Katedra Automatyzacji

P o l i t e c h n i k a L u b e l s k a, Wy d z i a ł M e c h a n i c z n y Katedra Automatyzacji u l. Na d b y s trz y c k a 3 6, 2 0-6 1 8 L u b l i n te l./fa x.:(+4 8 8 1 ) 5 3 8 4 2 6 7 e -ma i l :a u to ma t@p o l l u b.p l ; wm.k a @p o l l u b.p LABORATORIUM PODSTAW AUTOMATYKI PODSTAW ROBOTYKI Instrukcja do ćwiczenia nr A4, R4 BADANIE WŁAŚCIWOŚCI NAPĘDU Z SILNIKIEM KROKOWYM Wydział Mechaniczny Sala 406

I. Cel ćwiczenia Celem dydaktycznym jest zapoznanie z budową i różnymi sposobami sterowania silników krokowych. Celem praktycznym jest poprawne podłączenie silnika krokowego do sterownika i generatora sygnału prostokątnego oraz wyznaczenie charakterystyki momentu obrotowego w funkcji prędkości obrotowej. II. Wiadomości podstawowe Silniki elektryczne stanowią podstawową grupę napędów zwłaszcza w przemyśle maszynowym oraz systemach produkcyjnych. Spośród tej szerokiej grupy możemy wyróżnić silniki krokowe. Ich nazwa pochodzi od angielskiego słowa stepper motor (ang. step-krok) i odnosi się do rodzaju ruchu jaki wykonuje wał silnika. Równoważnie używa się także nazwy silnik skokowy. Głównymi cechami charakteryzującymi omawiane silniki są przede wszystkim precyzja w pozycjonowaniu, korzystny stosunek generowanego momentu obrotowego do rozmiarów oraz możliwość sterowania pozycją wału silnika w torze otwartym. Te właściwości spowodowały, że znalazły one zastosowanie zarówno w gałęziach automatyki, robotyki jak i przemyśle motoryzacyjnym oraz zbrojeniowym. Ze względu na budowę silniki krokowe klasyfikuje się tak jak przedstawiono na rys.1. Istotną gałęzią silników krokowych są silniki hybrydowe. Łączą bowiem w sobie cechy silników z magnesem trwałym i silników o zmiennej reluktancji. Jednak lepsza jakość determinuje wyższą cenę. Dzięki wysokiej precyzji pozycjonowania krokowych silników hybrydowych znajdują one zastosowanie w obrabiarkach sterowanych numerycznie, sprzęcie medycznym, sprzęcie komputerowym oraz biurowym. Silnik krokowy opiera swoje działanie na wzajemnym oddziaływaniu biegunów magnetycznych. Bieguny jednoimienne odpychają się, natomiast różnoimienne przyciągają. Identyczne zachowanie zostanie zaobserwowane w przypadku zastosowania magnesu i elektromagnesu. W elektromagnesie zmiana kierunku płynącego prądu jest równoznaczna z zamianą biegunów. Trwałe namagnesowanie rotora wpływa na zwiększenie indukcji magnetycznej zwiększając jednocześnie moment obrotowy, jaki wytwarza silnik. 1

Wirnik silnika krokowego zbudowany jest z magnesu z naciętymi zębami, jednak jego bieguny nie są rozmieszczone promieniowo (jak w silniku z magnesem trwałym), a osiowo (rys.2). Rys. 1. Klasyfikacja silników krokowych [1] Stojan na swojej powierzchni wewnętrznej posiada odpowiednio rozmieszczone rowki, których zadaniem jest pokrycie się z właściwym zębem rotora. Podobnie jak w silniku o zmiennej reluktancji strumień magnetyczny jest największy, jeśli magnetowód zamknie się przy najmniejszym oporze magnetycznym. Dodatkowo moment reluktancyjny jest wzmacniany przez już namagnesowany wirnik. Na rys. 3 i 4 przedstawione zostały stojan oraz wirnik silnika hybrydowego. 2

Rys. 2. Sposób namagnesowania wirnika silnika krokowego hybrydowego [2]. Rys. 3. Budowa stojana silnika hybrydowego [2] Rys. 4. Budowa wirnika silnika hybrydowego [2] Uzwojenia elektromagnesów stojana silnika krokowego połączone są ze sobą tworząc dwie oddzielne fazy oznaczane typowo: A oraz B (rys. 5.). W przypadku tzw. silników bipolarnych końce uzwojeń obu faz wyprowadzone są na zewnątrz czterema przewodami (patrz górna część rys. 5.). W silnikach unipolarnych wyprowadzone są dodatkowo dwa przewody odczepy środków uzwojeń obu faz (patrz dolna część rys. 5.). Sterowanie pracą silnika bipolarnego wymaga cyklicznych zmian polaryzacji napięcia zasilającego uzwojenia (patrz górna część rys. 5.). W przypadku silnika unipolarnego połówki uzwojeń faz spolaryzowane są zawsze w tym samym kierunku (patrz dolna część rys. 5). Dzięki temu układ sterowania silnika unipolarnego może być nieznacznie prostszy od sterownika bipolarnego. 3

Ten sam silnik krokowy może mieć różną wartość kąta skoku oraz momentu obrotowego w zależności od programu realizowanego przez układ sterujący. Sterowanie falowe jest najprostszym sposobem sterowania silników krokowych, posiada jednak wady. W każdym takcie cyklu zasilana jest tylko połowa uzwojeń silnika (rys.5). Naprzemienne zasilanie cewek skutkuje wykorzystaniem jedynie połowy możliwości silnika, co uniemożliwia uzyskanie dużego momentu obrotowego. Sterowanie pełnokrokowe wykorzystuje jednocześnie wszystkie cewki silnika krokowego. Dzięki temu moment obrotowy jest 2 razy większy względem sterowania falowego a pozycja wirnika jest stale przesunięta o ½ kroku w stosunku do sterowania falowego (rys 6). Wał typowego hybrydowego silnika krokowego obraca się o 1/200 część pełnego kąta (tj. o 1.8 stopnia) na skutek zmiany prądów cewek do sąsiedniej konfiguracji w sekwencji sterowania falowego lub pełnokrokowego. Rys 5. Schemat zasilania cewek silników uni- i bipolarnych przy sterowaniu falowym [2]. Połączenie sterowania falowego i pełnokrokowego powoduje, że zęby wirnika zatrzymują się albo naprzeciwko biegunów stojana, albo pomiędzy nimi. Takie sterowanie nosi nazwę półkrokowego (rys. 7). Naprzemiennie zasilane są jedno lub dwa uzwojenia. Powoduje to, że moment obrotowy co drugiego kroku jest mniejszy o połowę. Niektóre zastosowania dopuszczają takie rozwiązanie ze względu na poprawę płynności ruchu zwłaszcza przy małych prędkościach obrotowych. 4

Rys. 6 Schemat zasilania cewek silników uni- i bipolarnych przy sterowaniu pełnokrokowym [2]. Rys. 7. Schemat zasilania cewek silników uni- i bipolarnych przy sterowaniu półkrokowym [2]. Sterowanie mikrokrokowe pozwala wielokrotnie zwiększyć rozdzielczość pozycjonowania wału silnika. Można to osiągnąć poprzez odpowiednie (wielostopniowe) zmienianie natężeń prądów w uzwojeniach A i B. Możliwe jest wtedy uzyskanie dowolnej liczby pośrednich położeń wirnika pomiędzy pozycjami pełnokrokowymi, jednakże wiąże się to ze znaczną komplikacją układu sterującego (sterownika). Moment obrotowy silnika jest w tym przypadku zależny od sumy prądów uzwojeń A i B, będzie więc minimalnie różny dla poszczególnych mikrokroków. 5

UWAGA! Należy zapoznać się z instrukcjami obsługi następujących urządzeń (w oryginalnych plikach PDF producenta): generatora impulsów GEN-01 (plik: Instrukcja R4_Zał1 Generator GEN-01.pdf ), sterownika SKK-B05 (plik: Instrukcja R4_Zał2 Sterownik SKK-B05.pdf ). Źródła [1] Rodzaje silników krokowych i ich właściwości. http://automatykaonline.pl/rodzaje-silnikowkrokowych-i-ich-wlasciwosci/, styczeń 2013 [2] Potocki L.: Silniki krokowe od podstaw. Elektronika dla wszystkich. Sierpień 2002 III. Pytania kontrolne 1. Omówić budowę hybrydowego silnika krokowego. 2. Wyjaśnić różnicę w budowie silników bipolarnego oraz unipolarnego. 3. Objaśnić zasadę sterowania falowego silnikiem krokowym bipolarnym. 4. Objaśnić zasadę sterowania pełnokrokowego silnikiem krokowym bipolarnym. 5. Podaj typowe zastosowania silników krokowych (obszary zastosowań). 6

IV. Przebieg ćwiczenia UWAGA! W UZWOJENIACH SILNIKA KROKOWEGO MOŻE PŁYNĄĆ PRĄD ZNAMIONOWY NAWET GDY WAŁ JEST NIERUCHOMY. DLATEGO TEMPERATURA SILNIKA KROKOWEGO MOŻE PRZEKRACZAĆ 80 O C! WYSOKĄ TEPERATURĘ MOŻE OSIĄGAĆ TAKŻE RADIATOR STEROWNIKA! UWAGA! W CELU OGRANICZENIA TEMPERATURY SILNIKA I ELEMENTÓW STEROWNIKA ODŁĄCZAJ ZASILANIE STEROWNIKA (ZASILACZA) W PRZERWACH MIĘDZY WYKONYWANYMI ZADANIAMI. I. Zbudowanie i uruchomienie napędu z silnikiem krokowym I.1. Zidentyfikuj elementy stanowiska ćwiczeniowego: - silnik krokowy, - generator sygnału prostokątnego GEN-01, - sterownik silnika krokowego SKK-B05, - zasilacz prądu stałego 24VDC (dla sterownika SKK-B05), - wtyczkowy zasilacz prądu stałego 5VDC (dla generatora GEN-01). I.2. Hybrydowy silnik krokowy na stanowisku ćwiczeniowym posiada osiem wyprowadzeń elektrycznych (uzwojenia obu faz są zdublowane): ŻÓŁTY ŻÓŁTO-CZARNY NIEBIESKI NIEBIESKO- BIAŁY Rys. 8. Schemat elektryczny uzwojeń silnika krokowego. Dzięki temu silnik może współpracować zarówno ze sterownikiem bipolarnym jak i unipolarnym. Ponadto, w konfiguracji bipolarnej, połówki uzwojeń tej samej fazy mogą być łączone szeregowo albo równolegle. 7

I.3. Wykonaj prawidłowo połączenia elektryczne: - uzwojeń silnika ze sterownikiem bipolarnym SKK-B05 użyj tylko po jednej połówce uzwojeń silnika (czyli ½ uzwojenia fazy A oraz ½ uzwojenia fazy B); - generatora GEN-01 ze sterownikiem SKK-B05 generator ma zadawać sygnał kroku (CLK); - ręczny przełącznik kołyskowy wykorzystaj do zadawania (zmiany) kierunku obrotów silnika (sygnał DIR); UWAGA! Wszelkie połączenia elektryczne wykonuj z wyłączonym zasilaniem urządzeń! I.5. Poproś nauczyciela o zweryfikowanie poprawności połączeń. I.6. Ustaw algorytm sterowania silnika na sterowanie pełnokrokowe (mikroprzełączniki SW1 i SW2 na płytce sterownika SKK-B05). I.7. Oblicz częstotliwość f1 sygnału CLK jaki należy doprowadzić do sterownika silnika SKK-B05 aby uzyskać prędkość wirowania silnika n1=720obr/min. Sposób obliczeń oraz wynik zapisz w sprawozdaniu. Wskazówka: dla sterowania pełnokrokowego wał silnika wykona pełny obrót w odpowiedzi na 200 taktów sygnału CLK. I.8. Dobierz współczynnik podziału maksymalnej wartości częstotliwości bazowej generatora GEN-01 (f0 =150kHz) aby uzyskać na jego wyjściu częstotliwość z zakresu 0Hz f1 (nastawianą potencjometrem). Przestaw zworkę na właściwe kołki oznaczone PODZIAŁ na płytce generatora. Sposób obliczeń oraz wynik zapisz w sprawozdaniu. I.9. Obracaj wałem niezasilanego silnika krokowego. Dla silnika hybrydowego (z namagnesowanym trwale wirnikiem) powinien być wyczuwalny delikatny moment zaczepowy (w pozycjach odległych od siebie o 1/200 pełnego kąta). I.10. Nastaw gałkę potencjometru generatora GEN-01 na 0Hz (przekręć w lewo do oporu). Włącz zasilanie generatora oraz sterownika. Sprawdź, czy wał silnika daje się obrócić dłonią (drugą ręką trzymaj mocno korpus silnika). Jeżeli moment potrzebny do obrócenia wału (tj. do pokonania tzw. momentu trzymającego silnika dla fclk = 0Hz) jest zbliżony do momentu zaczepowego oznacza to, że układ NIE PRACUJE prawidłowo zweryfikuj poprawność oraz kompletność połączeń. I.11. Obracając powoli potencjometr generatora w prawo zwiększaj częstotliwość sygnału CLK. Obserwuj wał silnika prędkość wirowania powinna zmieniać się płynnie i proporcjonalnie do częstotliwości sygnału z generatora (CLK). 8

I.12. Sprawdź jakiego momentu siły (hamującego) trzeba użyć aby unieruchomić wał (hamuj wał dłonią). Powtórz próbę hamowania dla różnych prędkości obrotowych. Czy zauważyłeś/aś prawidłowość wiążącą wartość momentu napędowego silnika z prędkością wirowania wału? Zanotuj wnioski. UWAGA! Jeżeli w wyniku hamowania wału silnika zmienia on samoistnie kierunek wirowania lub wpada w oscylacje to oznacza to, że prawdopodobnie do sterownika nie zostały podłączone właściwe uzwojenia silnika, tzn. podłączono dwie połówki uzwojeń tej samej fazy (A albo B) zamiast uzwojeń dwóch różnych faz (A oraz B). Zmodyfikuj połączenia i wykonaj ponownie próby hamowania. I.13. Przetestuj zmianę kierunku wirowania wału silnika używając przełącznika kołyskowego (sygnał DIR). Powtórz próbę dla różnych prędkości wirowania. Obserwuj zachowanie silnika i zanotuj spostrzeżenia. I.14. Przestawiaj mikroprzełączniki SW1 i SW2 na płytce sterownika wybierając tzw. sterowanie mikrokrokowe (możesz robić to w trakcie pracy sterownika). Możesz zmieniać także współczynnik podziału częstotliwości bazowej generatora tak aby przetestować napęd w pełnym zakresie częstotliwości sygnału CLK i prędkości obrotowej (od ok. 1Hz aż do utraty synchronizacji nieobciążonego wału). I.15. Zmień polaryzację uzwojenia jednej z faz silnika (zamień przewody jednej fazy miejscami w zaciskach sterownika). Jak ta zmiana wpłynęła na pracę napędu? Zanotuj wnioski. I.16. Zmień polaryzację uzwojenia drugiej fazy silnika. Jak ta zmiana wpłynęła na pracę napędu? Zanotuj wnioski. I.17. Zamień sposób podłączenia do sterownika obu faz miejscami (nie zmieniając polaryzacji). Jak zamiana wpłynęła na pracę napędu? Zanotuj wnioski. II. Wyznaczenie charakterystyki momentu napędowego silnika krokowego w funkcji prędkości obrotowej M(n) II.1. Zidentyfikuj elementy stanowiska do wyznaczania charakterystyki momentowej silnika krokowego (rys. 9.): - silnik krokowy (1), - sterownik silnika krokowego SKK-B03 (2), - uniwersalny generator sygnałów okresowych (3), - hamulec cierny tarczowy (4), 9

- tensometryczny przetwornik siły (momentu hamującego) (5), - moduł przetwornika analogowo cyfrowego ADAM-4011D (6). 7 4 5 2 1 6 3 Rys. 9. Widok stanowiska do sporządzania charakterystyk momentowych silnika krokowego. II.2. Uruchom aplikację komputerową do rejestracji wyników badań Pulpit/LAB_silnik_krokowy. II.3. Za pomocą mikroprzełączników sterownika SKK-B03 wybierz algorytm sterowania półkrokowego (400impulsów/obrót). II.4. Zwolnij hamulec (4) przez wykręcenie do oporu śruby ściskającej (7) tarcze hamulca. II.5. Nastaw częstotliwość wyjściową generatora (sygnału CLK) na 50Hz. II.6. Włącz zasilanie generatora oraz sterownika silnika. II.7. Obserwując wynik pomiaru momentu hamującego na ekranie komputera powoli zwiększaj nacisk tarcz hamulca (wkręcaj śrubę hamulca). W chwili zrównania się wartości 10

momentu hamującego z momentem napędowym silnika zastanie zerwana synchronizacja silnika a jego wał wpadnie w drgania. Zanotuj wartość momentu hamującego, dla którego wał silnika utracił synchronizację z polem magnetycznym stojana. II.8. Powtórz pomiar dwukrotnie, za każdym razem uprzednio zwalniając hamulec. Oblicz wartość średnią momentu napędowego silnika. II.9. Powtórz pomiary momentu napędowego silnika dla sygnału CLK o częstotliwościach: 250Hz, 500Hz, 1kHz, 2kHz, 3kHz, 4kHz, 5kHz, 6kHz (trzy pomiary dla każdej częstotliwości). Wyniki zapisz w tabeli. II.10. Wykreśl wyznaczoną charakterystykę momentu napędowego silnika w funkcji prędkości obrotowej MŚR(n) (dla wartości średnich momentu). 11