Jak działa silnik krokowy

Silnik krokowy to bezszczotkowy silnik elektryczny, który dzieli pełny obrót na szereg równych, dyskretnych kroków. W przeciwieństwie do konwencjonalnych silników prądu stałego, które obracają się swobodnie podczas zasilania, silniki krokowe poruszają się w precyzyjnych odstępach kątowych, dając inżynierom bezpośrednią kontrolę nad położeniem, prędkością i kierunkiem bez potrzeby stosowania czujników sprzężenia zwrotnego. To czyni je jednym z najczęściej stosowanych typów silników w nowoczesnej inżynierii precyzyjnej, od maszyn CNC i drukarek 3D po ramiona robotyczne i zautomatyzowany sprzęt laboratoryjny.

W tym artykule omówiono anatomię silnika krokowego, wyjaśniono, w jaki sposób każdy komponent przyczynia się do jego działania i obejmuje metody krokowe, które zapewniają inżynierom precyzyjną kontrolę nad ruchem.

Zawartość

• Standardy rozmiaru NEMA
• Stojan: generowanie pola magnetycznego
• Wirnik: przekształcanie siły magnetycznej w ruch
• Łożyska: Podpieranie wału
• Sterownik silnika krokowego
• Metody krokowe
• Konfiguracje jednobiegunowe vs bipolarne
• Wybór odpowiedniego silnika krokowego
• Opakowanie
• Często zadawane pytania

Standardy rozmiaru NEMA

Przed zbadaniem wewnętrznego działania silnika krokowego pomaga zrozumieć, w jaki sposób są klasyfikowane. Rozmiary NEMA to znormalizowany zestaw wymiarów obudowy ustanowiony przez US National Electrical Manufacturers Association. Numer NEMA reprezentuje szerokość płyty czołowej silnika w calach, pomnożoną przez dziesięć. Silnik NEMA 14 ma 1,4-calową płytę czołową, NEMA 17 mierzy 1,7 cala, a NEMA 23 ma 2,3 cala.

Rozmiar NEMA standaryzuje interfejs montażowy, dzięki czemu wzory otworów na śruby i wymiary płyty czołowej pozostają spójne w każdej klasyfikacji. Jednak długość nadwozia różni się znacznie w zależności od silników o tym samym rozmiarze NEMA. Dłuższy korpus zazwyczaj mieści większe cewki i większy wirnik, co przekłada się na wyższy moment obrotowy. Przy wyborze silnika krokowego pierwszą praktyczną decyzją jest dopasowanie rozmiaru NEMA do ograniczeń montażowych i długości nadwozia do wymagań dotyczących momentu obrotowego.

Stojan: generowanie pola magnetycznego

Stojan jest stacjonarną zewnętrzną częścią wewnętrznego mechanizmu silnika. Mieści kilka faz elektromagnetycznych, z których każda składa się z wielu uzwojeń elektromagnetycznych rozmieszczonych wokół wnętrza obudowy silnika.

Uzwojenia

Uzwojenie (lub cewka) jest podstawowym elektromagnetycznym budulcem każdego silnika krokowego. Każda cewka składa się z dwóch części: ciasno nawiniętej długości drutu przewodzącego i rdzenia magnetycznego. Kiedy prąd przechodzi przez przewód, generuje pole magnetyczne wokół rdzenia. To pole przyciąga zęby wirnika do wyrównania - podstawowa czynność, która wytwarza ruch.

Fazy

Faza to grupa kilku uzwojeń połączonych szeregowo, dzięki czemu magnetyzują się wspólnie. Większość silników krokowych ma konstrukcje dwufazowe lub czterofazowe. Liczba faz określa liczbę różnych stanów elektromagnetycznych, przez które silnik może przejść, co z kolei wpływa na rozdzielczość kroku i charakterystykę momentu obrotowego. Silniki dwufazowe (najczęstsza konfiguracja) oferują dobrą równowagę między prostotą, kosztami i wydajnością dla większości zastosowań.

Wirnik: przekształcanie siły magnetycznej w ruch

Wirnik znajduje się w środku silnika i jest elementem, który faktycznie się obraca. W hybrydowym silniku krokowym, najczęściej stosowanym typie w zastosowaniach precyzyjnych, wirnik jest trwale namagnesowaną cylindryczną kolumną wyłożoną dużą liczbą równomiernie rozmieszczonych zębów.

Zęby te są ułożone w wiele pierścieni offsetowych znanych jako laminacje. Niewielka niewspółosiowość między pierścieniami laminującymi jest kluczową cechą konstrukcyjną: zachęca wirnik do płynnego przechodzenia z jednego kroku do drugiego. Bez tego przesunięcia silnik zablokowałby się lub gwałtownie szarpniałby między pozycjami, zamiast obracać się w kontrolowany sposób.

Wzajemne oddziaływanie między stojanem a wirnikiem jest proste. Sterownik zasila fazę, cewki stojana generują pole magnetyczne, a zęby wirnika wyrównują się z tym polem. Zasilaj następną fazę, a wirnik przesuwa się o jeden krok. Powtarzaj to tysiące razy na sekundę, a otrzymasz ciągły, precyzyjnie kontrolowany obrót.

Łożyska: Podpieranie wału

Łożyska obrotowe scentralizują wał silnika i zmniejszają tarcie podczas obrotu. Poprawa wydajności obrotowej wydłuża zarówno żywotność, jak i efektywność energetyczną silnika. Ponieważ silniki krokowe są zespołami bezszczotkowymi z bardzo małą ilością wewnętrznych źródeł tarcia, łożyska są zazwyczaj pierwszym (i często jedynym) elementem, który zużywa się podczas dłuższego użytkowania. Wymiana zużytych łożysk jest jednym z najczęstszych zadań konserwacyjnych zespołów silników krokowych.

Sterownik silnika krokowego

Silnik krokowy nie może działać bezpośrednio z zasilacza. Wymaga sterownika, który jest obwodem elektronicznym, który działa zarówno jako system sterowania, jak i wzmacniacz prądu.

Sterownik kieruje prąd do każdej fazy silnika w szybkich, precyzyjnie określonych sekwencjach, potencjalnie tysiące razy na sekundę. Kontrolując, które fazy są zasilane i w jakiej kolejności, kierowca dyktuje prędkość silnika, kierunek i rozdzielczość kroku. Złożoność sterownika może wahać się od prostej płyty do projektów hobbystycznych po wyrafinowany kontroler z zamkniętą pętlą do automatyki przemysłowej.

Metody krokowe

Metoda zasilania fazami silnika decyduje o rozdzielczości i płynności kroku. Powszechnie stosowane są trzy metody.

Pełny krok

W trybie pełnoetapowym sterownik zasila jedną fazę na raz (napęd falowy) lub dwie fazy jednocześnie (napęd pełnoetapowy). Każdy impuls przesuwa wirnik o jeden pełny krok, zwykle o 1,8° dla standardowego silnika 200-stopniowego, dając 200 dyskretnych pozycji na obrót. Pełny krok zapewnia maksymalny moment obrotowy na krok, ale wytwarza najwięcej wibracji.

W połowie kroku

Połowa stopniowa zmienia się między zasilaniem pojedynczej fazy a jednocześnie zasilaniem dwóch sąsiednich faz. Gdy aktywne są dwie fazy, wirnik osadza się w połowie drogi między dwiema pozycjami pełnostopniowymi. Podwaja to liczbę kroków na obrót do 400, zmniejszając o połowę kąt kroku do 0,9°. Kompromis polega na niewielkim zmniejszeniu momentu obrotowego podczas jednofazowych części cyklu, ale poprawa rozdzielczości pozycyjnej i gładkości jest znacząca.

Mikrostep

Mikrostep rozwija tę zasadę dalej, zmieniając stosunek prądu między dwiema aktywnymi fazami, zamiast po prostu je włączać i wyłączać. Poprzez przyłożenie proporcjonalnie większej ilości prądu do jednej fazy niż drugiej, sterownik może ustawić wirnik w punktach pośrednich między pełnymi stopniami. Typowe rozdzielczości mikrokrokowe obejmują 1/4, 1/8, 1/16 i 1/32 pełnego kroku, a niektóre wysokiej klasy sterowniki obsługują mikrostep 1/256. Zapewnia to znacznie płynniejszy ruch i cichszą pracę, dlatego mikrostep jest trybem domyślnym w większości aplikacji do drukowania CNC i 3D.

Konfiguracje jednobiegunowe vs bipolarne

Silniki krokowe dzielą się na dwie konfiguracje elektryczne, każda z odrębnym okablowaniem i charakterystyką wydajności.

• Sil@@ niki jednobiegunowe wykorzystują uzwojenie wyśrodkowane na każdej fazie, skutecznie dzieląc każdą cewkę na dwie części. Prąd płynie tylko w jednym kierunku przez każdą półcewkę, co upraszcza obwód sterownika. Kompromis polega na tym, że tylko połowa uzwojenia jest aktywna w dowolnym momencie, zmniejszając dostępny moment obrotowy.
• Silniki dwubiegun owe wykorzystują pełne uzwojenie na każdej fazie i kierunek prądu wstecznego, aby zmienić polaryzację magnetyczną. Wymaga to bardziej złożonego sterownika (obwodu mostka H), ale zapewnia znacznie wyższy moment obrotowy z tego samego rozmiaru ramy silnika. W przypadku większości zastosowań precyzyjnych preferowanym wyborem są konfiguracje bipolarne. Artykuł techniczny Accu na temat jednobiegunowych i dwubiegunowych silników krokowych szczegółowo om awia to porównanie.

Wybór odpowiedniego silnika krokowego

Wybór silnika krokowego do danego zastosowania wymaga wyważenia kilku czynników: momentu obrotowego wymaganego przy prędkości roboczej, dostępnej obudowy montażowej (rozmiar NEMA), wymaganej dokładności położenia i kompatybilności elektrycznej ze sterownikiem. Wyższe rozmiary NEMA zawierają większe stojane i wirniki, zwiększając wydajność momentu obrotowego, ale także zwiększając wagę i zużycie energii. Accu dostarcza silniki krokowe w klasyfikacjach NEMA 17 i NEMA 23 zarówno w konfiguracjach jednobiegunowych, jak i dwubiegunowych, wraz z kompatybilnymi sterownikami silników krokowych o wartości od 0,3 A do 2,0 A.

Podsumowanie

Silniki krokowe zdobywają swoje miejsce w inżynierii precyzyjnej, ponieważ oferują kontrolę pozycji w pętli otwartej i dokładny, powtarzalny ruch bez kosztów i złożoności sprzężenia zwrotnego enkodera. Zrozumienie, w jaki sposób stojan, wirnik, łożyska i sterownik współpracują ze sobą w celu uzyskania dyskretnych, sterowalnych kroków, jest podstawą do określenia odpowiedniego silnika dla każdego projektu. Wybrana metoda krokowa i konfiguracja elektryczna dostosują ten wybór do wymagań dotyczących rozdzielczości, momentu obrotowego i płynności.

Dalsze czytanie

• Silniki krokowe jednobiegunowe vs bipolarne silniki krokowe - szczegółowe porównanie dwóch konfiguracji uzwojenia
• Obliczanie napięcia, prądu i rezy stancji - podstawowa teoria elektryczna do wyboru silnika
• Sterowniki silników krokowych (0,3 A — 2,0 A) - gama kompatybilnych płyt sterowników Accu

Często zadawane pytania

P: Jaka jest różnica między silnikiem krokowym a silnikiem serwo?

Odp.: Silnik krokowy porusza się w stałych odstępach kątowych i opiera się na sterowaniu w pętli otwartej, co oznacza, że kierowca wysyła impulsy krokowe i ufa silnikowi, że będzie podążał za nim. Silnik serwo wykorzystuje system zamkniętej pętli z czujnikiem sprzężenia zwrotnego (zazwyczaj enkoder), aby stale korygować swoją pozycję. Serwa wyróżniają się szybkimi aplikacjami o wysokim momencie obrotowym, w których dynamiczne zmiany obciążenia są powszechne. Silniki krokowe lepiej nadają się do zastosowań wymagających precyzyjnego pozycjonowania przy umiarkowanych prędkościach bez dodatkowych kosztów sprzętu sprzężenia zwrotnego.

P: Ile kroków ma silnik krokowy na obrót?

Najczęstszą konfiguracją jest 200 kroków na obrót, dając kąt kroku 1,8°. Niektóre silniki oferują 400 kroków na obrót (kąt kroku 0,9°). Mikrostep może je dalej podzielić, na przykład silnik 200-stopniowy pracujący z mikrostopniowaniem 1/16 skutecznie zapewnia 3200 pozycji na obrót.

Odp.: Czy silnik krokowy może pracować nieprzerwanie jak silnik prądu stałego?

Tak. Chociaż silniki krokowe są często kojarzone z precyzyjnymi zadaniami pozycjonowania, mogą pracować w sposób ciągły ze stałą prędkością. Kierowca po prostu kontynuuje wysyłanie impulsów krokowych ze stałą szybkością. Jednak silniki krokowe tracą moment obrotowy przy wyższych prędkościach i generują więcej ciepła podczas pracy ciągłej niż praca przerywana, dlatego zarządzanie termiczne i krzywe momentu obrotowego powinny być sprawdzane podczas procesu specyfikacji.

P: Dlaczego mój silnik krokowy wibruje lub hałasuje?

Odp.: Wibracje w silnikach krokowych są spowodowane dyskretnym charakterem każdego kroku. Wirnik zatrzaskuje się z jednej pozycji do drugiej i przy pewnych prędkościach impulsy te mogą rezonować ze strukturą mechaniczną. Przełączenie z trybu pełnego na półstopniowy lub mikrostopniowy znacznie zmniejsza wibracje, a zapewnienie bezpiecznego zamontowania silnika i prawidłowego obciążenia pomaga również tłumić rezonans.