Silniki krokowe

Silnik krokowy jest urządzeniem elektromechanicznym, które przetwarza sygnały elektryczne na dyskretne ruchy kątowe wału. Zastosowanie silników krokowych pozwala korpusom roboczym maszyn wykonywać ściśle dozowane ruchy poprzez ustalenie ich położenia na końcu ruchu.

Silniki krokowe to siłowniki, które zapewniają stałe ruchy kątowe (kroki). Każda zmiana kąta wirnika jest odpowiedzią silnika krokowego na impuls wejściowy.

Dyskretny elektryczny napęd krokowy w naturalny sposób łączy się z cyfrowymi urządzeniami sterującymi, co pozwala z powodzeniem stosować go w obrabiarkach do obróbki metali sterowanych cyfrowo, w robotach i manipulatorach przemysłowych, w mechanizmach zegarowych.

Dyskretny napęd elektryczny można również zrealizować za pomocą szeregu asynchroniczne silniki elektryczne, które dzięki specjalnemu sterowaniu mogą pracować w trybie skokowym.

Silniki krokowe stosowane są w napędach elektrycznych o mocach od ułamka wata do kilku kilowatów.Rozszerzenie skali mocy dyskretnego napędu elektrycznego można uzyskać stosując szeregowe asynchroniczne silniki elektryczne, które dzięki odpowiedniemu sterowaniu mogą pracować w trybie krokowym.

Zasada działania silników krokowych wszystkich typów jest następująca. Za pomocą przełącznika elektronicznego generowane są impulsy napięciowe, które podawane są do cewek sterujących znajdujących się na stojanie silnika krokowego.

W zależności od kolejności wzbudzenia cewek sterujących, w szczelinie roboczej silnika następuje taka lub inna dyskretna zmiana pola magnetycznego. Przy przesunięciu kątowym osi pola magnetycznego cewek sterujących silnika krokowego jego wirnik obraca się dyskretnie zgodnie z polem magnetycznym. Prawo wirowania wirnika jest określone przez kolejność, cykl pracy i częstotliwość impulsów sterujących, a także przez typ i parametry konstrukcyjne silnika krokowego.

Zasada działania silnika krokowego (uzyskanie dyskretnego ruchu wirnika) zostanie rozważona na przykładzie najprostszego obwodu dwufazowego silnika krokowego (rys. 1).

Ryż. 1. Uproszczony schemat silnika krokowego z aktywnym wirnikiem

Silnik krokowy ma dwie pary wyraźnie określonych biegunów stojana, na których znajdują się uzwojenia wzbudzenia (sterowania): uzwojenie 3 z zaciskami 1H — 1K i uzwojenie 2 z zaciskami 2H — 2K. Każde uzwojenie składa się z dwóch części umieszczonych na przeciwległych biegunach stojana 1 SM.

Wirnik w rozważanym schemacie jest dwubiegunowym magnesem trwałym.Cewki zasilane są impulsami z urządzenia sterującego, które przetwarza jednokanałową sekwencję wejściowych impulsów sterujących na sekwencję wielokanałową (zgodnie z liczbą faz silnika krokowego).

Rozważmy działanie silnika krokowego, zakładając, że w początkowej chwili napięcie jest przyłożone do cewki 3. Prąd w tej cewce namagnesuje ustawione pionowo bieguny N i 8. W wyniku oddziaływania pola magnetycznego ze stałym magnes wirnika, ten ostatni zajmie położenie równowagi, w którym osie pól magnetycznych stojana i wirnika są takie same.

Położenie będzie stabilne, ponieważ na wirnik działa moment synchronizujący, który dąży do powrotu wirnika do położenia równowagi: M = Mmax x sinα,

gdzie M.max — moment maksymalny, α — kąt między osiami pól magnetycznych stojana i wirnika.

Kiedy jednostka sterująca przełącza napięcie z cewki 3 na cewkę 2, generowane jest pole magnetyczne o biegunach poziomych, tj. pole magnetyczne stojana wykonuje dyskretny obrót o jedną czwartą obwodu stojana. W takim przypadku pojawi się kąt rozbieżności między osiami stojana i wirnika α = 90 ° i maksymalny moment obrotowy Mmax będzie działał na wirnik. Wirnik obróci się o kąt α = 90° i przyjmie nową stabilną pozycję. Tak więc, po skokowym ruchu pola stojana, wirnik silnika porusza się skokowo.

Głównym trybem pracy silnika krokowego jest dynamiczny. Silniki krokowe, w przeciwieństwie do silników synchronicznych, są zaprojektowane do wprowadzania synchronizacji z postoju i wymuszonego hamowania elektrycznego.Dzięki temu krokowy napęd elektryczny zapewnia start, stop, bieg wsteczny oraz przejście z jednej częstotliwości impulsów sterujących na drugą.

Silnik krokowy jest uruchamiany przez nagłe lub stopniowe zwiększanie częstotliwości sygnału wejściowego od zera do roboczego, zatrzymanie przez zmniejszenie zera, a odwrotne przez zmianę kolejności przełączania uzwojeń silnika krokowego.

Silniki krokowe charakteryzują się następującymi parametrami: liczba faz (cewek sterujących) i schemat ich połączeń, typ silnika krokowego (z aktywnym lub pasywnym wirnikiem), pojedynczy krok wirnika (kąt obrotu wirnika przy jednym impulsie ), nominalne napięcie zasilania, maksymalny moment statyczny, moment znamionowy, moment bezwładności wirnika, częstotliwość przyspieszania.

Silniki krokowe są jednofazowe, dwufazowe i wielofazowe z aktywnym lub pasywnym wirnikiem. Silnik krokowy jest sterowany przez elektroniczną jednostkę sterującą. Przykładowy schemat sterowania silnikiem krokowym pokazano na rysunku 2.

Ryż. 2. Schemat funkcjonalny napędu elektrycznego silnika krokowego w pętli otwartej

Sygnał sterujący w postaci impulsów napięciowych podawany jest na wejście bloku 1, który zamienia sekwencję impulsów np. na czterofazowy układ impulsów unipolarnych (zgodnie z ilością faz silnika krokowego) .

Blok 2 generuje te impulsy z uwzględnieniem czasu trwania i amplitudy niezbędnych do normalnej pracy przełącznika 3, do wyjść których podłączone są uzwojenia silnika krokowego 4. Przełącznik i pozostałe bloki są zasilane ze źródła prądu stałego 5.

Przy zwiększonych wymaganiach dotyczących jakości napędu dyskretnego stosuje się obwód zamknięty krokowego napędu elektrycznego (ryc. 3), który oprócz silnika krokowego zawiera przetwornicę P, komutator K i czujnik krokowy DSh. W takim napędzie dyskretnym informacja o aktualnym położeniu wału mechanizmu roboczego RM oraz prędkości silnika krokowego podawana jest na wejście regulatora automatycznego, który zapewnia zadany charakter ruchu napędu.

Ryż. 3. Schemat funkcjonalny napędu dyskretnego w pętli zamkniętej

Nowoczesne systemy napędów dyskretnych wykorzystują sterowanie mikroprocesorowe. Zakres zastosowań napędów z silnikami krokowymi stale się poszerza. Ich zastosowanie jest obiecujące w spawarkach, urządzeniach synchronizujących, mechanizmach taśmowych i nagrywających, układach sterowania dopływem paliwa do silników spalinowych.

Zalety silników krokowych:

• wysoka dokładność, nawet przy strukturze otwartej pętli, tj. bez czujnika kąta skrętu kierownicy;

• natywna integracja z cyfrowymi aplikacjami do zarządzania;

• brak mechanicznych przełączników, które często powodują problemy z innymi typami silników.

Wady silników krokowych:

• niski moment obrotowy, ale w porównaniu do silników z napędem ciągłym;

• ograniczona prędkość;

• wysoki poziom wibracji spowodowany gwałtownym ruchem;

• duże błędy i oscylacje z utratą impulsów w układach z otwartą pętlą.

Zalety silników krokowych znacznie przewyższają ich wady, dlatego często stosuje się je w przypadkach, gdy wystarczająca jest niewielka moc urządzeń napędowych.

W artykule wykorzystano materiały z książki Daineko V.A., Kovalinsky A.I. Wyposażenie elektryczne przedsiębiorstw rolniczych.