Jak działa silnik krokowy? Silniki krokowe – budowa, sterowanie i zastosowanie

Budowa silnika krokowego

Podstawowy silnik krokowy składa się z rotora i stojana, które tylko z nazwy są elementami łączącymi krokowce z tradycyjnymi silnikami prądu stałego, ponieważ konstrukcja tych części jest zupełnie inna w obu rodzajach silników. Silniki krokowe, w odróżnieniu od silników wykonujących stały ruch obrotowy, są silnikami bezszczotkowymi. Nie ma w nich elementów mechaniczno-elektrycznych współpracujących z komutatorem w celu wymuszenia przepływu prądu w odpowiednich częściach uzwojenia wirnika. To dobrze, ponieważ szczotki i komutator są częściami nietrwałymi, zużywającymi się, a czasami też powodującymi poważne awarie urządzeń, które napędzają. W silnikach krokowych szczotki i komutator nie są potrzebne z uwagi na oddziaływanie pola magnetycznego pomiędzy wirnikiem – magnesem trwałym i uzwojeniem w postaci elektromagnesów. W wyniku oddziaływania pomiędzy tymi elementami wirnik w kształcie koła zębatego obraca się o określoną liczbę sekcji. Brak szczotek sprawia, że żywotność silników skokowych zależna jest tylko od żywotności łożysk. W ogólnym rozrachunku taka konstrukcja silnika krokowego powoduje, że jest on rozwiązaniem droższym, ale ma ogromną przewagę nad tradycyjnymi silnikami pod względem możliwości i wydajności.

Omówmy jednak budowę silnika krokowego na przykładzie zaawansowanego rozwiązania do zastosowania w przemyśle – zintegrowanego silnika krokowego serii ServoStep produkcji JVL. Przedstawiony model to MIS231S.

 

Zintegrowany silnik krokowy serii ServoStep poza oczywistym elementem – silnikiem krokowym o wysokim momencie obrotowym, składa się w najbardziej rozbudowanej wersji także z enkodera inkrementalnego lub absolutnego wieloobrotowego, sterownika (ePLC), drivera oraz modułu przemysłowego Ethernetu (Industrial Ethernet). Wraz z elektroniką wszystkie te elementy silnika krokowego tworzą układ zamknięty w jednej obudowie. W standardowych rozwiązaniach części te występują jako osobne elementy układu napędowego. Obecność enkodera umożliwia pracę silnika w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego. Taka zintegrowana konstrukcja ma wiele zalet. Wymieńmy kilka z nich:

• eliminacja zakłóceń elektrycznych, które w standardowych silnikach krokowych powstają poprzez połączenia kablowe elementu wykonawczego z pozostałymi składnikami układu;
• oszczędność miejsca w szafie sterowniczej, w której zwykle umieszcza się driver i kontroler (np. w postaci PLC);
• oszczędność czasu potrzebnego na okablowanie i instalację i idące za tym zaoszczędzone pieniądze;
• eliminacja błędów montażowych pomiędzy driverem i silnikiem;
• kompaktowe wymiary silnika – np. silnik krokowy MIS340 z serii ServoStep jest najbardziej kompaktowym spośród wszystkich silników o kołnierzu NEMA34 na rynku.

Silniki krokowe – zasada działania i zastosowanie

Zadaniem silnika krokowego, podobnie jak każdego innego silnika, jest przekształcenie energii elektrycznej na energię mechaniczną. Podstawową cechą silników skokowych jest jednak to, że ich ruch jest precyzyjny, w przeciwieństwie do silników konwencjonalnych, w których wirnik obraca się ciągle. Obrót wirnika silnika krokowego o określony kąt powoduje przemieszczenie sterowanego przedmiotu o ściśle określoną odległość. Im większa jest rozdzielczość silnika krokowego, tym bardziej jest on precyzyjny. Dla przykładu – zintegrowane silniki krokowe marki JVL wykonują 409600 kroków na obrót, co oznacza, że dla jednego kroku, wirnik wykonuje obrót o kąt wielkości nieco ponad 0,0008º. To jedne z najbardziej precyzyjnych silników krokowych dostępnych na rynku.

Wirnik silnika krokowego wprawiany jest w ruch za sprawą impulsów generowanych w układzie sterującym. W efekcie przesuwa się o konkretną liczbę kroków. Magnes stanowiący wirnik składa się z dwóch przeciwnie namagnesowanych tarcz. Jedna z nich stanowi biegun północny, a druga południowy. Elektromagnesy w silniku krokowym, które stanowią uzwojenie stojana w wyniku podania napięcia, wprawiają wirnik w ruch. Jest to możliwe, ponieważ bieguny elektromagnesów połączone są w pary. Włączenie odpowiedniej liczby par biegunów wyznacza kąt obrotu elementu ruchomego.

Zastosowanie silników krokowych – bieg jałowy

Silniki krokowe powszechnie stosowane są w małych maszynach, w których wymagane jest pozycjonowanie kątowe lub liniowe. Mowa tu jednak o małych silnikach o niskiej rozdzielczości i niskim momencie obrotowym. Tego rodzaju urządzenia doskonale sprawdzają się w komputerach, nagrywarkach, drukarkach, skanerach, rzutnikach, aparatach czy kamerach, nie nadają się jednak do zastosowania w automatyce, a ściślej mówiąc – w aplikacjach w przemyśle.

Silnikom krokowym do profesjonalnych aplikacji, takim jak zintegrowane silniki krokowe serii ServoStep stawia się wysokie wymagania dotyczące momentu, precyzji pozycjonowania, powtarzalności, a także prędkości, żywotności i prostoty sterowania. Wysokie momenty obrotowe oraz dynamika pracy charakteryzująca tego rodzaju silniki predestynuje je do użycia w aplikacjach, które wymagają szybkiej zmiany położenia napędzanego przedmiotu na krótkich odcinkach drogi, ponieważ wszystkie silniki krokowe charakteryzują się utratą momentu obrotowego wraz ze wzrostem prędkości. Krokowce stosowane są również w motoryzacji, gdzie pracują jako silniki regulacji prędkości obrotowej biegu jałowego. Krokowy silnik elektryczny sprawdza się idealnie nie tylko przy biegu jałowym, ale również w wielu innych sytuacjach.

 

Wykres momentu względem prędkości w zintegrowanym silniku krokowym MIS232Q serii ServoStep

Zintegrowane silniki krokowego duńskiego producenta JVL z uwagi na podobieństwo pewnych aspektów pracy do serwosilników, mogą być alternatywą dla serw w aplikacjach, które nie wymagają bardzo dużej dynamiki. Zapewniają one bardzo wysoki moment obrotowy przy niższych prędkościach, a podanie wyższego napięcia powoduje utrzymanie momentu w większym zakresie prędkości

Przykłady zastosowania zintegrowanych silników krokowych serii ServoStep znaleźć można na naszej stronie w zakładce Realizacje. Nasi klienci z powodzeniem używają ich w aplikacjach w branży budowlanej, kosmetycznej czy material handling, np. jako napęd w stole do cięcia tkanin czy w systemie naprowadzania, służącym do produkcji chusteczek nawilżanych. Podczas pandemii COVID-19 jeden z producentów aparatury medycznej użył zintegrowanych silników krokowych JVL jako napędów do 1000 respiratorów produkowanych dla norweskiej służby zdrowia. Więcej informacji o tym projekcie znajduje się w artykule „JVL dostarczy 1000 zintegrowanych silników krokowych krokowych do respiratorów dla norweskiej służby zdrowia„.

Podsumowując, zintegrowane silniki krokowe serii ServoStep zastąpią serwa w aplikacjach wymagających precyzji pozycjonowania, niskich, ale ultraprecyzyjnych prędkości (+/- 0,01 rpm), aplikacjach, w których koszty mają duże znaczenie oraz aplikacjach o krótszym cyklu pracy. Więcej na ten temat w artykule „Jeśli nie serwonapęd, to co? Poznaj alternatywę„.

Sterowanie silnikiem unipolarnym krokowym – sterownik silnika krokowego

Skupmy się na sterowaniu silnikami krokowymi w profesjonalnych zastosowaniach. Tak jak wszystkie pozostałe potrzebują one oczywiście komponentu zadającego sygnały ruchu, czyli popularnego sterownika. W zintegrowanych silnikach krokowych serii ServoStep sterownik – zbliżony funkcjonalnością do PLC, zamontowany jest w obudowie silnika. Wystarczy odpowiednie oprogramowanie komputerowe, żeby wprowadzić do pamięci sterownika właściwy algorytm działania. Można dzięki niemu zbudować całą sekwencję pracy silnika, od prędkości, poprzez drogę i kierunek, po pauzy czy czas postoju po każdej sekwencji. Wszystkimi silnikami produkcji JVL sterować można za pomocą darmowego oprogramowania MacTalk. Zarówno software jak i wszystkie aktualizacje do silników krokowych są bezpłatne. Ponadto MacTalk umożliwia korzystanie z wielu protokołów komunikacyjnych stosowanych w automatyce przemysłowej i dowolne zmiany protokołów Industrial Ethernet w zależności od wymagań klienta. Zintegrowane silniki krokowe serii ServoStep dzięki wbudowanemu modułowi przemysłowego Ethernetu zapewniają komunikację po sieci Ethernet/IP, Profinet, EtherCAT, Modbus TCP, Ethernet Powerlink i SERCOS.

Rozwiązania napędowe tworzone dla automatyki przemysłowej to zaawansowane technologicznie urządzenia. Używając ich, operatorzy nie muszą zastanawiać się jaki rodzaj sterowania zastosować dla danej aplikacji. Dzieje się to automatycznie, sterownik sam dobiera najlepszy sposób. Wyjaśnimy jednak ogólnie najpopularniejsze rodzaje sterowania w silnikach skokowych ze względu na rodzaj wykonywanego kroku:

Silnik krokowy – sterowanie pełnokrokowe

W sterowaniu pełnokrokowym pracują dwa uzwojenia jednocześnie w silniku bipolarnym i dwa z czterech uzwojeń w silniku unipolarnym. Wirnik silnika sterowany pełnym krokiem nie ustawia się naprzeciwko biegunów stojana, lecz pomiędzy nimi, tym samym zwiększając moc i moment silnika.

Sterowanie półkrokowe – silnik unipolarny i bipolarny

Podczas sterowania półkrokowego na przemian zasilane są dwa i jedno uzwojenie stojana, zasada ta dotyczy zarówno sterowania silnikiem bipolarnym jak i unipolarnym. Takie sterowanie zmniejsza wydajność silnika, gdyż są momenty, w których zasilane jest tylko jedno uzwojenie. Zaletą natomiast jest redukcja rezonansu mechanicznego.

Sterowanie mikrokrokowe

Sterowanie mikrokrokowe wymaga najbardziej skomplikowanego układu sterującego. W tym rodzaju sterowania konieczne jest zapewnienie dużego zróżnicowania wartości napięć płynących w uzwojeniach stojana. Daje to dużą liczbę kroków pośrednich pomiędzy pełnymi krokami, co sprawia, że ruch jest bardziej płynny, drgania są mniejsze, a pozycjonowanie jest dokładniejsze. Zastosowanie tego sterowania wpływa na zwiększenie rozdzielczości.

***
Szczegółowe informacje na temat zintegrowanych silników krokowych serii ServoStep wraz z materiałami dodatkowymi znajdują się w zakładce Produkty.