1 Wprowadzenie Silniki krokowe są obecnie produkowane w duŝych ilościach i występują w urządzeniach powszechnego uŝytku zarówno elektrotechnicznych, elektronicznych, sprzęcie komputerowym i specjalistycznym róŝnego przeznaczenia oraz przemyśle motoryzacyjnym. Silniki krokowe są stosowane wszędzie tam, gdzie kluczowe znaczenie ma moŝliwość precyzyjnego sterowania ruchem: w szeroko rozumianej automatyce - w mechanicznych urządzeniach regulacyjnych (np: automatycznych zaworach), w urządzeniach pomiarowych np. zegarach elektronicznych do przesuwania wskazówek, w robotyce - do sterowania ruchem ramion robotów, kół w automatycznych wózkach widłowych itp., w komputerach - np. w twardych dyskach, gdzie zadaniem silnika jest zapewnienie ruchu głowicy po prostej radialnej w stosunku do talerzy pokrytych nośnikiem magnetycznym. W wyniku rozwoju konstrukcji silników krokowych i poprzez stosowanie coraz lepszych materiałów magnetycznych następuje zmniejszenie się gabarytów tych maszyn. Obecnie najczęściej stosowanym silnikiem krokowym jest silnik hybrydowy. Na rys. 1.1 i rys. 1.2 przedstawiono silnik hybrydowy 2-fazowy. Rys. 1.1. Wirnik 2-fazowego hybrydowego silnika krokowego
Rys. 1.2. Stojan 2-fazowego hybrydowego silnika krokowego Maksymalna prędkość obrotowa silnika krokowego zwykle nie przekracza kilku, kilkunastu obrotów na sekundę. Znakomicie sprawdzają się tam, gdzie potrzebny jest kontrolowany ruch np. w skanerach, drukarkach, czy ploterach. Na rys.1.3. pokazano silnik wykorzystany do napędu głowicy w drukarce DESK JET 640C. Rys. 1.3. Silnik krokowy stosowany do napędu głowicy w drukarkach DESK JET 640 C Precyzyjna kontrola ruchu jest równieŝ istotna we współczesnych silnikach spalinowych, w których prędkość obrotowa jest regulowana ilością wtryskiwanego paliwa. Funkcja ta realizowana jest za pośrednictwem silnika krokowego. Tego typu silnik krokowy wraz z przekładnią przedstawiono na rys. 1.4. SłuŜy on do regulacji wtrysku paliwa podczas biegu jałowego w silnikach spalinowych takich samochodów jak: Volkswagen, AUDI, SEAT, SKODA.
Rys. 1.4. Silnik krokowy regulujący wtrysk w silniku spalinowym DuŜą zaletą silników krokowych jest moŝliwość pracy z małymi prędkościami obrotowymi, przy czym silniki te dysponują cały czas pełnym momentem obrotowym. Dzięki temu zastępują stosowane wcześniej klasyczne silniki z przekładnią. Kolejną zaletą jest moŝliwość pracy w otwartej pętli. Nie potrzeba wówczas sprzęŝenia zwrotnego i informacji o aktualnym połoŝeniu wirnika oraz kosztownych elementów, takich jak enkodery czy inne czujniki. Ruch obrotowy realizowany w wyŝej wymienionych mikromaszynach często zamieniany jest na liniowy (rys. 1.5). Rys. 1.5. Sposoby zamiany ruchu obrotowego na ruch liniowy: a) silnik krokowy; b) śruba metryczna; c) pas napędowy; d) prowadnice. Takie rozwiązanie jest tańsze od napędów z silnikami krokowymi liniowymi, przy czym nie jest wiele bardziej skomplikowane mechanicznie. Przedstawione przykłady w niewielkim stopniu pokazują wszechobecność tych maszyn. Codziennie kaŝdy przeciętny człowiek ma do czynienia z urządzeniami napędzanymi silnikami krokowymi. Przede wszystkim jednak Ŝadna fabryka nie jest w stanie sprostać wysokim wymaganiom stawianym przez współczesny rynek bez zastosowania precyzyjnego pozycjonowania, jakie umoŝliwiają silniki krokowe.
Silnik krokowy jest specjalnym rodzajem maszyny elektrycznej. Do jego badania nie wystarczy zastosowanie ogólnie znanych metod. Nowoczesne stanowiska pomiarowe wymagają stosowania złoŝonych układów składających się z wielu urządzeń wspomagających pomiary i ich rejestracje. Dotychczas opracowane stanowiska pomiarowe umoŝliwiają badania silników krokowych w szerokim zakresie i są częściowo zautomatyzowane. Nie umoŝliwiają jednak wykonywania kompleksowych pomiarów, jak równieŝ rejestracji wyników w stanach dynamicznych. Zaistniała zatem potrzeba stworzenia stanowiska pomiarowego w pełni zautomatyzowanego. Do pomiarów wykorzystano przetwornik obrotowo-impulsowy oraz momentomierz. Elementy odpowiedzialne za mocowanie i komunikację zostały tak zaprojektowane, aby było moŝliwe wykorzystanie równieŝ innych przetworników.
2 Budowa i zasada działania silnika krokowego Silniki krokowe, zwane teŝ skokowymi, naleŝą do grupy silników synchronicznych, przekształcających elektryczne impulsy sterujące w przesunięcie wału. KaŜdy impuls obraca wirnik o ściśle określony, niewielki kąt. Przemieszczenie wirnika i napędzanych elementów dokładnie odpowiada liczbie impulsów elektrycznych. Kierunek obrotów zaleŝy od sekwencji impulsów zasilających uzwojenia. Pojedynczy skok wirnika w większości silników krokowych jest mały, około 0,72...3,6 stopnia. Stąd przy odpowiedniej liczbie impulsów moŝna precyzyjnie ustawić wirnik w potrzebnym połoŝeniu. Częstotliwość impulsów (częstotliwość komutacji) określająca prędkość obrotową jest wymuszona zewnętrznie i nie zaleŝy od stanu pracy silnika. Oznacza to pracę silnika krokowego bez sygnału sprzęŝenia zwrotnego. JeŜeli kaŝdy chwilowy stan połoŝenia wirnika jest procesem stabilizacji wokół chwilowego połoŝenia równowagi statycznej, to silnik realizuje ruch synchroniczny. Utrata stabilności połoŝenia decyduje o wypadnięciu silnika z synchronizmu. Na przejściach między kolejnymi połoŝeniami stabilnymi powstają kołysania prędkości. Istotny wpływ na te kołysania mają bezwładności mechaniczne całego układu napędowego i elektromagnetyczne stałe czasowe silnika krokowego. Bezpośrednią przyczyną kołysań jest nierównomierność przebiegu momentu elektromagnetycznego wywołana dyskretnym zasilaniem pasm uzwojenia. Powstanie drgań układu mechanicznego tłumaczy się nadmiarem energii wprowadzanej do układu przy kaŝdym przełączeniu zasilania. NadwyŜka energii (rys. 2.1), ponad wartość konieczną do wykonania pracy uŝytecznej, jest rozpraszana w trakcie drgań wirnika, w postaci strat mechanicznych, elektrycznych i magnetycznych. Energia ta zaleŝy od wielu czynników takich jak bezwładność mechaniczna, częstotliwość sygnałów sterujących czy elektromagnetyczne stałe czasowe. Jednak w największym stopniu zaleŝy od długości kroku, co pokazano na rys. 2.1. DuŜy wpływ na tłumienie drgań mechanicznych ma charakter obciąŝenia układu. NaleŜy mieć to na uwadze dobierając silnik krokowy do układu napędowego.
% energii przy pełnym kroku 100 90 100 80 70 60 50 40 30 29,2 20 10 0 13,4 7,6 1,9 0,86 0,48 0,31 0,21 0,12 1/1 1/2 1/3 1/4 1/8 1/12 1/16 1/20 1/24 1/32 Długość kroku w zględem kroku znamionow ego Rys. 2.1. Względna energia wzbudzająca jako funkcja długości kroku wirnika. Silnik krokowy ma zwykle w stojanie jedno, dwa lub trzy (a nawet więcej) pasma uzwojenia sterującego, przesunięte względem siebie w przestrzeni. Uzwojenie stojana moŝe być skupione na biegunach wydatnych lub (rzadziej) rozłoŝone w Ŝłobkach. Nie mając szczotek, komutatora ani innych elementów, gdzie występuje tarcie mechaniczne silniki krokowe są uŝytkowane przez długie lata. Ich trwałość wynika głównie z Ŝywotności łoŝysk. Stąd okres bezawaryjnej pracy jest znacznie dłuŝszy niŝ w przypadku maszyn komutatorowych.
Klasyfikacja silników krokowych Istnieje wiele typów tych silników i moŝliwe jest pojawienie się nowych. Występuje więc potrzeba pewnej systematyki, jaką daje wprowadzenie klasyfikacji tych maszyn. Autor publikacji podjął próbę klasyfikacji silników krokowych (dziś juŝ dalece niepełną). Obecnie aktualna jest klasyfikacja przedstawiona na rys. 2.2. Rys. 2.2. Klasyfikacja silników krokowych
Wirujące silniki krokowe dzieli się na trzy podstawowe grupy: o wirniku reluktancyjnym (biernym wirniku), o magnesach trwałych (czynnym wirniku) oraz o wirniku hybrydowym. Oprócz szeroko stosowanych jednosegmentowych silników krokowych o wirniku reluktancyjnym spotykane są silniki wielosegmentowe. Wśród jednosegmentowych silników o wirniku reluktancyjnym występują silniki krokowe z jednym biegunem stojana przypadającym na jeden ząb wirnika, jak równieŝ z jednym biegunem stojana przypadającym na kilka zębów wirnika. Zarówno jedna, jak i druga odmiana moŝe być wykonana w wariancie symetrycznym jak i niesymetrycznym. W odmianie symetrycznej uzwojenia dwóch przeciwległych biegunów stojana tworzą pasmo, natomiast w niesymetrycznym całe uzwojenie jednego pasma jest umieszczone na jednym biegunie. MoŜna dopatrywać się analogii pomiędzy obwodem magnetycznym silnika krokowego z nieuzwojonym wirnikiem z miękkiej magnetycznie stali (reluktancyjnym) i maszyny synchronicznej o zwiększonej częstotliwości typu induktorowego (reluktancyjnego). Podobny charakter ma struktura strefy czynnej zarówno w jednym, jak i w drugim przypadku. W maszynie synchronicznej typu induktorowego od struktury strefy czynnej zaleŝy częstotliwość indukowanego napięcia, a w silniku krokowym ma ona wpływ na liczbę skoków przypadających na jeden obrót. Silniki o magnesach trwałych są wykonane jako jedno- lub wielosegmentowe. Wersja jednosegmentowa moŝe mieć na wirniku podobnie do klasycznej maszyny synchronicznej bieguny jawne lub utajone. Silniki krokowe o magnesach trwałych dzieli się teŝ na magnesowane osiowo lub promieniowo. Nie uwzględniono tego na rys. 2.2 w celu zachowania jego przejrzystości. Hybrydowy silnik krokowy ma magnesy trwałe umieszczone na stojanie lub na wirniku. Wykonywany jest równieŝ w wersji jedno- lub wielosegmentowej. Liniowy silnik krokowy posiada część ruchomą typu reluktancyjnego, ale częściej stosuje się w nim rozwiązanie ze wspomaganiem strumienia za pomocą magnesu trwałego. Silnik w takim wykonaniu moŝe być określony jako hybrydowy. Wszystkie trzy grupy silników krokowych wirujących są stosowane we współczesnych napędach. W następnych podrozdziałach zostanie szczegółowo omówiona ich budowa i zasada działania.
Silnik krokowy o magnesach trwałych (PM permanent magnet) Silnik krokowy o wirniku czynnym często nazywany jest równieŝ silnikiem kubkowym. Jest to silnik o wirniku wytwarzającym strumień magnetyczny i o stojanie z uzwojeniem sterującym. Na stojanie znajdują się bieguny wydatne z umieszczonymi kilkupasmowymi uzwojeniami sterującymi zasilanymi z układu elektronicznego. Przykładowe umieszczenie pasm 1 i 2 uzwojenia stojana w omawianym silniku krokowym przedstawiono na rys. 2.3. Wirnik silnika stanowią magnesy trwałe. Silnik tego typu jest tani, charakteryzuje się niską rozdzielczością o typowych wartościach kąta 7,5 0-15 0 (48-24 kroków na obrót). Rotor silnika nie posiada zębów, lecz jest namagnesowany naprzemiennie biegunami N i S. Bieguny te są usytuowane w linii prostej równoległej do osi rotora i wpływają na zwiększenie indukcji magnetycznej stąd silnik z magnesem trwałym w porównaniu z silnikiem o zmiennej reluktancji ma lepszą charakterystykę momentową. Typowy silnik krokowy o magnesach trwałych moŝe być jedno- lub wielosegmentowy, przy czym mogą występować bieguny jawne lub utajnione (rys. 2.3). Rys. 2.3. Schematyczny rozkład biegunów i pasm silnika krokowego o magnesach trwałych z biegunami: a) jawnymi; b) utajnionymi
Namagnesowanie rotora silnika krokowego z biegunami utajnionymi jest najczęściej promieniowe (rys. 2.4). Spotykane są równieŝ wirniki silników krokowych namagnesowane osiowo. Rys. 2.4. Promieniowe namagnesowanie wirnika silnika PM Silniki krokowe PM posiadają zazwyczaj małą moc, rzędu kilku watów, a ich budowa róŝni się od budowy typowej maszyny elektrycznej. W drukarkach, gdzie nie jest potrzebna duŝa moc, często stosowany jest silnik PM, np: M42SP-5 B 7,5 o firmy Mitsumi. PoniŜej przedstawiono budowę stojana (rys. 2.5) i wirnika (rys. 2.6) tego silnika. Rys. 2.5. Stojan silnika krokowego o magnesach trwałych M42SP5 firmy MITSUMI: 1-zęby stojana; 2-uzwojenie
Rys. 2.6. Wirnik silnika krokowego o magnesach trwałych M42SP5 firmy MITSUMI Kształt biegunów stojana (rys. 2.5) przypomina kły. Stąd nazwa: bieguny typu kłowego. Wirnik silnika PM często zwany jest kubkowym ze względu kształt przypominający kubek (rys. 2.6). Jest to silnik dwu fazowy. Na rys. 2.5 widać dwie cewki. KaŜdej fazie odpowiada taka sama ilość biegunów. Silnik PM z przyczyn technologicznych ma mniejszą długość kroku niŝ silnik VRreluktancyjny, czy silnik HB-hybrydowy. Związane to jest z łatwiejszym wycinaniem blachy elektrotechnicznej dla wirnika o duŝej ilości zębów, niŝ namagnesowanie wirnika tak, aby miał duŝą ilość biegunów. Zasada działania silnika PM omówiona jest w dalszej części rozdziału na podstawie trzech kolejnych kroków wirnika (rys. 2.7). W początkowej chwili prąd płynie przez uzwojenie 1. Przyciągające się bieguny spowodują odpowiednie ustawienie wirnika. Jeśli przestanie płynąć prąd w uzwojeniu 1, a popłynie w uzwojeniu 2, wtedy bieguny wirnika oznaczone jako Z Z ustawią się w osi biegunów uzwojenia 2 (rys. 2.7b). Rys. 2.7. Kolejne połoŝenia wirnika silnika krokowego PM
Wirnik obróci się zgodnie z ruchem wskazówek zegara o kąt 30 stopni i ustawi w połoŝeniu pokazanym na rys. 2.7b. Bieguny uzwojenia 2 oddziałują z inną parą biegunów wirnika, niŝ wcześniej bieguny uzwojenia 1. W następnym kroku uzyskano obrót o kolejne 30 stopni w tym samym kierunku. Biegunowość biegunów stojana (rys. 2.7c) jest inna niŝ w połoŝeniu przedstawionym na rys. 2.7a. Związane jest to ze zmianą kierunku przepływu prądu w uzwojeniu 1. Kolejny krok i obrót o 30 stopni (rys. 2.7d) uzyskuje się wymuszając prąd płynący uzwojeniu 2 w kierunku przeciwnym niŝ w przypadku pokazanym na rys. 2.7b. Dalszy ruch jest analogiczny jak na początku, pokazuje to rys. 2.7a. Ten przykładowy silnik ma dwie pary biegunów stojana i 3 pary biegunów wirnika, przez co jeden skok powoduje obrót o 30 stopni, zgodnie z poniŝszym wzorem. π pm π 3 2 o a c = = = 30 (2.1) gdzie: a c znamionowa długość kroku p liczba par biegunów m liczba faz Stosując większą liczbę biegunów stojana i wirnika, moŝna uzyskać mniejszą długość kroku. Silniki z magnesami (PM) są pod pewnymi względami lepsze od silników reluktancyjnych (VR). Rozpatrzony silnik krokowy (rys. 2.7) ma komutację dwunastotaktową: dwunastu taktom odpowiada pełny cykl komutacji (do przywrócenia pierwotnego połoŝenia). Po wprowadzeniu pojęcia liczba taktów, wzór na długość kroku moŝna przedstawić w postaci o o 360 360 a c = = (2.2) 2pm kp gdzie: k = 2m jest liczbą taktów w jednym cyklu.
Silnik reluktancyjny (VR variable reluctance) Silnik krokowy o wirniku reluktancyjnym, (wirnik określany równieŝ jako bierny) jest jednym z najprostszych rozwiązań silnika krokowego. Znane są dwa rodzaje silników VR: o jednym zębie wirnika na biegun stojana i o kilku zębach wirnika na biegun stojana. Rys. 2.8 przedstawia budowę silnika VR z jednym zębem wirnika na jeden biegun stojana. Rys. 2.8. Stojan i wirnik silnika krokowego VR z jednym biegunem wirnika na jeden biegun stojana W silniku przedstawionym na rys. 2.8 podziałki zębowe stojana i wirnika są takie same. Gdy kilka zębów wirnika przypada na jeden biegun stojana, to podziałki mają róŝne wartości. W konstrukcji pokazanej na rys. 2.8 uzwojenie dwu przeciwległych biegunów stojana tworzy pasmo; układ taki jest nazywany symetrycznym. MoŜliwe jest teŝ rozwiązanie niesymetryczne, wtedy całe uzwojenie jednego pasma jest umieszczone w jednym biegunie. W rozwiązaniu niesymetrycznym nadmiernie zuŝywają się łoŝyska, a praca jest hałaśliwa. Rozpatrywany silnik jest silnikiem jednosegmentowym. Silnik krokowy wielosegmentowy ma lepsze właściwości. Budowę wirnika takiego silnika (trójsegmentowego) przedstawia rys. 2.9.
Rys. 2.9. Wirnik 3-segmentowego silnika VR Silnik taki ma trzy przesunięte względem siebie, pakiety stojana (rys. 2.10). Istnieją silniki wielosegmentowe o większej liczbie segmentów. UmoŜliwia to uzyskanie, przy kolejnym zasilaniu impulsami uzwojeń segmentów duŝej liczby kroków o małym kącie. Rys. 2.10. Wirnik i stojan 3-segmentowego silnika VR Silniki VR mają małą długość kąta wynoszącą 0,45 0-1,5 0, lecz moŝna je wysterować duŝą częstotliwością, dochodzącą do 100 khz i więcej. Wirnik wykonany jest z miękkiej magnetycznie stali, przez co nie posiada on momentu trzymającego, jeśli w uzwojeniu stojana nie płynie prąd. MoŜna zatem łatwo odróŝnić silniki VR od silników PM czy HB, gdyŝ wirnik takiego silnika (VR) swobodnie się obraca przy braku zasilania. Działanie silnika krokowego o wirniku reluktancyjnym opiera się na wykorzystaniu momentu reluktancyjnego, powstającego w wyniku dąŝenia linii pola magnetycznego do zamknięcia się w obwodzie o najmniejszej reluktancji (rys. 2.11). Strumień w obwodzie magnetycznym (wzór 2.3) jest funkcją przepływu (I*z) oraz reluktancji (oporu magnetycznego) R m tym mniejszej, im mniejszy jest kąt β, czyli kąt wychylenia się wirnika od stanu równowagi (rys. 2.11).
I z = Φ (2.3) R m gdzie: I prąd płynący w uzwojeniu z- liczba zwojów R m opór magnetyczny Rys. 2.11. Zastępczy schemat obwodu magnetycznego silnika VR W ten sposób powstaje moment obrotowy, zwany reluktancyjnym, dąŝący do ustawienia wirnika w połoŝeniu β = 0 (rys. 2.11). Przykładowy silnik krokowy o wirniku reluktancyjnym przedstawiony na rys. 2.12. Posiada on uzębiony wirnik z miękkiej magnetycznie stali oraz stojan z trzema pasmami uzwojenia, zasilanymi z układu elektronicznego. Rys. 2.12. Kolejne połoŝenia wirnika silnika krokowego VR Trzy kolejne połoŝenia wirnika podczas pracy silnika VR pokazano na rys. 2.12. W momencie pojawienia się prądu w paśmie 2-2, wirnik zajmie połoŝenie pokazane na rys. 2.12b. Kolejny obrót wirnik do połoŝenia przedstawionego na rys. 2.12c następuje po zasileniu pasma 3-3. Na rys. 2.12d prąd płynie w paśmie 1-1, a wirnik wykonuje kolejny skok. Długość kroku takiego silnika wynosi: o o 360 360 o ac = = = 15 (2.4) 2 Z m 4 3 2 r
Silnik hybrydowy (HB hybrid) Silniki krokowe hybrydowe są obecnie najczęściej stosowane. Posiadają one małą długość kroku, a więc duŝą dokładność i precyzję działania. Są droŝsze niŝ silniki VR czy PM jednak charakteryzują się lepszymi parametrami takimi jak rozdzielczość, prędkość czy moment. Silnik HB łączy w sobie zalety silnika VR i PM. Rotor ma wiele zębów jak silnik VR i posiada magnesy trwałe zwiększające moment poprawiające stabilność wirnika jak silnik PM. Rys. 2.13 przedstawia często spotykany silnik HB firmy SANYO DENKI. Jest to silnik dwu fazowy o znamionowej długości kroku 1,8 o, czyli o ilości 200 kroków na jeden obrót. Rys. 2.13. Silnik hybrydowy firmy SANYO DENKI, typ: 103-556-0270 Hybrydowy silnik krokowy ma wirnik reluktancyjny, a ponadto magnes trwały, wzmacniający przepływ wywołany impulsem sterującym dla poŝądanego ustawienia zębów. Wirnik składa się z dwu Ŝłobkowanych pakietów i umieszczonym pomiędzy nimi magnesem trwałym namagnesowanym osiowo (rys. 2.13).
Pakiety wirnika przesunięte są względem siebie o ½ zęba (rys. 2.14). Rys. 2.14. Przesunięcie pakietów wirnika silnika HB o 1/2 zęba Jeden pakiet ma wszystkie zęby o biegunowości N, drugi pakiet ma zęby o biegunowości S. Jest to moŝliwe dzięki osiowemu namagnesowaniu wirnika (rys. 2.15) Rys. 2.15. Namagnesowanie osiowe wirnika silnika HB Magnes trwały umieszczony na wirniku lub na stojanie wytwarza strumień magnetyczny, zamykający się w obwodzie magnetycznym: stojan szczelina powietrzna wirnik. Po zasileniu uzwojenia stojana impulsem sterującym, strumień magnetyczny pod jednym biegunem stojana dodaje się do strumienia magnesów trwałych, pod drugim zaś odejmuje. Wirnik przesunie się w połoŝenie, przy którym osie zębów stojana i wirnika pokryją się. Silnik wykona jeden krok. Bieguny stojana są wzbudzane w odpowiedniej kolejności tak, aby zrealizować kolejne przemieszczenia kątowe. Rys. 2.16 pokazuje zasadę działania silnika HB przy najprostszym sterowaniu, czyli polowym. W danej jednostce czasu załączone jest tylko jedno całe uzwojenie A lub B. W celu lepszego zrozumienia zasady działania, na rysunku 2.16 pokazano tylko pakiet wirnika o biegunowości S. Pakiet N jest przesunięty względem pakietu S o ½ zęba (rys. 2.14).
W pierwszym kroku załączone jest uzwojenie A. Zęby biegunów 1, 5 o polaryzacji N ustawione są naprzeciw zębów wirnika S. Zęby biegunów 3, 7 o polaryzacji S ustawione są pomiędzy zębami wirnika. Załączając uzwojenie B wirnik obraca się o kolejny krok, bieguny 2, 6 o polaryzacji N i ich zęby są naprzeciw zębów wirnika, a bieguny 4, 8 o polaryzacji przeciwnej ustawiają się pomiędzy zębami wirnika. Po zmianie kierunku prądu w uzwojeniu A, silnik wykona trzeci krok. Analogicznie zmieniając kierunek prądu w fazie B, zęby pakietu S wirnika ustawią się naprzeciw zębów biegunów 4 i 8. Rys. 2.16. Przemieszczenie wirnika silnika krokowego HB przy sterowaniu polowym.
3. Sterowanie silników krokowych Rozpatrując właściwości silnika krokowego naleŝy 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 korzystnych charakterystyk silnika krokowego. Zasadniczy rozwój silników krokowych zmierza w kierunku zwiększenia liczby kroków, momentu obrotowego i sprawności, a zmniejszenia inercji mechanicznej. Nawet przeciętny silnik krokowy dzięki odpowiedniemu sterowaniu moŝe rozwijać duŝy moment obrotowy przy duŝej częstotliwości pracy. Pojęcie małej, średniej, czy duŝej częstotliwości pracy silnika krokowego wynika z charakterystycznych rodzajów jego pracy, przedstawionych na rys. 3.1. Rys. 3.1. Odpowiedzi silników krokowych przy pracy: a) start-stopowej; b) ze średnią prędkością; c) z duŝą prędkością. Rys. 3.1a pokazuje pracę start-stopową (zwaną takŝe quasi-statyczną): po wykonaniu kroku wirnik osiąga połoŝenie spoczynku. W przypadku pracy z rys. 3.1b wirnik zanim osiągnie stan spoczynku, rozpoczyna następny krok. Natomiast rys. 3.1c przedstawia ruch obrotowy wirnika z duŝą prędkością.
Prędkość obrotowa (min -1 ) silnika krokowego moŝe być obliczona ze wzoru 60 n = αc f (3.1) 360 gdzie: f - częstotliwość pracy silnika, równa liczbie impulsów na sekundę Długość kroku nawet tego samego silnika moŝe być róŝna w zaleŝności od wytworzonego przez układ elektroniczny programu sterowania. Głównymi elementami układu sterowania silnika krokowego są: źródło impulsów, układ logiczny, wzmacniacz (stopień wyjściowy mocy) i zasilacz prądu stałego. Rys. 3.2. Schemat blokowy układu sterowania silnikiem krokowym Źródłem impulsów moŝe być generator impulsów, maszyna cyfrowa, mikroprocesor, przetwornik sygnału ciągłego na impulsowy lub pamięć operacyjna, Blok, określony ogólnie jako układ logiczny, zawiera układ formowania impulsów na prostokątne oraz układ rozdzielania impulsów na poszczególne pasma uzwojenia silnika. JeŜeli ma być zapewniony nawrót silnika, konieczne jest jeszcze odpowiednie rozbudowanie układu. Stopień wyjściowy jest wzmacniaczem wykonanym na wysokosprawnych tranzystorach mocy. Dla kaŝdego pasma uzwojenia wzmacniacz ten jest wykonany w takim samym układzie. Zasilacz prądu stałego posiada dwa wyjścia napięciowe: jedno u duŝej wydajności prądowej do zasilania silnika i drugie o napięciu wyjściowym równym 5V przeznaczonym do zasilania układów elektronicznych.
Istnieją dwa podstawowe sposoby sterowania silnika krokowego: sterowanie bipolarne - całe pasmo uzwojenia bierze udział w pracy oraz unipolarne - jednocześnie włączone jest tylko pół pasma. Zaletą sterowania bipolarnego jest dobre wykorzystanie momentu obrotowego gdyŝ przez całe uzwojenie płynie prąd. Wadą jest to, Ŝe zapewnienie przeciwnego zwrotu prądu w uzwojeniu wymaga bardziej rozbudowanego układu sterowania. Zaletą wariantu unipolarnego jest prostszy układ połączeń, wadą zaś to, Ŝe jednocześnie pracuje tylko połowa uzwojenia, a zatem nie wytwarza się moment obrotowy o pełnej wartości. Przebieg charakterystyki momentu w funkcji częstotliwości kroków zaleŝy od przyjętego rodzaju sterowania (bipolarne lub unipolarne) oraz od zastosowanego układu ograniczania prądu (rezystorowe lub elektroniczne). Przez odpowiednie przełączenie uzwojeń silnika uzyskać moŝna podział kroku zwiększając jednocześnie rozdzielczość układu napędowego z silnikiem krokowym. Pracę taką nazywa się: pełnokrokową, półkrokową, ćwierćkrokową lub mikrokrokową w zaleŝności od stopnia podziału kroku. Praca mikrokrokowa silnika krokowego polega na realizowaniu przez silnik w granicach jednego kroku pewnej liczby (np. 100) mikrokroków, co uzyskuje się dzięki doprowadzonym do uzwojeń silnika krokowego sygnałom sterującym o specjalnym kształcie. Aby zapewnić pracę mikrokrokową silnika krokowego stosuje się układ sterowania wytwarzający sygnały o poziomach pośrednich pomiędzy maksymalną i minimalną wartością sygnału źródła. Dzięki takiemu wymuszeniu prądy w pasmach silnika wytwarzają wektor strumienia magnetycznego, o połoŝeniu określonym w przestrzeni przez wartości tych prądów. Wektor strumienia magnetycznego zajmuje połoŝenia pośrednie pomiędzy połoŝeniami określonymi przez konstrukcję silnika. Konstrukcyjna liczba kroków bazowych zostaje w ten sposób pomnoŝona elektronicznie przez liczbę mikrokroków. Uzyskanie takiej pracy jest moŝliwe przez dostarczenie do pasm silnika przebiegów prądów o pseudoanalogowym kształcie, przy czym moment obrotowy i stabilność powinny odpowiadać warunkom pracy konwencjonalnej. Teoretycznie moŝe być nieskończenie wiele mikrokroków, lecz w związku z występowaniem zjawiska histerezy, mogącego spowodować opuszczanie kroków przy małych zmianach pola magnetycznego, praktycznie uzyskuje się ich znacznie mniej.