Silniki krokowe 1. Podział siników krokowych w zależności od ich budowy. 2. Rys.1. Podział silników krokowych. Ogólny podział silników krokowych dzieli je na wirujące i liniowe. Wśród bardziej rozpowszechnionych wirujących możemy wyróżnić silniki: o zmiennej reluktancji, o magnesach trwałych i hybrydowy. 1.1. Silnik krokowy o zmiennej reluktancji. Oprócz szeroko stosowanych jednosegmentowych silników krokowych często bywają stosowane silniki wielosegmentowe. Wśród jednosegmentowych silników krokowych o wirniku reluktancyjnym rozróżnić można 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, że 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. Zasadę działania przedstawia poniższy rysunek. Rys. 2. Powstawanie momentu reluktancyjnego. Strumień w obwodzie magnetycznym opisany jest wzorem. φ=i z / R m i jest funkcją przepływu Iz oraz reluktancji magnetycznej. Linie pola wykazują dążenie do zamknięcia się w obwodzie o najmniejszej reluktancji. W ten sposób powstaje moment obrotowy, który dąży do ustawienia wirnika w położeniu θ = 0. Widok silnika reluktancyjnego przedstawiono poniżej. Rys. 3. Silnik o zmiennej reluktancji.
1.2. Silniki krokowy z magnesem trwałym. Silniki krokowe o magnesach stałych mogą być wykonane w wersji jednosegmentowej i wielosegmentowej. Silnik jednosegmentowy może mieć na wirniku podobnie do klasycznej maszyny synchronicznej bieguny jawne lub utajone. Silniki krokowe o magnesach trwałych na wirniku można również podzielić na magnesowane osiowo lub promieniowo. Silnik krokowy o wirniku czynnym często nazywany jest również silnikiem kubkowymi. Jest 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 o -15 o tj. 24-48 kroków na obrót. Rotor silnika 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 silnik z magnesem trwałym w porównaniu z silnikami o zmiennej reluktancji mają lepszą charakterystykę momentową. Rys. 4. Silnik krokowy o magnesach trwałych z biegunami a) jawnymi b) utajonymi. 1.3. Silnik krokowy hybrydowy. Są najnowocześniejszym typem silników krokowych. Silnik hybrydowy jest bardziej kosztownym niż silnik z magnesem trwałym cechuje się za to lepszymi parametrami jeśli chodzi o rozdzielczość i szybkość. Zasada działania silnika opiera się na tym, że magnes trwały umieszczony na wirniku lub na stojanie wytwarza jednako biegunowy strumień magnetyczny, który zamyka się w obwodzie magnetycznym: stojan szczelina powietrznawirnik. 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 o -0,9 o 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 osiowa 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. 2. Podział silników ze względu na sposób sterowania. Silniki krokowe ze względu na sposób sterowania dzielimy na: bipolarne (4 wyprowadzenia) i unipolarne (5 lub 6 wyprowadzeń). 2.1. Silnik bipolarny. Rys. 5. Budowa silnika bipolarnego. Silnik bipolarny o dwóch fazach ma jedno uzwojenie na fazę. W celu zapewnienia zmiany pola magnetycznego w każdym z uzwojeń musimy zapewnić przepływ prądu w obu kierunkach. W silniku bipolarnym do zmiany pola magnetycznego w rdzeniu wystarcza jeden przełącznik dwupozycyjny lub dwa tranzystory włączane na przemian. Zaletą sterowani bipolarnego jest dobre wykorzystanie momentu obrotowego dzięki temu, że całe uzwojenie jest w stanie prądowym po otrzymaniu impulsu. Ogólnie rzecz biorąc silniki bipolarne wymagają bardziej rozbudowanego układu sterowania co ilustruje rysunek poniżej.
Cewka 1 Ucc [V] t [s] - Ucc [V] Cewka 2 Ucc [V] t [s] - Ucc [V] Rys. 6. Sterowanie silnika bipolarnego. 2.1.1. Rodzaje kroku i algorytmy komutacji. Najpowszechniejsze rodzaje sterowania to: -falowe, -pełnokrokowe, -półkrokowe, -mikrokrokowe.
2.1.2. Sterowanie falowe. W sterowaniu falowym inaczej zwanym jednofazowym w danym momencie zasilana jest tylko jedna faza. W przypadku silnika dwufazowego stojan jest zasilany zgodnie z sekwencją AB CD BA DC Wynikiem tego rodzaju sterowania jest wykonanie pełnego cyklu. Rys.7. Położenie wału silnika dla pracy jednofazowej. 2.1.3. Sterowanie pełno krokowe. W sterowaniu dwufazowym inaczej pełnokrokowym w każdej chwili czasu zasilane są dwie fazy. Stojan jest zasilany zgodnie z sekwencją AB; CD BA; CD BA; DC AB; DC. Wynikiem tego rodzaju sterowania są takie same ruchy jak przy sterowaniu jednofazowym z tym, że pozycja wirnika jest przesunięta o pół kroku. Rys. 8. Położenie wału silnika dla pracy dwufazowej.
2.1.4. Sterowanie półkrokowe. Sterowanie półkrokowe jest kombinacją sterowania dwufazowego i jednofazowego. Co drugi krok jest zasilana tylko jedna faza a w pozostałych krokach dwie fazy. Stojan silnika dwufazowego jest zasilany zgodnie z sekwencją AB B AB A AB B AB A. Wynikiem tego są obroty wirnika równe połowie tych ze sterowania z jedną lub dwiema fazami włączonymi. Sterowanie pół krokowe może zredukować efekt rezonansu mechanicznego, który ujawnia się w dwóch poprzednich rodzajach sterowania. Rys. 9. Położenia wału silnika dla pracy z ½ kroku. 2.1.5. Sterowanie mikrokrokowe. W sterowaniu mikrokrokowym prądy w uzwojeniach zmieniają się płynnie rozbijając w ten sposób pełen krok na wiele mniejszych kroczków. Praca z mikrokrokiem polega na obracaniu polem magnetycznym stojana w sposób bardziej płynny niż w sterowaniu pełno i półkrokowym powoduje to mniejsze drgania i umożliwia bezszumowe poruszanie silnika do poziomu częstotliwości 0 Hz. Dzięki pracy z mikrokrokiem możliwe jest uzyskanie dokładniejszego pozycjonowania. Istniej wiele różnych typów mikrokroku o podziale od 1/3 do 1/32 pełnego kroku lub jeszcze mniejszym.
2.2. Silnik krokowy unipolarny. C Rys. 10. Budowa silnika unipolarnego. Silnik unipolarny ma jedno uzwojenie z odczepem pośrodku. Istnieją także silniki posiadające po dwa uzwojenia na fazę. Mogą one pracować zarówno w trybie unipolarnym jak i bipolarnym. Przy sterowaniu unipolarnym jednocześnie jest włączona połowa pasma. Sterowanie unipolarne zapewnia przepływ prądu w danym uzwojeniu tylko w jednym kierunku. Zaletą wariantu unipolarnego jest prostszy układ połączeń i mniejsza liczba tranzystorów, wadą zaś to, że jednocześnie pracuje tylko połowa uzwojenia, a zatem nie wytwarza się moment obrotowy o pełnej wartości.
Ucc [V] Ucc [V] Ucc [V] Ucc [V] Rys. 11. Sterowanie silnika. 2.3. Nieco teorii. Silnik krokowy jest silnikiem synchronicznym. Oznacza to, że stabilne położenia zatrzymania wirnika jest zsynchronizowane z polem magnetycznym stojana. Obroty wirnika uzyskuje się przez obracanie pola, wirnik podąża do nowego położenia stabilnego. Moment M wytwarzany przez silnik jest funkcją momentu spoczynkowego M s i odległości pomiędzy polem magnetycznym stojana a pozycją wirnika Θ p M = M s *sin(θ s -Θ r ) ( 1 ) gdzie: Θ s i Θ r są wyrażone w stopniach elektrycznych. Zależność między kątami mechanicznymi i elektrycznymi dana jest wzorem: Θ el = (n/4) Θ mech ( 2) - 8 gdzie: n - oznacza ilość kroków na obrót Kiedy silnik sterowany jest w sposób pełno lub półkrokowy, pole magnetyczne stojana obraca się o odpowiednio 90 o i 45 o stopni elektrycznych na każdy krok silnika. Z powyższego wzoru widać, że w silniku powstaje moment pulsujący. Dzieje się tak dlatego, że Θ s i Θ r nie są stałe w czasie ze względu na nieciągłe zmiany Θs Wytwarzanie momentu obrotowego o 45 o i 90 o jest proste, gdyż potrzebne są tylko dwa poziomy prądu I on i 0.
Aby zapewnić pracę minikrokową 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 położenie w przestrzeni jest określone przez warto ść tych prądów. Dla danego kierunku pola magnetycznego stojana, poziomy prądu odpowiadające temu kierunkowi można obliczyć z następujących wzorów: I A = I max * sin Θ s ( 3) I A = I max * cos Θ s ( 4) Używając różnych wartości I on oraz 0 w obu uzwojeniach możemy uzyskać 8 różnych 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 może wytworzyć dowolny prąd na poziomie od 0 do 141% prądu nominalnego, możliwe jest wtedy wytworzenie obracającego się pola magnetycznego o dowolnej orientacji. Jest zatem możliwe wybranie dowolnego kąta elektrycznego kroku np. ¼,1/8,1/32. Oprócz zmiany pola elektrycznego można zmienić jego natężeni. Źródła: 1. Tomasz Bojko silniki krokowe układy zasilające pomiar charakterystyki dokładnościowej silnika krokowego 2. Internet.