Wyświetlenia: 0 Autor: Edytor witryny Czas publikacji: 2025-04-18 Pochodzenie: Strona
A silnik krokowy to rodzaj silnika elektrycznego, który porusza się precyzyjnymi, stałymi krokami, a nie obraca się w sposób ciągły jak zwykły silnik. Jest powszechnie stosowany w zastosowaniach, w których wymagana jest precyzyjna kontrola położenia, takich jak drukarki 3D, maszyny CNC, robotyka i platformy kamer.
Silniki krokowe to rodzaj silnika elektrycznego, który z niezwykłą precyzją przekształca energię elektryczną w ruch obrotowy. W przeciwieństwie do zwykłych silników elektrycznych, które zapewniają ciągły obrót, silniki krokowe obracają się w dyskretnych krokach, co czyni je idealnymi do zastosowań wymagających dokładnego pozycjonowania.
Każdy impuls energii elektrycznej wysłany do silnika krokowego ze sterownika skutkuje precyzyjnym ruchem – każdy impuls odpowiada konkretnemu krokowi. Prędkość, z jaką obraca się silnik, jest bezpośrednio powiązana z częstotliwością tych impulsów: im szybciej wysyłane są impulsy, tym szybszy jest obrót.
Jedna z kluczowych zalet silnikami krokowymi jest ich łatwe sterowanie. Większość sterowników działa z impulsami 5 V, kompatybilnymi z popularnymi układami scalonymi. Można albo zaprojektować obwód generujący te impulsy, albo użyć generatora impulsów firmy takiej jak BesFoc.
Pomimo sporadycznych niedokładności – standardowe silniki krokowe charakteryzują się dokładnością około ± 3 minut kątowych (0,05°) – błędy te nie kumulują się przy wielu krokach. Na przykład, jeśli standardowy silnik krokowy wykona jeden krok, obróci się o 1,8° ± 0,05°. Nawet po milionie kroków całkowite odchylenie nadal wynosi zaledwie ± 0,05°, co czyni je niezawodnymi w przypadku precyzyjnych ruchów na długich dystansach.
Ponadto silniki krokowe są znane z szybkiej reakcji i przyspieszenia dzięki małej bezwładności wirnika, co pozwala im szybko osiągać duże prędkości. Dzięki temu nadają się szczególnie do zastosowań wymagających krótkich i szybkich ruchów.
A silnik krokowy działa poprzez podzielenie pełnego obrotu na kilka równych kroków. Wykorzystuje elektromagnesy do wywoływania ruchu w małych, kontrolowanych odstępach.
Silnik krokowy składa się z dwóch głównych części:
Stojan – część stacjonarna z cewkami (elektromagnesami).
Wirnik – część obrotowa, często magnesowa lub wykonana z żelaza.
Kiedy prąd elektryczny przepływa przez cewki stojana, wytwarza pole magnetyczne.
Pola te przyciągają wirnik.
Włączając i wyłączając cewki w określonej kolejności, wirnik jest ciągnięty krok po kroku ruchem okrężnym.
Za każdym razem, gdy cewka jest zasilana, wirnik porusza się o mały kąt (zwany krokiem).
Na przykład, jeśli silnik ma 200 kroków na obrót, każdy krok przesuwa wirnik o 1,8°.
Silnik może obracać się do przodu lub do tyłu w zależności od kolejności impulsów wysyłanych do cewek.
A sterownik silnika krokowego wysyła impulsy elektryczne do cewek silnika.
Im więcej impulsów, tym bardziej silnik się obraca.
Mikrokontrolery (takie jak Arduino lub Raspberry Pi) mogą sterować tymi sterownikami, aby precyzyjnie poruszać silnikiem.
Poniższa ilustracja przedstawia standardowy układ silnika krokowego, który składa się z kilku podstawowych, współpracujących ze sobą elementów. Wydajność każdego elementu wpływa na ogólną funkcjonalność systemu.
Sercem systemu jest komputer lub programowalny sterownik logiczny (PLC). Element ten pełni rolę mózgu, kontrolując nie tylko silnik krokowy, ale także całą maszynę. Może wykonywać różne zadania, takie jak podnoszenie windy lub przesuwanie przenośnika taśmowego. W zależności od wymaganej złożoności, sterownik ten może obejmować zarówno wyrafinowany komputer PC lub sterownik PLC, jak i prosty przycisk operatora.
Następny jest indeksator lub karta PLC, która przekazuje określone instrukcje do silnik krokowy . Generuje wymaganą liczbę impulsów do ruchu i dostosowuje częstotliwość impulsów, aby kontrolować przyspieszanie, prędkość i zwalnianie silnika. Indeksator może być samodzielnym urządzeniem, takim jak BesFoc, lub kartą generatora impulsów podłączaną do sterownika PLC. Niezależnie od formy, element ten ma kluczowe znaczenie dla pracy silnika.
Sterownik silnika składa się z czterech kluczowych części:
Logika kontroli fazy: Ta jednostka logiczna odbiera impulsy z indeksatora i określa, która faza silnika powinna zostać aktywowana. Zasilanie faz musi odbywać się w określonej kolejności, aby zapewnić prawidłową pracę silnika.
Zasilacz logiczny: Jest to zasilacz niskonapięciowy zasilający obwody scalone (IC) w sterowniku, zwykle pracujący pod napięciem około 5 woltów, w zależności od zestawu chipów lub konstrukcji.
Zasilanie silnika: To zasilanie zapewnia napięcie niezbędne do zasilania silnika, zwykle około 24 VDC, chociaż może być wyższe w zależności od zastosowania.
Wzmacniacz mocy: Ten element składa się z tranzystorów, które umożliwiają przepływ prądu przez fazy silnika. Tranzystory te są włączane i wyłączane w odpowiedniej kolejności, aby ułatwić ruch silnika.
Wreszcie wszystkie te elementy współpracują ze sobą, aby przenieść ładunek, którym może być śruba pociągowa, dysk lub przenośnik taśmowy, w zależności od konkretnego zastosowania.
Istnieją trzy podstawowe typy silników krokowych:
Silniki te mają zęby na wirniku i stojanie, ale nie zawierają magnesu stałego. W rezultacie brakuje im momentu obrotowego, co oznacza, że nie utrzymują swojej pozycji, gdy nie są zasilane.
Silniki krokowe PM mają magnes trwały na wirniku, ale nie mają zębów. Chociaż zazwyczaj wykazują mniejszą precyzję kąta kroku, zapewniają moment ustalający, umożliwiając im utrzymanie pozycji po wyłączeniu zasilania.
BesFoc specjalizuje się wyłącznie w technologii hybrydowej silnik krokowy r. Silniki te łączą właściwości magnetyczne magnesów trwałych z konstrukcją zębatą silników o zmiennej reluktancji. Wirnik jest namagnesowany osiowo, co oznacza, że w typowej konfiguracji górna połowa to biegun północny, a dolna połowa to biegun południowy.
Wirnik składa się z dwóch misek zębatych, każda posiadająca 50 zębów. Miseczki te są przesunięte o 3,6°, co pozwala na precyzyjne pozycjonowanie. Patrząc z góry, widać, że ząb na panewce bieguna północnego pokrywa się z zębem na miseczce na biegunie południowym, tworząc skuteczny system przekładni.
Hybrydowe silniki krokowe działają w oparciu o konstrukcję dwufazową, przy czym każda faza zawiera cztery bieguny oddalone od siebie o 90°. Każdy biegun w fazie jest nawinięty w taki sposób, że bieguny oddalone od siebie o 180° mają tę samą polaryzację, natomiast bieguny oddalone od siebie o 90° są przeciwne. Odwracając prąd w dowolnej fazie, można również odwrócić polaryzację odpowiedniego bieguna stojana, umożliwiając silnikowi przekształcenie dowolnego bieguna stojana w biegun północny lub południowy.
Wirnik silnika krokowego ma 50 zębów, a odstęp między nimi wynosi 7,2°. Podczas pracy silnika ustawienie zębów wirnika względem zębów stojana może się zmieniać — w szczególności może być przesunięte o trzy czwarte podziałki zębów, połowę podziałki zębów lub jedną czwartą podziałki zębów. Kiedy silnik wykonuje krok, naturalnie wybiera najkrótszą drogę, aby się wyrównać, co przekłada się na ruch o 1,8° na krok (ponieważ 1/4 z 7,2° równa się 1,8°).
Moment obrotowy i dokładność w na silniki krokowe ma wpływ liczba biegunów (zębów). Ogólnie rzecz biorąc, większa liczba biegunów prowadzi do lepszego momentu obrotowego i dokładności. BesFoc oferuje silniki krokowe o „wysokiej rozdzielczości”, które mają o połowę mniejszą podziałkę zębów w porównaniu do standardowych modeli. Te wirniki o wysokiej rozdzielczości mają 100 zębów, co daje kąt 3,6° między każdym zębem. Przy tej konfiguracji przesunięcie o 1/4 podziałki zęba odpowiada mniejszemu krokowi wynoszącemu 0,9°.
W rezultacie modele „Wysokiej rozdzielczości” zapewniają dwukrotnie większą rozdzielczość niż standardowe silniki, osiągając 400 kroków na obrót w porównaniu do 200 kroków na obrót w modelach standardowych. Mniejsze kąty kroku prowadzą również do niższych wibracji, ponieważ każdy krok jest mniej wyraźny i bardziej stopniowy.
Poniższy schemat ilustruje przekrój poprzeczny 5-fazowego silnika krokowego. Silnik ten składa się głównie z dwóch głównych części: stojana i wirnika. Sam rotor składa się z trzech elementów: misy rotora 1, misy rotora 2 i magnesu trwałego. Wirnik jest namagnesowany w kierunku osiowym; na przykład, jeśli misa wirnika 1 jest oznaczona jako biegun północny, misa wirnika 2 będzie biegunem południowym.
Stojan ma 10 biegunów magnetycznych, każdy wyposażony w małe zęby i odpowiadające im uzwojenia. Uzwojenia te są zaprojektowane w taki sposób, że każde z nich jest połączone z uzwojeniem przeciwnego bieguna. Kiedy prąd przepływa przez parę uzwojeń, połączone przez nie bieguny magnesują się w tym samym kierunku – albo na północ, albo na południe.
Każda przeciwna para biegunów tworzy jedną fazę silnika. Biorąc pod uwagę, że w sumie jest 10 biegunów magnetycznych, daje to pięć odrębnych faz w ramach tej 5-fazowej silnik krokowy.
Co ważne, każda misa rotora ma 50 zębów na swoim zewnętrznym obwodzie. Zęby misy 1 rotora i misy rotora 2 są mechanicznie przesunięte względem siebie o połowę podziałki zębów, co pozwala na precyzyjne ustawienie i ruch podczas pracy.
Zrozumienie sposobu odczytywania krzywej prędkości i momentu obrotowego ma kluczowe znaczenie, ponieważ zapewnia wgląd w możliwości silnika. Krzywe te przedstawiają charakterystykę wydajności konkretnego silnika w połączeniu z konkretnym sterownikiem. Gdy silnik jest już gotowy do pracy, na jego moment obrotowy wpływa rodzaj napędu i przyłożone napięcie. W rezultacie ten sam silnik może wykazywać znacząco różne krzywe prędkości i momentu obrotowego w zależności od zastosowanego sterownika.
BesFoc podaje te krzywe prędkości i momentu obrotowego jako odniesienie. Jeśli używasz silnika ze sterownikiem o podobnym napięciu i prądzie znamionowym, możesz spodziewać się porównywalnej wydajności. Aby uzyskać interaktywne wrażenia, zapoznaj się z krzywą prędkości i momentu obrotowego podaną poniżej:
Moment trzymania
Jest to wielkość momentu obrotowego wytwarzanego przez silnik w stanie spoczynku, przy prądzie znamionowym przepływającym przez jego uzwojenia.
Region Start/Stop
Ta sekcja wskazuje wartości momentu obrotowego i prędkości, przy których silnik może natychmiast uruchomić, zatrzymać lub cofnąć.
Moment wciągania
Są to wartości momentu obrotowego i prędkości, które umożliwiają uruchomienie, zatrzymanie lub bieg wsteczny silnika, pozostając w synchronizacji z impulsami wejściowymi.
Moment wyciągania
Odnosi się do wartości momentu obrotowego i prędkości, przy których silnik może pracować bez przeciągnięcia, zachowując synchronizację z fazami wejściowymi. Reprezentuje maksymalny moment obrotowy, jaki silnik może dostarczyć podczas pracy.
Maksymalna prędkość rozruchowa
Jest to najwyższa prędkość, przy której silnik może rozpocząć pracę bez obciążenia.
Maksymalna prędkość robocza
Wskazuje największą prędkość, jaką silnik może osiągnąć podczas pracy bez obciążenia.
Aby pracować w obszarze pomiędzy momentem wciągania i wyciągania, silnik musi początkowo uruchomić się w obszarze start/stop. Gdy silnik zaczyna pracować, częstotliwość impulsów jest stopniowo zwiększana, aż do osiągnięcia żądanej prędkości. Aby zatrzymać silnik, prędkość jest następnie zmniejszana, aż spadnie poniżej krzywej momentu wciągania.
Moment obrotowy jest wprost proporcjonalny do prądu i liczby zwojów drutu w silniku. Aby zwiększyć moment obrotowy o 20%, należy również zwiększyć prąd o około 20%. I odwrotnie, aby zmniejszyć moment obrotowy o 50%, prąd należy zmniejszyć o 50%.
Jednak ze względu na nasycenie magnetyczne nie ma korzyści ze zwiększania prądu powyżej dwukrotności prądu znamionowego, ponieważ powyżej tego punktu dalsze zwiększanie nie spowoduje zwiększenia momentu obrotowego. Praca przy prądzie około dziesięciokrotnie większym od znamionowego stwarza ryzyko rozmagnesowania wirnika.
Wszystkie nasze silniki są wyposażone w izolację klasy B, która wytrzymuje temperatury do 130°C, zanim izolacja zacznie ulegać degradacji. Aby zapewnić długowieczność, zalecamy utrzymywanie różnicy temperatur pomiędzy wnętrzem a zewnętrzem wynoszącej 30°C, co oznacza, że temperatura zewnętrzna obudowy nie powinna przekraczać 100°C.
Indukcyjność odgrywa znaczącą rolę w osiąganiu momentu obrotowego przy dużych prędkościach. To wyjaśnia, dlaczego silniki nie wykazują nieskończenie wysokiego poziomu momentu obrotowego. Każde uzwojenie silnika ma różne wartości indukcyjności i rezystancji. Indukcyjność mierzona w henrach podzielona przez rezystancję w omach daje stałą czasową (w sekundach). Ta stała czasowa wskazuje, ile czasu potrzeba, aby cewka osiągnęła 63% prądu znamionowego. Na przykład, jeśli silnik jest znamionowy na 1 A, po jednej stałej czasowej cewka osiągnie około 0,63 A. Zwykle potrzeba około czterech do pięciu stałych czasowych, aby cewka osiągnęła pełny prąd (1 amper). Ponieważ moment obrotowy jest proporcjonalny do prądu, jeśli prąd osiągnie tylko 63%, silnik będzie wytwarzał około 63% swojego maksymalnego momentu obrotowego po jednej stałej czasowej.
Przy niskich prędkościach to opóźnienie w narastaniu prądu nie stanowi problemu, ponieważ prąd może skutecznie szybko wpływać do cewek i z nich wychodzić, umożliwiając silnikowi osiągnięcie znamionowego momentu obrotowego. Jednakże przy dużych prędkościach prąd nie może wzrosnąć wystarczająco szybko przed przełączeniem kolejnej fazy, co skutkuje zmniejszeniem momentu obrotowego.
Napięcie sterownika znacząco wpływa na wydajność przy dużych prędkościach silnik krokowy . Wyższy stosunek napięcia napędu do napięcia silnika prowadzi do lepszych możliwości przy dużych prędkościach. Dzieje się tak, ponieważ podwyższone napięcia umożliwiają przepływ prądu do uzwojeń szybciej niż omawiany wcześniej próg 63%.
Kiedy silnik krokowy przechodzi z jednego stopnia na drugi, wirnik nie zatrzymuje się natychmiast w pozycji docelowej. Zamiast tego przesuwa się poza pozycję końcową, po czym cofa się, przekraczając prędkość w przeciwnym kierunku i kontynuuje oscylację tam i z powrotem, aż w końcu się zatrzyma. Zjawisko to, zwane „dzwonieniem”, występuje przy każdym kroku silnika (patrz interaktywny diagram poniżej). Podobnie jak lina bungee, pęd wirnika przenosi go poza punkt zatrzymania, powodując, że „odbija się” przed zatrzymaniem się. Jednakże w wielu przypadkach silnik otrzymuje polecenie przejścia do następnego kroku przed całkowitym zatrzymaniem.
Poniższe wykresy ilustrują zachowanie dzwonienia silnika krokowego w różnych warunkach obciążenia. Silnik nieobciążony wykazuje znaczne dzwonienie co przekłada się na zwiększone wibracje. Te nadmierne wibracje mogą prowadzić do zgaśnięcia silnika, gdy jest on nieobciążony lub lekko obciążony, ponieważ może utracić synchronizację. Dlatego ważne jest, aby zawsze testować a silnik krokowy o odpowiednim obciążeniu.
Pozostałe dwa wykresy przedstawiają osiągi silnika pod obciążeniem. Prawidłowe obciążenie silnika pomaga ustabilizować jego pracę i zredukować wibracje. W idealnym przypadku obciążenie powinno wymagać od 30% do 70% maksymalnego wyjściowego momentu obrotowego silnika. Dodatkowo stosunek bezwładności obciążenia do wirnika powinien mieścić się w przedziale od 1:1 do 10:1. W przypadku krótszych i szybszych ruchów zaleca się, aby ten stosunek był bliższy 1:1 do 3:1.
Specjaliści i inżynierowie firmy BesFoc ds. zastosowań służą pomocą w doborze odpowiedniego silnika.
A silnik krokowy będzie doświadczał znacznie zwiększonych wibracji, gdy częstotliwość impulsu wejściowego zbiega się z jego częstotliwością naturalną, jest to zjawisko znane jako rezonans. Dzieje się tak często w okolicach 200 Hz. Podczas rezonansu przekroczenia i niedoregulowania wirnika są znacznie wzmocnione, co zwiększa prawdopodobieństwo pominięcia kroków. Chociaż konkretna częstotliwość rezonansowa może zmieniać się w zależności od bezwładności obciążenia, zazwyczaj oscyluje wokół 200 Hz.
2-fazowe silniki krokowe mogą pomijać kroki tylko w grupach po cztery. Jeśli zauważysz utratę stopnia występującą jako wielokrotność czterech, oznacza to, że wibracje powodują utratę synchronizacji silnika lub że obciążenie może być nadmierne. I odwrotnie, jeśli pominięte kroki nie są wielokrotnością czterech, istnieje wyraźna wskazówka, że albo liczba impulsów jest nieprawidłowa, albo zakłócenia elektryczne wpływają na wydajność.
Kilka strategii może pomóc złagodzić skutki rezonansu. Najprostszym podejściem jest całkowite unikanie pracy przy prędkości rezonansowej. Ponieważ 200 Hz odpowiada w przybliżeniu 60 obr./min dla silnika 2-fazowego, nie jest to bardzo duża prędkość. Bardzo silniki krokowe mają maksymalną prędkość początkową około 1000 impulsów na sekundę (pps). Dlatego w wielu przypadkach można zainicjować pracę silnika z prędkością wyższą niż częstotliwość rezonansowa.
Jeśli konieczne jest uruchomienie silnika z prędkością niższą od częstotliwości rezonansowej, ważne jest szybkie przyspieszenie w zakresie rezonansowym, aby zminimalizować skutki wibracji.
Innym skutecznym rozwiązaniem jest zastosowanie mniejszego kąta kroku. Większe kąty kroku powodują zwykle większe przekroczenia i niedoregulowania. Jeśli silnik ma do pokonania niewielką odległość, nie wygeneruje wystarczającej siły (momentu obrotowego), aby znacząco przekroczyć wartość. Zmniejszając kąt kroku, silnik doświadcza mniej wibracji. Jest to jeden z powodów, dla których techniki półkroku i mikrokroku są tak skuteczne w redukcji wibracji.
Pamiętaj, aby wybrać silnik w oparciu o wymagania dotyczące obciążenia. Właściwy dobór silnika może prowadzić do lepszej ogólnej wydajności.
Kolejną opcją wartą rozważenia są amortyzatory. Urządzenia te można zamontować na tylnym wale silnika w celu pochłaniania części energii drgań, pomagając w ekonomiczny sposób wygładzić pracę silnika wibracyjnego.
Stosunkowo nowy postęp w Technologia silników krokowych to 5-fazowy silnik krokowy. Najbardziej zauważalną różnicą pomiędzy silnikami 2-fazowymi i 5-fazowymi (patrz interaktywny diagram poniżej) jest liczba biegunów stojana: silniki 2-fazowe mają 8 biegunów (4 na fazę), podczas gdy silniki 5-fazowe mają 10 biegunów (2 na fazę). Konstrukcja wirnika jest podobna do silnika 2-fazowego.
W silniku 2-fazowym każda faza porusza wirnik o 1/4 podziałki zębów, natomiast w silniku 5-fazowym wirnik ze względu na swoją konstrukcję porusza się o 1/10 podziałki zębów. Przy podziałce zębów wynoszącej 7,2° kąt kroku dla silnika 5-fazowego wynosi 0,72°. Taka konstrukcja umożliwia silnikowi 5-fazowemu osiągnięcie 500 kroków na obrót w porównaniu do 200 kroków na obrót silnika 2-fazowego, zapewniając rozdzielczość 2,5 razy większą niż w przypadku silnika 2-fazowego.
Wyższa rozdzielczość prowadzi do mniejszego kąta kroku, co znacznie redukuje wibracje. Ponieważ kąt kroku silnika 5-fazowego jest 2,5 razy mniejszy niż kąt silnika 2-fazowego, odczuwa on znacznie mniejsze dzwonienie i wibracje. W obu typach silników wirnik musi przekroczyć lub obniżyć obrót o więcej niż 3,6°, aby pominąć kroki. Przy kącie kroku silnika 5-fazowego wynoszącym zaledwie 0,72°, prawie niemożliwe jest przeregulowanie lub przeregulowanie silnika o taki margines, co skutkuje bardzo niskim prawdopodobieństwem utraty synchronizacji.
Istnieją cztery podstawowe metody napędu silnik krokowy :
Napęd falowy (pełny krok)
2 fazy włączone (pełny krok)
1-2 fazy włączone (pół kroku)
Mikrokrok
Na poniższym schemacie metoda napędu falowego została uproszczona, aby zilustrować jej zasady. Każdy obrót o 90° pokazany na ilustracji odpowiada 1,8° obrotu wirnika w rzeczywistym silniku.
W metodzie napędu falowego, znanej również jako metoda 1-fazowego WŁĄCZENIA, w danym momencie zasilana jest tylko jedna faza. Kiedy faza A jest aktywowana, tworzy biegun południowy, który przyciąga biegun północny wirnika. Następnie faza A jest wyłączana i włączana faza B, co powoduje obrót wirnika o 90° (1,8°) i proces ten jest kontynuowany, przy czym każda faza jest zasilana indywidualnie.
Napęd falowy działa w oparciu o czterostopniową sekwencję elektryczną obracającą silnik.
W przypadku metody napędu „2 fazy włączone” obie fazy silnika są zasilane w sposób ciągły.
Jak pokazano poniżej, każdy obrót o 90° odpowiada obrotowi wirnika o 1,8°. Kiedy obie fazy A i B są zasilane jako bieguny południowe, biegun północny wirnika jest przyciągany jednakowo do obu biegunów, powodując jego ustawienie się dokładnie pośrodku. W miarę postępu sekwencji i aktywacji faz wirnik będzie się obracał, aby zachować wyrównanie pomiędzy dwoma biegunami pod napięciem.
Metoda „2 fazy włączone” wykorzystuje czteroetapową sekwencję elektryczną do obracania silnika.
Standardowe silniki 2-fazowe i 2-fazowe silniki typu M firmy BesFoc wykorzystują tę metodę napędu „2 fazy włączone”.
Główną zaletą metody „2 fazy włączone” w porównaniu z metodą „1 faza włączona” jest moment obrotowy. W metodzie „1 faza włączona” w danym momencie aktywowana jest tylko jedna faza, w wyniku czego na wirnik działa pojedyncza jednostka momentu obrotowego. Natomiast metoda „2 fazy włączone” zasila obie fazy jednocześnie, wytwarzając dwie jednostki momentu obrotowego. Jeden wektor momentu obrotowego działa w pozycji godziny 12, a drugi w pozycji godziny 3. Po połączeniu tych dwóch wektorów momentu obrotowego powstaje wektor wynikowy pod kątem 45° o wielkości o 41,4% większej niż pojedynczy wektor. Oznacza to, że zastosowanie metody „2 fazy włączone” pozwala nam osiągnąć ten sam kąt kroku, co metoda „1 faza włączona”, zapewniając jednocześnie o 41% większy moment obrotowy.
Silniki pięciofazowe działają jednak nieco inaczej. Zamiast stosować metodę „2 fazy włączone”, stosują metodę „4 fazy włączone”. W tym podejściu cztery fazy są aktywowane jednocześnie za każdym razem, gdy silnik wykonuje krok.
W rezultacie silnik pięciofazowy podczas pracy podąża za 10-stopniową sekwencją elektryczną.
Metoda „1-2 fazy włączone”, znana również jako półkrok, łączy w sobie zasady dwóch poprzednich metod. W tym podejściu najpierw zasilamy fazę A, powodując wyrównanie wirnika. Utrzymując fazę A pod napięciem, następnie aktywujemy fazę B. W tym momencie wirnik jest jednakowo przyciągany do obu biegunów i ustawia się w linii środkowej, co powoduje obrót o 45° (lub 0,9°). Następnie wyłączamy fazę A, kontynuując zasilanie fazy B, umożliwiając silnikowi wykonanie kolejnego kroku. Proces ten trwa, na przemian zasilając jedną fazę i dwie fazy. W ten sposób skutecznie skracamy kąt kroku o połowę, co pomaga zredukować wibracje.
W przypadku silnika 5-fazowego stosujemy podobną strategię, naprzemiennie włączając 4 fazy i 5 faz.
Tryb półkrokowy składa się z ośmiostopniowej sekwencji elektrycznej. W przypadku silnika pięciofazowego wykorzystującego metodę „4-5 faz włączonych”, silnik przechodzi przez 20-etapową sekwencję elektryczną.
(W razie potrzeby można dodać więcej informacji na temat mikrokroków.)
Microstepping to technika stosowana w celu uczynienia mniejszych kroków jeszcze drobniejszymi. Im mniejsze kroki, tym wyższa rozdzielczość i lepsza charakterystyka drgań silnika. W mikrostepowaniu faza nie jest ani całkowicie włączona, ani całkowicie wyłączona; zamiast tego jest częściowo pod napięciem. Fale sinusoidalne są przykładane zarówno do fazy A, jak i fazy B, z różnicą faz wynoszącą 90° (lub 0,9° w przypadku sieci pięciofazowej). silnik krokowy ).
Kiedy maksymalna moc jest przyłożona do fazy A, faza B wynosi zero, co powoduje, że wirnik ustawia się w jednej linii z fazą A. Gdy prąd w fazie A maleje, prąd w fazie B wzrasta, umożliwiając wirnikowi wykonanie niewielkich kroków w kierunku fazy B. Proces ten jest kontynuowany podczas cykli prądu pomiędzy dwiema fazami, co skutkuje płynnym ruchem mikrokrokowym.
Jednakże mikrokrok stwarza pewne wyzwania, głównie dotyczące dokładności i momentu obrotowego. Ponieważ fazy są zasilane tylko częściowo, silnik zwykle doświadcza redukcji momentu obrotowego o około 30%. Dodatkowo, ponieważ różnica momentu obrotowego pomiędzy stopniami jest minimalna, silnik może mieć trudności z pokonaniem obciążenia, co może skutkować sytuacjami, w których silnikowi zostanie wydane polecenie wykonania kilku kroków, zanim faktycznie zacznie się poruszać. W wielu przypadkach do stworzenia systemu z zamkniętą pętlą konieczne jest zastosowanie enkoderów, choć zwiększa to całkowity koszt.
Systemy z otwartą pętlą
Systemy z pętlą zamkniętą
Systemy serwo
silniki krokowe są zwykle projektowane jako systemy z otwartą pętlą. W tej konfiguracji generator impulsów wysyła impulsy do obwodu kolejności faz. Sekwenser faz określa, które fazy powinny zostać włączone, a które wyłączone, jak opisano wcześniej w metodach pełnego i półetapowego. Sekwenser steruje tranzystorami FET dużej mocy w celu aktywacji silnika.
Jednakże w systemie z otwartą pętlą nie ma weryfikacji położenia, co oznacza, że nie ma możliwości sprawdzenia, czy silnik wykonał zadany ruch.
Jedną z najpowszechniejszych metod wdrażania systemu z zamkniętą pętlą jest dodanie enkodera na tylnym wale silnika dwuwałowego. Koder składa się z cienkiego dysku oznaczonego liniami, który obraca się pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem. Za każdym razem, gdy linia przechodzi między tymi dwoma elementami, generuje impuls na liniach sygnałowych.
Te impulsy wyjściowe są następnie przekazywane z powrotem do sterownika, który je zlicza. Zwykle na koniec ruchu sterownik porównuje liczbę impulsów wysłanych do sterownika z liczbą impulsów otrzymanych z enkodera. Wykonywana jest specyficzna procedura, dzięki której, jeśli oba zliczenia się różnią, system dostosowuje się, aby skorygować rozbieżność. Jeśli zliczenia się zgadzają, oznacza to, że nie wystąpił żaden błąd i ruch może być kontynuowany płynnie.
System w pętli zamkniętej ma dwie główne wady: koszt (i złożoność) oraz czas reakcji. Dołączenie enkodera zwiększa całkowity koszt systemu, a także zwiększa stopień zaawansowania sterownika, co wpływa na całkowity koszt. Dodatkowo, ponieważ poprawki są wprowadzane dopiero na końcu ruchu, może to spowodować opóźnienia w systemie, potencjalnie spowalniając czas reakcji.
Alternatywą dla systemów krokowych z zamkniętą pętlą jest system serwo. Systemy serwo zazwyczaj wykorzystują silniki o małej liczbie biegunów, umożliwiające działanie z dużą prędkością, ale pozbawione nieodłącznej możliwości pozycjonowania. Aby przekształcić serwo w urządzenie pozycyjne, potrzebne są mechanizmy sprzężenia zwrotnego, często wykorzystujące enkoder lub rezolwer wraz z pętlami sterującymi.
W systemie serwo silnik jest włączany i wyłączany do momentu, aż resolwer wskaże, że osiągnięto określoną pozycję. Na przykład, jeśli serwomechanizm ma wykonać 100 obrotów, zaczyna od zera. Silnik pracuje do chwili, gdy licznik rezolwera osiągnie 100 obrotów, po czym wyłącza się. W przypadku jakiejkolwiek zmiany położenia silnik zostaje ponownie uruchomiony w celu skorygowania położenia.
Na reakcję serwa na błędy pozycyjne wpływa ustawienie wzmocnienia. Ustawienie wysokiego wzmocnienia pozwala silnikowi szybko reagować na zmiany błędu, natomiast ustawienie niskiego wzmocnienia powoduje wolniejszą reakcję. Jednakże dostosowanie ustawień wzmocnienia może wprowadzić opóźnienia w systemie sterowania ruchem, wpływając na ogólną wydajność.
AlphaStep to innowacja BesFoc rozwiązanie z silnikiem krokowym , wyposażone w zintegrowany resolwer, który zapewnia informację zwrotną o położeniu w czasie rzeczywistym. Taka konstrukcja gwarantuje, że dokładne położenie wirnika jest zawsze znane, co zwiększa precyzję i niezawodność systemu.
Sterownik AlphaStep posiada licznik wejściowy, który śledzi wszystkie impulsy wysyłane do napędu. Jednocześnie informacja zwrotna z resolwera kierowana jest do licznika położenia wirnika, co pozwala na ciągłe monitorowanie położenia wirnika. Wszelkie rozbieżności rejestrowane są w liczniku odchyleń.
Zazwyczaj silnik pracuje w trybie otwartej pętli, generując wektory momentu obrotowego, za którymi podąża silnik. Jeśli jednak licznik odchylenia wskaże rozbieżność większą niż ±1,8°, sekwenser faz aktywuje wektor momentu obrotowego w górnej części krzywej przesunięcia momentu obrotowego. Generuje to maksymalny moment obrotowy, aby wyrównać wirnik i przywrócić jego synchronizację. Jeśli silnik zostanie wyłączony o kilka stopni, sekwenser zasila wiele wektorów momentu obrotowego na górnym końcu krzywej przesunięcia momentu obrotowego. Kierowca może wytrzymać warunki przeciążenia do 5 sekund; jeżeli w tym czasie nie uda się przywrócić synchronizmu, zostanie wyzwolona usterka i wygenerowany zostanie alarm.
Niezwykłą cechą systemu AlphaStep jest możliwość korygowania w czasie rzeczywistym wszelkich pominiętych kroków. W przeciwieństwie do tradycyjnych systemów, które czekają do końca ruchu, aby skorygować wszelkie błędy, sterownik AlphaStep podejmuje działania korygujące, gdy tylko rotor spadnie poza zakres 1,8°. Gdy wirnik wróci do tego limitu, sterownik powraca do trybu otwartej pętli i wznawia odpowiednie zasilanie fazowe.
Załączony wykres ilustruje krzywą przesunięcia momentu obrotowego, podkreślając tryby pracy systemu – pętla otwarta i pętla zamknięta. Krzywa przesunięcia momentu obrotowego przedstawia moment obrotowy generowany przez jedną fazę, osiągający maksymalny moment obrotowy, gdy położenie wirnika różni się o 1,8°. Krok można pominąć tylko wtedy, gdy wirnik przesunie się o więcej niż 3,6°. Ponieważ sterownik przejmuje kontrolę nad wektorem momentu obrotowego za każdym razem, gdy odchylenie przekracza 1,8°, jest mało prawdopodobne, że silnik pominie kroki, chyba że doświadczy przeciążenia trwającego dłużej niż 5 sekund.
Wiele osób błędnie uważa, że dokładność kroku silnika AlphaStep wynosi ±1,8°. W rzeczywistości AlphaStep ma dokładność kroku wynoszącą 5 minut kątowych (0,083°). Sterownik zarządza wektorami momentu obrotowego, gdy wirnik znajduje się poza zakresem 1,8°. Gdy wirnik znajdzie się w tym zakresie, zęby wirnika dokładnie pokrywają się z generowanym wektorem momentu obrotowego. AlphaStep zapewnia, że prawidłowy ząb zrówna się z aktywnym wektorem momentu obrotowego.
Seria AlphaStep dostępna jest w różnych wersjach. BesFoc oferuje zarówno modele z wałem okrągłym, jak i modele z przekładnią z wieloma przełożeniami, aby albo zwiększyć rozdzielczość i moment obrotowy, albo zminimalizować odbitą bezwładność. Większość wersji może być wyposażona w niezawodny hamulec magnetyczny. Dodatkowo BesFoc oferuje wersję 24 VDC zwaną serią ASC.
Podsumowując, silniki krokowe doskonale nadają się do zastosowań związanych z pozycjonowaniem. Pozwalają na precyzyjną kontrolę zarówno odległości, jak i prędkości, po prostu zmieniając liczbę impulsów i częstotliwość. Wysoka liczba biegunów zapewnia dokładność nawet podczas pracy w trybie otwartej pętli. Jeśli rozmiar jest odpowiedni do konkretnego zastosowania, a silnik krokowy nie przegapi kroków. Co więcej, ponieważ nie wymagają sprzężenia zwrotnego położenia, silniki krokowe są opłacalnym rozwiązaniem.
