Co to jest silnik krokowy, dlaczego jest potrzebny i jak działa
Silniki krokowe prądu stałego są szeroko stosowane w maszynach sterowanych numerycznie i robotyce. Główną różnicą tego silnika elektrycznego jest zasada jego działania. Wał silnika krokowego nie obraca się przez długi czas, a jedynie obraca się o określony kąt. Zapewnia to dokładne pozycjonowanie elementu roboczego w przestrzeni. Zasilanie takiego silnika jest dyskretne, to znaczy odbywa się za pomocą impulsów. Te impulsy również obracają wał o określony kąt, każdy taki obrót nazywany jest krokiem, stąd nazwa. Często te silniki elektryczne współpracują z przekładnią w celu zwiększenia dokładności montażu i momentu obrotowego na wale oraz z enkoderem do śledzenia położenia wału w tym momencie. Elementy te są niezbędne do przekazywania i przekształcania kąta obrotu. W tym artykule powiemy czytelnikom strony Elecroexpert o urządzeniu, zasadzie działania i przeznaczeniu silników krokowych.
Jak działa silnik krokowy
Typem jest bezszczotkowy synchroniczny silnik elektryczny. Składa się z stojan i wirnik. Na wirniku zwykle znajdują się sekcje, złożone z arkuszy stali elektrycznej (na zdjęciu jest to część „zębata”), a te z kolei są oddzielone magnesami trwałymi. Na stojanie znajdują się uzwojenia w postaci oddzielnych cewek.
Zasada działania
Działanie silnika krokowego można rozważyć w modelu warunkowym. W pozycji 1 napięcie o określonej polaryzacji jest przykładane do uzwojenia A i B. W wyniku tego w stojanie powstaje pole elektromagnetyczne. Ponieważ przyciągane są różne bieguny magnetyczne, wirnik przyjmie swoje położenie wzdłuż osi pola magnetycznego. Ponadto pole magnetyczne silnika utrudni próby zmiany położenia wirnika z zewnątrz. Mówiąc najprościej, pole magnetyczne stojana będzie działać, aby powstrzymać wirnik przed zmianą ustawionej pozycji (na przykład pod obciążeniem mechanicznym wału).
Jeżeli napięcie o tej samej polaryzacji zostanie przyłożone do uzwojenia D i C, pole elektromagnetyczne będzie się przesuwać. Powoduje to obrót wirnika z magnesem trwałym do pozycji 2. W tym przypadku kąt obrotu wynosi 90 °. Ten kąt będzie skokiem wirnika.
Pozycja 3 jest osiągana poprzez przyłożenie napięcia o odwrotnej polaryzacji do uzwojeń A i B. W tym przypadku pole elektromagnetyczne stanie się przeciwne do pozycji 1, wirnik silników przesunie się, a całkowity kąt wyniesie 180 °.
Podczas przykładania napięcia o odwrotnej polaryzacji do uzwojeń D i C wirnik obraca się o kąt do 270 ° względem położenia początkowego. Po podłączeniu napięcia dodatniego do uzwojenia A i B wirnik przyjmie swoje położenie początkowe - dokona obrotu o 360 °.Należy pamiętać, że wirnik porusza się wzdłuż najmniejszej ścieżki, to znaczy od pozycji 1 do pozycji 4 wirnik będzie się obracał dopiero po przejściu przez pośrednie pozycje 2 i 3. Po podłączeniu uzwojenia po 1 pozycji, natychmiast do pozycji 4, wirnik obróci się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.
Rodzaje i typy według biegunowości lub rodzaju uzwojenia
W silnikach krokowych stosowane są uzwojenia bipolarne i jednobiegunowe. Zasada działania została rozważona na podstawie maszyny bipolarnej. Ta konstrukcja wymaga użycia różnych faz do zasilania uzwojeń. Obwód jest bardzo złożony i wymaga drogich i wydajnych kart kontrolnych.
Prostszy schemat sterowania w maszynach jednobiegunowych. W takim schemacie początek uzwojeń jest połączony ze wspólnym „plusem”. Do drugich wniosków z uzwojeń stosuje się na przemian minus. Zapewnia to obrót wirnika.
Silniki krokowe bipolarne są mocniejsze, ich moment obrotowy jest o 40% większy niż w unipolarnym. Silniki elektryczne Unipolar są znacznie wygodniejsze w obsłudze.
Rodzaje silników do projektowania wirników
Zgodnie z rodzajem konstrukcji wirnika silniki krokowe są podzielone na maszyny:
- z magnesem trwałym;
- o zmiennej rezystancji magnetycznej;
- hybrydowy.
Silnik krokowy z magnesem trwałym na wirniku jest umieszczony w taki sam sposób jak w powyższych przykładach. Jedyna różnica polega na tym, że w rzeczywistych maszynach liczba magnesów jest znacznie większa. Zazwyczaj są one dystrybuowane na współdzielonym dysku. Liczba biegunów we współczesnych silnikach sięga 48. Jeden krok w takich silnikach elektrycznych wynosi 7,5 °.
Silniki elektryczne o zmiennej rezystancji magnetycznej. Wirnik tych maszyn wykonany jest z miękkich stopów magnetycznych, zwane są również „silnikami krokowymi”. Wirnik jest zmontowany z pojedynczych płyt iw kontekście wygląda jak koło zębate. Taka konstrukcja jest konieczna, aby strumień magnetyczny zamykał się przez zęby. Główną zaletą tego projektu jest brak momentu blokującego. Faktem jest, że wirnik z magnesami stałymi przyciągany jest do metalowych części silnika elektrycznego. I obrócenie wału przy braku napięcia na stojanie jest dość trudne. W silniku krokowym o zmiennej rezystancji magnetycznej nie ma takiego problemu. Jednak istotną wadą jest mały moment obrotowy. Skok takich maszyn wynosi zwykle od 5 ° do 15 °.
Hybrydowy silnik krokowy został zaprojektowany w celu połączenia najlepszych cech dwóch poprzednich typów. Takie silniki mają niewielki skok w zakresie od 0,9 do 5 °, mają wysoki moment obrotowy i zdolność trzymania. Najważniejszym plusem jest wysoka dokładność urządzenia. Takie silniki elektryczne są stosowane w najnowocześniejszym precyzyjnym sprzęcie. Przez minusy można przypisać tylko ich wysoki koszt. Strukturalnie wirnik tego urządzenia jest namagnesowanym cylindrem, na którym umieszczone są magnetycznie miękkie zęby.
Na przykład w 200-stopniowym silniku krokowym stosuje się dwie tarcze zębate z 50 zębami każda. Tarcze są przesunięte względem siebie o ząb, tak że obniżenie bieguna dodatniego zbiega się z występem ujemnym i odwrotnie. Z tego powodu wirnik ma 100 biegunów z odwrotną polaryzacją.
Oznacza to, że bieguny południowy i północny mogą przesuwać się względem stojana w 50 różnych pozycjach, w sumie w 100. A przesunięcie fazowe o ćwierć daje kolejne 100 pozycji, odbywa się to z powodu sekwencyjnego wzbudzenia.
Zarządzanie SD
Zarządzanie odbywa się za pomocą następujących metod:
- Fala W tej metodzie napięcie jest przykładane tylko do jednej cewki, do której przyciągany jest wirnik. Ponieważ dotyczy tylko jednego uzwojenia, moment obrotowy wirnika jest niewielki i nie nadaje się do przenoszenia dużych mocy.
- Pełny krok. W tym przykładzie wykonania dwa uzwojenia są wzbudzane jednocześnie, co zapewnia maksymalny moment obrotowy.
- Pół kroku. Łączy dwie pierwsze metody.W tym przykładzie wykonania napięcie jest przykładane najpierw do jednego z uzwojeń, a następnie do dwóch. W ten sposób realizowana jest większa liczba kroków i maksymalna siła trzymania, która zatrzymuje wirnik przy dużych prędkościach.
- Mikrostepowanie odbywa się poprzez zastosowanie impulsów mikrostopowych. Ta metoda zapewnia płynny obrót wirnika i zmniejsza szarpanie podczas pracy.
Zalety i wady silników krokowych
Zalety tego typu maszyn elektrycznych obejmują:
- wysokie prędkości startu, zatrzymania, jazdy do tyłu;
- wał obraca się zgodnie z poleceniem urządzenia sterującego pod określonym kątem;
- wyraźne ustalenie pozycji po zatrzymaniu;
- wysoka dokładność pozycjonowania, bez ścisłych wymagań dotyczących sprzężenia zwrotnego;
- wysoka niezawodność ze względu na brak kolektora;
- utrzymywanie maksymalnego momentu obrotowego przy niskich prędkościach.
Wady:
- możliwe, że naruszenie położenia podczas mechanicznego obciążenia wału jest wyższe niż dopuszczalne dla konkretnego modelu silnika;
- prawdopodobieństwo rezonansu;
- złożony schemat kontroli;
- niska prędkość obrotowa, ale nie można tego przypisać znacznym wadom, ponieważ silniki krokowe nie są używane do zwykłego obracania czegokolwiek bezszczotkowy, na przykład, ale dla mechanizmów pozycjonowania.
Silnik krokowy jest również nazywany „silnikiem elektrycznym o skończonym wirniku”. Jest to najbardziej pojemna i zarazem krótka definicja takich maszyn elektrycznych. Są aktywnie wykorzystywane w maszynach CNC, drukarkach 3D i robotach. Głównym konkurentem dla silnika krokowego jest serwonapęd, ale każda z nich ma swoje zalety i wady, które decydują o stosowności zastosowania jednego lub drugiego w każdym przypadku.
Powiązane materiały:
Ładowanie ...
