Silniki krokowe

Silniki „cyfrowe”. Większe i mniejsze silniki krokowe są obecnie bardzo często wykorzystywane w rozmaitych urządzeniach. Jednocześnie dla bardzo wielu zarówno zrozumienie zasady działania tych silników, jak i sposobu ich sterowania wydaje się wyjątkowo trudne. Utwierdza w takim przekonaniu dziwna budowa oraz obecność kilku, zwykle 4…8 wyprowadzeń. Budowa popularnego silnika pokazana jest na fotografii 1.

Na domiar złego istnieje kilka typów silników krokowych, kilka sposobów sterowania, a w poszczególnych źródłach stosuje się odmienną terminologię. Stosowane nazwy i określenia straszą początkujących. Oto przykłady: silniki reluktancyjne, hybrydowe, bifilarne, unifilarne, bipolarne, unipolarne; sterowanie pełnokrokowe, półkrokowe, mikrokrokowe, jednofazowe, dwufazowe, itp.

Jeśli ktoś się nie da zdeprymować i zajmie tymi pożytecznymi elementami, szybko się przekona, że całe zagadnienie wcale nie jest trudne. Silniki krokowe to miłe i wdzięczne stworzenia, które można sterować z wykorzystaniem bardzo prostych sposobów. Jedynie osoby, które chcą „wycisnąć” z tych silników absolutnie wszystko, co się tylko da, powinny wgłębić się w temat, poznać zaawansowane zagadnienia sterowania mikrokrokowego, złożone sterowniki i specyficzne sposoby sterowania.

Silniki krokowe – skokowe

Silniki krokowe, zwane też skokowymi, przekształcają impulsy elektryczne w ruchy mechaniczne. Każdy impuls podany na uzwojenia silnika powoduje obrót wirnika o niewielki kąt. Czym większa częstotliwość impulsów sterujących, tym szybciej obraca się wirnik. Kierunek obrotów zależy od sekwencji impulsów zasilających uzwojenia. Ponieważ pojedynczy skok wirnika w większości silników krokowych jest mały, około 0,72…3,6 stopnia, podając odpowiednią liczbę impulsów można precyzyjnie ustawić wirnik w potrzebnym położeniu. Choć maksymalna prędkość obrotowa nie jest imponująca (rzędu kilku, kilkunastu obrotów na sekundę), silniki takie mają szereg zalet.

Praca w pętli otwartej

Znakomicie sprawdzają się tam, gdzie potrzebny jest kontrolowany ruch. Dużą zaletą silników krokowych jest możliwość pracy z bardzo małymi prędkościami obrotowymi, przy czym silnik dysponuje cały czas swym pełnym momentem obrotowym. Dzięki temu zastępują stosowane wcześniej klasyczne silniki z przekładnią i kosztowne serwomechanizmy. Jedną z najbardziej znaczących zalet jest możliwość pracy w pętli otwartej. Praca w pętli otwartej oznacza, że nie potrzeba sprzężenia zwrotnego i informacji o aktualnym położeniu wirnika. Nie potrzeba kosztownych elementów sprzężenia zwrotnego, takich jak enkodery optoelektroniczne czy inne czujniki. Aktualna pozycja wirnika wyznaczona jest przez liczbę podanych impulsów.

Silniki krokowe nie mają szczotek, komutatora ani innych elementów, gdzie występuje znaczne tarcie, więc są bardzo trwałe. Ich trwałość wyznaczona jest przez żywotność łożysk. Dają się bardzo precyzyjnie sterować. Częstotliwość impulsów sterujących wyznacza prędkość obrotową. Każdy impuls obraca wirnik o ściśle określony, niewielki kąt, więc przemieszczenie wirnika i napędzanych elementów dokładnie odpowiada liczbie impulsów sterujących. Silniki krokowe zdobyły ogromną popularność, co nie znaczy, że są najlepsze ze wszystkich silników. Do niektórych zastosowań w ogóle się nie nadają, bo na przykład nie mogą pracować przy dużej prędkości obrotowej.

Silnik

O różnorodności rynkowej oferty w zakresie silników krokowych może świadczyć choćby strona internetowa poważnego dystrybutora, na przykład poznańskiej firmy Wobit: www.wobit.com.pl.

Generalnie silniki krokowe są dość kosztowne, dlatego hobbyści rzadko korzystają z bogatej oferty rynkowej. Z reguły wykorzystują silniki z odzysku, najczęściej ze starych drukarek. Fotografia 2 pokazuje podobny „drukarkowy” silnik. Nie mając żadnych danych technicznych takiego silnika z odzysku należy przede wszystkim ustalić typ i układ wyprowadzeń, natomiast maksymalną moc można ocenić w czasie prób praktycznych na podstawie temperatury obudowy. Moc typowych silników tego typu wynosi 1…20W, zależnie od rozmiarów.

Najpopularniejsze silniki krokowe mają cztery uzwojenia, a właściwie dwie pary uzwojeń. Początkujących czasem przestrasza fakt, że liczba wyprowadzeń silnika bywa różna. Nie należy się tym przejmować, tylko trzeba sprawdzić zwyczajnym omomierzem, jak są połączone te uzwojenia. Omomierz oddaje nieocenione usługi podczas identyfikacji uzwojeń, przy czym ich oporność wskazuje z grubsza moc silnika. Bardzo często silnik ma sześć wyprowadzeń, a układ połączeń wygląda jak na rysunku 1. Identyfikacja końcówek za pomocą omomierza jest wtedy banalnie prosta. W publikacjach często podaje się stosowane kolory przewodów, ale kolory te w silnikach różnych producentów są inne – kilka przykładów zamieszczono na rysunku 2.

W niektórych silnikach wyprowadzonych przewodów jest tylko pięć, a układ połączeń wygląda, jak na rysunku 3. Łatwo wtedy z pomocą omomierza określić przewód wspólny, ale nie sposób określić, które dwa uzwojenia tworzą parę. Nie jest to dużym utrudnieniem – ostatecznej identyfikacji można łatwo dokonać po dołączeniu silnika do (prostego) sterownika, zamieniając końcówki uzwojeń.

Rzadko zdarza się, że silnik ma aż osiem wyprowadzeń według rysunku 4. Pozwala wtedy zrealizować wymyślne sposoby sterowania, ale przy najprostszym sposobie trzeba je połączyć, by tworzyły dwie pary uzwojeń, jak na rysunkach 1 i 3. Na pierwszy rzut oka może to być trudne, ale wtedy powinny pomóc kolory przewodów. Chodzi o to, by nie tylko odnaleźć pary uzwojeń, ale też zachować odpowiednią fazę – dlatego na rysunku 4 kropkami oznaczono początki uzwojeń. Pomocą przy łączeniu może być rysunek 5 z przykładowymi kolorami przewodów.

Nie musisz wiedzieć, które przewody są „początkami” oznaczonymi A+, B+, a które „końcami” oznaczonymi A-, B-. Zidentyfikuj tylko prawidłowo pary uzwojeń i ich „środki” oznaczone COM A, COM B. Zamiana miejscami A+ i A- (albo B+ z B-) zmienia tylko kierunek wirowania.

Powyższe wskazówki dotyczą najczęściej spotykanych silników czterouzwojeniowych.

Sterowanie

Podstawowe zasady sterowania tych najpopularniejszych silników z czterema uzwojeniami są bardzo proste. Najprostszy układ pokazany jest na rysunku 6. Każda para uzwojeń jest sterowana przez klucz-przełącznik. Schemat ten ilustruje ważną zasadę sterowania: w danym momencie nie mogą być zasilane oba uzwojenia z jednej pary. Przełączniki są przełączane na przemian, przez co uzyskuje się potrzebną prędkość i kierunek obrotu.

Czytelnicy, którzy nigdy nie mieli do czynienia z silnikami krokowymi, powinni zbudować najprostszy ręczny sterownik według rysunku 6 i wypróbować jego działanie. Należy zacząć od niskich napięć zasilania, np. 2…3V i ewentualnie zwiększyć je tak, żeby w czasie takich testów silnik nie był gorący, a co najwyżej ciepły. Zasilacz powinien mieć odpowiednią wydajność – rezystancja uzwojeń silnika może być rzędu kilku omów, więc należy liczyć się z prądami 0,5…1A. Warto założyć na wałek silnika jakąkolwiek „wskazówkę”, by łatwiej zaobserwować ruch wirnika, a następnie dociec, jaka sekwencja ustawień powoduje obrót w jednym i w drugim kierunku.

Silniki cyfrowe

Doświadczenie takie pokazuje ostatecznie, że silniki krokowe można nazwać „silnikami cyfrowymi”, ponieważ ich prędkość obrotowa i kierunek ruchu nie zależą od wartości napięć, tylko od kolejności dołączania zasilania do poszczególnych uzwojeń.

Zupełnie niezorientowani zdziwią się przy takich eksperymentach, że przy przełączaniu wirnik wykonuje tylko maleńki ruch, a do uzyskania jednego pełnego obrotu wirnika trzeba przełączyć przełączniki od kilkudziesięciu do kilkuset razy (zależnie od typu i budowy silnika). Już to sugeruje, że silniki krokowe nie mogą pracować z dużą prędkością obrotową.

Nawet przy zastosowaniu szybkich przełączników elektronicznych maksymalna prędkość obrotowa typowego silnika krokowego sięga co najwyżej kilku obrotów na sekundę, czyli kilkuset obrotów na minutę. Przy większych prędkościach silnik szybko traci moc. Dają też o sobie znać rezonanse mechaniczne i elektryczne, dlatego dużej prędkości nie da się tu uzyskać – silnik niejako się „zadusi”.

Układ z przełącznikami z rysunku 6 pozwala zrealizować tylko jeden ze sposobów sterowania, bo w danej chwili zawsze zasilane są dwa z czterech uzwojeń. Sposób z przełącznikami trzypozycyjnymi według rysunku 7 daje więcej możliwości: w danej chwili może być zasilane dwa, jedno lub żadne z czterech uzwojeń. Także i tu nigdy nie są zasilane oba uzwojenia z jednej pary, co jest żelazną zasadą sterowania silników omawianego rodzaju.

Kto ma dwa takie trzypozycyjne przełączniki, może przeprowadzić stosowne eksperymenty.

W praktyce zamiast przełączników mechanicznych, do sterowania silników krokowych stosuje się tranzystory. Tranzystor, bipolarny czy MOSFET pełni tu rolę przełącznika: jest albo zatkany, albo całkowicie otwarty. Wobec tego do sterowania można wykorzystać sekwencję impulsów wytwarzaną przez układy cyfrowe albo mikroprocesor. Warto pamiętać, że przełączaniu ulegają uzwojenia, mające jakąś indukcyjność. Podczas przerywania prądu w indukcyjności wytwarza się napięcie samoindukcji, które może mieć bardzo dużą wartość. Dlatego stosując tranzystory   należy dodać  elementy chroniące  przed przepięciami.

Mogą to być dobrane kondensatory ,   ale częściej stosuje się diody. „Górne” diody włączone są analogicznie,  jak w przypadku przekaźników. Obcinają one dodatnie szpilki, powstające w chwili wyłączania prądu w „swoich” cewkach. „Dolne” diody są potrzebne, bo dwa uzwojenia jednej pary są ze sobą sprzężone i tworzą autotransformator.

Gdy w uzwojeniu, gdzie zanika prąd, powstaje dodatnie przepięcie likwidowane przez „górną” diodę, w drugim uzwojeniu z danej pary powstaje wtedy impuls ujemny, obcinany przez diodę „dolną”. Amatorzy stosując tranzystory mocy MOSFET często pomijają takie diody i okazuje się, że duże MOSFET-y nie ulegają uszkodzeniu ze względu za swe specyficzne cechy i zdolność do przeciążeń. W przypadku tranzystorów bipolarnych diody takie ( przynajmniej diody „górne” ) należy stosować. Powinny to być diody szybkie, a nie zwykłe diody prostownicze

Przy pierwszych próbach z nieznanym silnikiem częstotliwość taktująca nie powinna być większa, niż 50Hz. Spodziewana prędkość obrotowa wyniesie wtedy 0,25…1obr/sek, zależnie od silnika. Jeśli silnik nie ruszy, tylko będzie lekko drgać, będzie to wskaźnikiem, że źle podłączyłeś przewody i zasilasz jednocześnie dwa uzwojenia z jednej pary.

Przełączając końcówki silnika w takim układzie pracy możesz zidentyfikować pary uzwojeń w silniku pięcioprzewodowym według rysunku 3. Jeśli silnik zacznie poprawnie pracować, można zwiększyć częstotliwość generatora, ewentualnie zwiększyć napięcie zasilania i sprawdzić maksymalną prędkość obrotową danego silnika oraz jego moment obrotowy. Nie spodziewaj się cudów – silniki krokowe przeznaczone są do pracy przy małych i znikomo małych prędkościach obrotowych, a ich moc jest niewielka.

Jeden obrót na sekundę to już dla takiego silnika sporo. W przypadku silników z odzysku, niewiadomego pochodzenia, trudno precyzyjnie określić ich napięcie pracy i moc. Napięcie pracy można dobrać samodzielnie na podstawie temperatury obudowy silnika w czasie pracy. Silnik jako urządzenie elektromechaniczne jest dość odporny na wzrost temperatury.

Maksymalne napięcie zasilania można zwiększać dopóty, dopóki temperatura obudowy nie wzrośnie do +80…90oC. Czyli w czasie pracy silnik może być tak gorący, że nie będzie można dotknąć go ręką. W praktyce takie sposoby szacowania możliwości silnika są wystarczające. Warto tylko pamiętać, że przy tak określonej mocy maksymalnej, prądy pracy mogą sięgnąć kilku amperów.

Opracowano na podstawie artykułów z miesięcznika EDW.

Porównywarka cen sprzętu RTV