najpowszechniejsze rodzaje sterowania to: -falowe, -pełnokrokowe, -półkrokowe, -mikrokrokowe. STEROWANIE FALOWE W sterowaniu falowym inaczej zwanym jednofazowym w danym momencie zasilana jest jedna faza. Wynikiem tego rodzaju sterowania jest wykonanie pełnego kroku. Dla silników o uzwojeniach unipolarnych i bipolarnych przy takich samych parametrach uzwojeń taki sposób zasilania wywołuje te same połoŝenie mechaniczne. Wadą takiego sposobu sterowania jest to, Ŝe silniki o uzwojeniach unipolarnych wykorzystują tylko 25%,a o uzwojeniach bipolarnych 50% całkowitego uzwojenia silnika w danej chwili czasu. Oznacza to, Ŝe nie wykorzystuje się maksymalnego momentu wyjściowego silnika. STEROWANIE PEŁNOKROKOWE W sterowaniu dwufazowym inaczej pełnokrokowym w kaŝdej chwili czasu zasilane są dwie fazy. Wynikiem tego rodzaju sterowania są takie same ruchy jak przy sterowaniu jednofazowym z tym,ŝe pozycja wirnika jest przesunięta o pół kroku. STEROWANIE PÓŁKROKOWE Sterowanie półkrokowe jest kombinacją sterowania dwufazowego i jednofazowego. Co drugi krok jest zasilana tylko jedna faza, a w pozostałych krokach dwie fazy. Wynikiem tego są obroty wirnika równe połowie tych ze sterowania z jedną lub dwiema fazami włączonymi. Sterowanie pół krokowe moŝe zredukować efekt rezonansu mechanicznego, który ujawnia silnie w dwóch poprzednich rodzajach sterowania. STEROWANIE MIKROKROKOWE W sterowaniu mikroskokowym prądy w uzwojeniach zmieniają się płynnie rozbijając w ten sposób pełen krok na wiele mniejszych kroczków. Praca z mikroskokiem polega na obracaniu polem magnetycznym stojana w sposób bardziej płynny niŝ w sterowaniu pełno i półskokowym powoduje to mniejsze drgania i umoŝliwia bezszumowe poruszanie silnika do poziomu częstotliwości 0Hz.Dzięki pracy z mikroskokiem moŝliwe jest 5
uzyskanie dokładniejszego pozycjonowania. Istniej wiele róŝnych typów mikroskoku o podziale od 1/3 do 1/32 pełnego kroku lub jeszcze mniejszym. Silnik skokowy jest silnikiem synchronicznym. Oznacza to, Ŝe stabilne połoŝenia zatrzymania wirnika jest zsynchronizowane z polem magnetycznym stojana. Obroty wirnika uzyskuje się przez obracanie pola,wirnik podąŝa do nowego połoŝenia stabilnego. Kiedy silnik sterowany jest w sposób pełno lub półskokowy, pole magnetyczne stojana obraca się o odpowiednio 90 o i 45 o stopni elektrycznych na kaŝdy krok silnika. Wytwarzanie momentu obrotowego o 45 i 90 jest proste, gdyŝ potrzebne są tylko dwa poziomy prądu I on i 0. Aby zapewnić pracę mikroskokową silnika trzeba zapewnić taki układ sterowania, który wytworzy sygnały o poziomach pośrednich pomiędzy maksymalną i minimalną wartością sygnału źródła. Dzięki takiemu wymuszeniu prądy w pasmach silnika wytwarzają wektor strumienia magnetycznego, którego połoŝenie w przestrzeni jest określone przez wartość tych prądów. Dla danego kierunku pola magnetycznego stojana, poziomy prądu odpowiadające temu kierunkowi moŝna obliczyć z następujących wzorów: I A = I max * sin Θ s I A = I max * cos Θ s UŜywając róŝnych wartości I on oraz 0 w obu uzwojeniach moŝemy uzyskać 8 róŝnych kombinacji prądów w uzwojeniach. To daje nam osiem pozycji przy których włączona jest jedna bądź dwie fazy odpowiadających kierunkom indukcji magnetycznej od 0,45 do 315 stopni elektrycznych. Jeśli posiadamy sterownik, który moŝe wytworzyć dowolny prąd na poziomie od 0 do 141% prądu nominalnego, moŝliwe jest wtedy wytworzenie obracającego się pola magnetycznego o dowolnej orientacji.jest zatem moŝliwe wybranie dowolnego kąta elektrycznego kroku np. ¼,1/8,1/32. Oprócz zmiany pola elektrycznego moŝna zmienić jego natęŝenie. 1.7. CHARAKTERYSTYKI SILNIKÓW SKOKOWYCH Podstawową charakterystyką silników skokowych, niezbędnych do określenia parametrów napędu jest zaleŝność momentu napędowego od częstotliwości zmian wysterowania faz. Charakterystyka ta pozwala na dobór właściwego silnika dla spełnienia wymagań narzuconych przez napędzany mechanizm, a takŝe określa ograniczenia w zakresie sterowania dla danego typu silnika. Obszar ograniczony układem współrzędnych i linią a określa zakres pracy start -stopowej.przebieg linii zaleŝny jest nie tylko od parametrów silnika, ale takŝe od dodatkowego momentu bezwładności wprowadzonego przez obciąŝenie. Obszar ograniczony linią b określa zakres pracy synchronicznej przy danym obciąŝeniu.przekroczenie częstotliwości biegu synchronicznego powoduje wypadnięcie silnika z synchronizmu i w efekcie jego zatrzymanie. Częstotliwość komutacji w trybie startstopowym jest o 10 razy mniejszy niŝ w trybie synchronicznym. W przypadku gdy wymaga się szybkiego pozycjonowania konieczne jest rozpędzenie silnika z częstotliwości start-stopowej do synchronicznej a następni wyhamowanie go w celu pewnego zatrzymania. Konieczne jest zatem odpowiednie ukształtowanie charakterystyki ruchu. 6
Charakterystyka mechaniczna silnika skokowego. M. -moment napędowy M a -moment graniczny dla pracy start-stop (dla f a ) M 1 -moment graniczny dla pracy synchronicznej(dla f 2 ) J- moment bezwładności obciąŝenia a-graniczna charakterystyka pracy start-stop (J=0) a - graniczna charakterystyka pracy start-stop (J=J 1 ) b- graniczna charakterystyka pracy synchronicznej f 1 -maksymalna częstotliwość pracy start-stop (dla M 1 J 1 ) f 2 - maksymalna częstotliwość pracy synchronicznej (dla M 1 ) 1.8. DEFINICJE WŁAŚCIWOŚCI SILNIKÓW SKOKOWYCH. Częstotliwość maksymalna rozruchu f r max - jest to maksymalna częstotliwość impulsów zasilających silnik krokowy, przy której kaŝdemu impulsowi odpowiada przesunięcie kątowe lub liniowe wirnika o znamionową wartość skoku. Częstotliwość maksymalna rozruchu f r max zwiększa się ze wzrostem momentu synchronizującego, ze zmniejszeniem kąta skoku, a takŝe ze zmniejszeniem momentu bezwładności i obciąŝenia Częstotliwość graniczna f g silnika skokowego jest to największa częstotliwość impulsów zasilających silnik krokowy, przy której jeszcze kaŝdemu kolejnemu impulsowi, przy płynnym zwiększaniu częstotliwości od zera, odpowiada przesunięcie liniowe lub kątowe o znamionową wartość skoku. Częstotliwość graniczna nawrotu f n silnika skokowego jest to maksymalna częstotliwość impulsów zasilających silnik krokowy, przy której podczas zmiany kierunku obrotów kaŝdemu impulsowi odpowiada przesunięcie kątowe lub liniowe wirnika o znamionową wartość skoku. Zwykle zachodzi zaleŝność f n =(0,2 0,5) f r max. Moment rozruchowy silnika skokowego jest to maksymalna wartość momentu obciąŝenia, przy której jest moŝliwy rozruch silnika bez utraty skoku. Maksymalny statyczny moment synchroniczny silnika skokowego jest to maksymalna wartość statycznego momentu synchronicznego rozwijana przez silnik krokowy podczas jego ustalonej pracy, określana z przebiegu charakterystyki kątowej momentu. 7