Silniki krokowe – Jak to działa?

Wyobraźmy sobie prostą czynność, jaką jest dotknięcie opuszkiem palca w czubek nosa. Spróbujmy teraz zrobić to z zamkniętymi oczami – w dalszym ciągu się łatwo udaje, a wszystko dzięki impulsom sterującym wysyłanym z mózgu do unerwienia układu narządów ruchu. Pozornie niepowiązane ze sobą czynności, takie jak wykonywanie skoku o tyczce, operacja chirurgiczna przeszczepu rogówki oka, honowanie tulei cylindra silnika tłokowego, czy kalibracja urządzeń pomiarowych wymagają obecności wspólnego czynnika, jakim jest precyzja ruchów ludzkich rąk. Teraz wyobraźmy sobie, że chcemy zbudować ramię robota, którego zadaniem jest odwzorowanie współpracy mięśni ręki z układem kostnym za pomocą zespołu odpowiednio połączonych ze sobą kół, przekładni, zawiasów, ram i innych części ruchomych – czy to nie brzmi imponująco? Jednym z największych problemów przy stworzeniu takiej konstrukcji, jest dobranie odpowiedniego napędu, który jest jednym z najważniejszych czynników pod kątem precyzji wykonywanych ruchów. Zwykłe silniki elektryczne, których wirnik obraca się w sposób ciągły (spotykane m.in. w elektronarzędziach ręcznych) nie będą dostatecznie spełniały swojego zadania w takiej aplikacji. W tym celu, popularnie wykorzystywane są silniki, które sterowane z odpowiedniego układu elektronicznego, w odróżnieniu od konwencjonalnych silników elektrycznych wykorzystują wirnik obracający się w sposób dyskretny, gdzie skończona ilość pojedynczych kroków reprezentowanych przez obrót o powtarzalny kąt tworzy po zsumowaniu obrót o kąt pełny. W tym artykule przedstawimy czym są silniki krokowe, jakie są ich tajniki budowy i zasada działania, w jakich aplikacjach można je spotkać, a także jakie są ich wady i zalety. Zatem jeśli interesuje Cię, co to jest silnik krokowy, to czytaj dalej.

Konwencjonalne silniki elektryczne – nie dla robotów?

Zanim przejdziemy do budowy i zasady działania silnika krokowego, przyjrzyjmy się dlaczego konwencjonalny silnik elektryczny szczotkowy, w którym wirnik obraca się w sposób ciągły, nie jest za dobrym rozwiązaniem w konstrukcjach robotów w kwestii precyzji wykonywanych ruchów. Silniki komutatorowe prądu stałego zbudowane są z elementu nieruchomego (stojana) w kształcie pierścienia walcowego przeciętego na pół wzdłuż jego osi wysokości oraz elementu ruchomego – wirnika tworzonego przez uzwojenia, do których jest dostarczane napięcie zasilające za pośrednictwem szczotek węglowych lub węglowo-grafitowych i pierścieni komutatora – specjalnego obwodu przełączającego, dzięki któremu wirnik wykonuje obrót w jednym kierunku. Pole magnetyczne zasilanego wirnika (elektromagnesu) oddziałuje z polem magnetycznym stojana (magnesu stałego), wprawiając wirnik w ruch obrotowy. Silniki elektryczne mogą również pracować w oparciu o zjawisko indukcji elektromagnetycznej, bez używania komutatora – dotyczy to m.in. maszyn asynchronicznych z wirnikiem klatkowym i pomocniczym obwodem fazy rozruchowej oraz pierścieniowym ze zmienną rezystancją uzwojeń oraz maszyn synchronicznych, w których uzwojenie wzbudzenia, zwykle umieszczone na wirniku, jest zasilane prądem stałym. Zarówno silniki prądu stałego, jak i przemiennego można spotkać w wielu maszynach i urządzeniach użytku domowego i profesjonalnego o zasilaniu sieciowym i bateryjnym – m.in. w pralkach, klimatyzatorach, elektronarzędziach ręcznych, komputerach, przenośnikach taśmowych, suwnicach, dronach, zabawkach, pojazdach i wielu innych. Niezależnie o konstrukcji silnika i jego zasady działania, jego zadaniem jest przetworzenie energii elektrycznej na energię mechaniczną. Poza takimi rozwiązaniami jak zmiana liczby par biegunów wirnika oraz przełączanie uzwojeń, również współczesna elektronika i oprogramowanie, umożliwiają precyzyjne sterowanie pracą silnika z uwzględnieniem prędkości obrotowej i kierunku obrotów. Teraz załóżmy, że chcemy zbudować zrobotyzowane ramię robota o napędzie elektrycznym, który wykonuje dość wymyślne zadanie – poprzez wykonywanie na połączeniach ruchomych jego ramienia ruchów obrotowych o kącie z dokładnością do 1º, robot chwyta kubek z naszym ulubionym napojem i przenosi go na biurku – od dzbanka do okolicy myszy komputerowej. Stosując jeden lub kilka odpowiednio zamontowanych silników elektrycznych wprawiających w ruch ramię robota, które są załączane i wyłączane na bardzo krótkie czasy pracy, uzyskujemy w ten sposób zmianę pozycji geometrycznej o jakiś kąt i zatrzymanie ramienia w tej pozycji. Sęk w tym, że nie wiadomo, o jaki dokładny kąt wirniki poszczególnych silników wykonały obrót, co jest zależne od wielu czynników, takich jak parametry elektryczne i mechaniczne silnika – jego mocy, parametrów przebiegu czasowego napięcia zasilania, momentu na wale oraz parametrów mechanicznych ramienia robota. Robot zbudowany w oparciu o konwencjonalne silniki elektryczne, mógłby najwyżej doprowadzić do rozlania naszego ulubionego napoju – w najgorszym przypadku na klawiaturę komputera. Aby temu zapobiec, najlepiej do naszego niecnego planu wykorzystać silniki krokowe – szczególny rodzaj silników prądu stałego, który przeważając nad konwencjonalnymi silnikami, może wykonywać obroty o dokładny kąt, w zależności od parametrów konstrukcyjnych silnika i przyrządów współpracujących z nim.

Silniki krokowe – charakterystyka

Choć silniki krokowe również wykorzystują napięcie stałe tak jak tradycyjne silniki prądu stałego obracające się w sposób ciągły, to ich konstrukcja jest nieco odmienna względem tych drugich. Podstawową różnicą jest brak szczotek i komutatora – elementów odpowiadających za zasilanie wirnika i jego obracanie się w stałym kierunku. Silniczek krokowy – co to jest? Za co odpowiada to urządzenie? W dalszej części artykułu dowiesz się więcej. 

Silnik krokowy – co to jest?

Silnik krokowy to swego rodzaju silnik bezszczotkowy, jednak pod tą nazwą znane są przede wszystkim silniki prądu stałego oznaczane jako BLDC, a także podobne konstrukcje w postaci maszyn synchronicznych z magnesami trwałymi, które są zasilane napięciem przemiennym. Kolejną różnicą jest konstrukcja wirnika. W zwykłym silniku prądu stałego, ruch obrotowy powstaje w wyniku oddziaływania pola magnetycznego magnesu trwałego (stojana) z polem magnetycznym elektromagnesu (wirnika) pochodzącym od prądu w jego uzwojeniach. 

Budowa silnika krokowego

Natomiast w silniku krokowym, występuje odwrotna sytuacja – to wirnik jest zbudowany z magnesu trwałego, a uzwojenie jest tworzone przez elektromagnesy. Następną różnicą konstrukcyjną, jest budowa stojana i wirnika. Zamiast monolitycznego magnesu (stojana) i jednego przewodu ułożonego w uzwojenia (wirnika), silnik krokowy wykorzystuje wirnik w postaci magnesu stałego w kształcie przypominającym koło zębate, który jest podzielony na określoną projektowo liczbę sekcji oraz stojan, którego uzwojenie jest podzielone na taką samą ilość sekcji jak wirnik. 

Zasada działania silnika krokowego

Wreszcie, kluczowa różnica – silnik krokowy może nie tylko obracać się w sposób precyzyjny, ale może także na zasadzie sprzężenia zwrotnego – podtrzymać stałą pozycję w odpowiedzi na zadawane obciążenie mechaniczne wału wirnika, co jest bardzo ważne już na etapie projektowania robotów i innych układów elektromaszynowych. Odpowiedni układ sterowania zapewnia dostarczenie napięcia do uzwojeń silnika krokowego w sposób impulsowy, dzięki czemu w odpowiedzi uzyskujemy na wale wirnika odpowiednią wartość momentu podtrzymania, który powoduje utrzymanie wirnika w określonej stałej pozycji, nawet przy zmianie obciążenia mechanicznego. W tradycyjnych silnikach elektrycznych, taki efekt jest trudny do osiągnięcia, żeby nie powiedzieć – awykonalny.

Fizyczne podstawy konstrukcji silnika krokowego i ich wpływ na jego zasadę działania

Silnik krokowy – co to? Jak działa? Aby odpowiedzieć na te pytania, przedstawimy teraz zasadę działania silnika krokowego w oparciu o jego konstrukcję. W skrócie, wirnik obraca się w sposób dyskretny – zgodnie z nazwą maszyny – o konkretną ilość policzalnych małych kroków w wyniku podawania napięcia na uzwojenia stojana w sposób impulsowy, tzn. impulsów pola magnetycznego, których źródłem jest przepływający w uzwojeniach prąd wymuszony zadanym napięciem. Wirnik silnika krokowego jest zbudowany z dwóch tarczy, namagnesowanych przeciwnie względem siebie – podobnie jak w przypadku ziemskiego pola magnetycznego, każda z tarcz stanowi biegun odpowiednio północny (N) i południowy (S). Krawędzie obu tarcz oddziałują względem siebie wskutek przeciwnego namagnesowania. Stojan umiejscowiony wokół wirnika, stanowią niezależne względem siebie elektromagnesy, których bieguny połączone ze sobą w pary rozłożone przeciwsobnie względem siebie, które w wyniku podania napięcia, powodują obrócenie się wirnika. Ilość jednocześnie włączonych par biegunów, wyznacza ilość kroków, które razem tworzą kąt obrotu wirnika. Przykładowo, jeśli stojan tworzy 100 par biegunów i chcemy, aby silnik wykonał obrót o kąt 36º, wówczas wymagane jest podanie napięcia na 10 par biegunów kolejno rozłożonych względem siebie.

W jaki sposób silnik krokowy się obraca?

Żeby prosto zobrazować zasadę działania silnika krokowego z magnesami trwałymi, przedstawimy ją na prymitywnym modelu, którego stojan jest wyposażony w dwie pary biegunów z uzwojeniami, a tarcza wirnika jest czterozębna, jej struktura magnetyczna jest dwubiegunowa – oznacza to, że jego rozdzielczość krokowa – czyli liczba kroków na pełny obrót wynosi 4, co oznacza, że dla pojedynczego kroku, wirnik silnika wykonuje obrót o kąt 90º. Elektromagnesy są rozłożone na wzór kompasu – tzn, tak jakby wskazywały kierunki – północ, wschód, południe i zachód lub analogicznie do tarczy zegara wskazówkowego – odpowiednio na miejscu godzin ”12”, ”3”, ”6” i ”9”. W pierwszym kroku, włączenie pary elektromagnesów na godzinach ”3” i ”9” powoduje powstanie pola magnetycznego, które odpycha wirnik powodując jego obrót ćwierć obrotu. W drugim kroku, elektromagnesy ”3” i ”9” zostają wyłączone i w tym samym momencie zostają załączone elektromagnesy ”12” i ”6”, które oddziałując z polem magnetycznym wirnika, powodują jego obrócenie o kolejne ćwierć obrotu. W trzecim kroku, zostają wyłączone uzwojenia ”12” i ”6” oraz włączone ponownie uzwojenia ‘3” i ”9” – żeby wirnik kontynuował obrót w tym samym kierunku, konieczne jest podanie napięcia o biegunowości odwrotnej względem napięcia podanego w pierwszym kroku. Czwarty krok jest identyczny jak drugi, ale tu również jest wymagane podanie napięcia o wstecznej biegunowości, aby wirnik obracał się w tym samym kierunku.

Liczba par biegunów, rozdzielczość krokowa i jej wpływ na dokładność pracy silnika krokowego

Z zasady działania silnika krokowego o dwóch parach uzwojeń wynika, że są one włączane i wyłączane naprzemiennie. W konstrukcjach o większej ilości par biegunów stojana i wirnika, można zauważyć mniejsze odstępy kątowe między uzwojeniami – przykładowo, silnik o trzech parach biegunów będzie miał elektromagnesy rozłożone co 60º, a dla czterech par biegunów – co 45º. Istnieją także konstrukcje z nieparzystą liczbą biegunów – np. silnik z trzema uzwojeniami tak jak w klasycznych silnikach trójfazowych prądu przemiennego, ma uzwojenia rozłożone z odstępami o 120º względem siebie. Natomiast tarcze wirnika silnika krokowego na swoich brzegach mają zęby rozłożone na obwodzie tarczy, a elektromagnesy stojana mają nacięcia rozłożone w identycznych odstępach jak na tarczach wirnika. Im większa ilość zębów, tym większa rozdzielczość krokowa silnika oraz większe możliwości wykorzystania silnika w aplikacjach wymagających wzmożonej dokładności.

Zalety i wady silników krokowych w praktyce

Silniki krokowe mają sporo zalet. Ich zastosowanie umożliwia precyzyjne sterowanie różnymi procesami technologicznymi. W zależności od rozdzielczości krokowej silnika, możliwe jest uzyskanie obrotu o wymagany kąt. Jednak w przypadku podawania na uzwojenia zbyt dużej liczby impulsów np. w ciągu sekundy, silnik może nie nadążać za układem sterowania, co jest zjawiskiem wysoce niepożądanych, zwłaszcza w zastosowaniach profesjonalnych – ograniczeniem jest wówczas mechanika części ruchomych oraz parametry materiałów ferromagnetycznych użytych na wirnik i stojan. Wówczas dobrym wyjściem z takiej problematycznej sytuacji, jest wykorzystanie serwomechanizmu z mechanizmem sprzężenia zwrotnego. Serwomechanizm posiada na elemencie obrotowym wbudowaną tarczę enkodera współpracującą z ogniwem fotoelektrycznym oraz złącze do podawania napięć zasilania i sterowania. Podział pola tarczy na czarne i białe wycinki koła o takich samych wymiarach, umożliwia poprzez czujnik fotoelektryczny dostarczenie informacji do układu sterowania o tym o jaki kąt obrócił się wirnik serwomechanizmu. Takie wykorzystanie sprzężenia zwrotnego pozwala na uzyskanie precyzyjnej kontroli nad położeniem serwa w porównaniu do zwykłego silnika krokowego, ale również jest to rozwiązanie bardziej kosztowne, stąd silniki krokowe są bardziej popularne względem serwomechanizmów. Choć często silniki krokowe nie doganiają precyzją działania serwomechanizmów, to są mimo to również wysoce niezawodne. W odpowiedzi na zadane impulsy sterujące, silnik odpowiada ustawieniem położenia wału w dokładną pozycję zadaną przez układ sterowania w połączeniu z dokładną i szybką reakcją na zmianę prędkości obrotowej. Ponadto wysoki moment obrotowy oraz niskie wibracje w dolnym zakresie prędkości obrotowej, przemawiają za używaniem tych silników w aplikacjach wymagających szybkich zmian położenia obiektów napędzanych na krótkich odległościach. Silniki krokowe również zdobyły popularność w szeroko rozumianym przemyśle, gdzie wymagana jest wysoka dokładność, np. w zautomatyzowanej produkcji półprzewodników, elementów mechanicznych, paneli fotowoltaicznych, aparatury diagnostycznej, sprzętu fotograficznego, drukarek, a w motoryzacji jest elementem odpowiadającym za podtrzymywanie obrotów silnika spalinowego na biegu jałowym.

Wynalezienie silnika krokowego

Pierwszy silnik krokowy został skonstruowany w 1912 roku przez Franka Wooda, a po różnych modyfikacjach po dziesięciu latach doczekał się opatentowania poprzez publikację pt. “Sztuka wykonywania ruchów krok po kroku”. Wynalazek Wooda wykorzystywał stojan złożony z pięciu elektromagnesów rozłożonych na obwodzie koła, włączanych w różnych kombinacjach powodując wprawienie wirnika w ruch obrotowy za pomocą pola magnetycznego. Mamy więc już stworzony silnik krokowy – za co on odpowiada? Wg konstruktora, wynalazek ma za zadanie pokazać wykonywanie ruchu obrotowego w sposób krokowy przy wykorzystaniu naturalnych własności materiałów ferromagnetycznych. 

Moment hamowania a moment podtrzymania

Moment hamowania silnika krokowego odnosi się do niewielkiego oporu, który jest wyczuwalny, kiedy kręcimy wałem silnika, który jest wyłączony spod źródła napięcia zasilającego. Obecność tego momentu, jest spowodowana oddziaływaniem pola magnetycznego stojana z polem magnetycznym wirnika i jest zależna od kształtu pętli histerezy indukcji magnetycznej materiałów (ich charakterystyki magnesowania – tj. indukcji magnetycznej w funkcji natężenia pola magnetycznego). Zaś moment podtrzymania obrazuje ile siły w zależności od długości ramienia obciążenia na wale może zostać maksymalnie dostarczonej przy maksymalnej wartości prądu pobieranego przez uzwojenia silnika. Jest to jeden z kluczowych parametrów przy doborze silnika krokowego pod konkretną aplikację.

Sterowanie silników krokowych w układzie z otwartym i zamkniętym sprzężeniem zwrotnym

Jednym z głównych atutów konstrukcji silników krokowych, jest przystosowanie ich konstrukcji do pracy w układzie otwartej pętli sprzężenia zwrotnego, gdzie silnik jest sterowany sekwencją impulsów o stałych parametrach przebiegu, gdzie nie ma konieczności podłączania sprzężenia zwrotnego. Dzięki temu koszt aplikacji jest obniżony. Takie rozwiązanie jest jednak obarczone zwiększoną podatnością na wibracje, pominięcie kroków przy zbyt wysokiej częstotliwości impulsów sterujących, a także problemami z osiągnięciem dużych prędkości. Wówczas, w aplikacjach wymagających większej niezawodności oraz stabilności działania, dobrze jest wprowadzić zamknięte sprzężenie zwrotne, gdzie między układem sterowania a silnikiem jest ciągła wymiana informacji nt. parametrów pracy silnika, takich jak prędkość i położenie kątowe wirnika. Wówczas silnik znacznie zyskuje na wydajności i dorównuje parametrom technicznym systemów opartych na serwomechanizmach. Natomiast wadą takiego rozwiązania są zwiększone koszty.

Silniki reluktancyjne

Innym rodzajem silnika krokowego, który ma nieco prostszą konstrukcję w porównaniu do silników opartych o magnesy stałe, jest silnik krokowy o zmiennej reluktancji. Silniki te, występują z wirnikiem wykonanym z materiałów magnetycznie miękkich oraz z diamagnetyków (materiałów nie wykazujących właściwości magnetycznych), ale podobnie jak silniki krokowe z magnesami stałymi, wykorzystują stojan z uzwojeniami zasilanymi. Ponieważ wirnik nie jest namagnesowany lub jest bardzo słabo namagnesowany, między nim a stojanem nie występuje oddziaływanie, kiedy w uzwojeniach stojana nie płynie prąd – stąd silniki krokowe typu reluktancyjnego nie dostarczają momentu hamującego. Choć wykazują stosunkowo niski moment obrotowy w porównaniu do konstrukcji z magnesami stałymi, to przy środkowym i górnym zakresie obrotów okazują się być lepszym rozwiązaniem z uwagi na niski spadek momentu obrotowego, a ponadto charakteryzują się cichą pracą, dzięki czemu są bardzo dobrym rozwiązaniem dla aplikacji pracujących w obszarach o zaostrzonych normach emisji hałasu.

Inne rodzaje: Konstrukcje hybrydowe – połączenie technologii reluktancyjnej z magnesami stałymi

Istnieje trzeci rodzaj silnika krokowego, który łączy w sobie zalety konstrukcji reluktancyjnych i z magnesami stałymi. Wirnik stanowią dwie sekcje wykonane z magnesów stałych o przeciwnie skierowanych względem siebie siłach. Na obwodzie wirnika znajdują się zęby, które są względem siebie przesunięte w przeciwfazie – tzn, na wysokości zębów koła bieguna północnego, na kole bieguna południowego znajdują się wręby i analogicznie w drugą stronę. Stojan silnika jest również wyprofilowany na kształt korespondujący z zębami wirnika. Takie rozwiązanie ułatwia przepływ strumienia magnetycznego przez szczeliny powietrzne, co na tle konstrukcji reluktancyjnych i z magnesami stałymi, wpływa dużo bardziej korzystnie na moment podtrzymania, moment dynamiczny oraz moment hamowania. Ponadto, silniki hybrydowe wykazują wyższą rozdzielczość krokową od swoich protoplastycznych konstrukcji o tej samej mocy – jedne z najbardziej precyzyjnych konstrukcji odznaczają się rozdzielczością na poziomie 500 kroków, gdzie pojedynczy krok jest równoważny obrotowi wirnika o kąt 0,72º. Istnieje możliwość rozszerzenia tej rozdzielczości przez użycie odpowiedniego sterownika z funkcją microsteppingu, tj. podziału standardowego pojedynczego kroku na jeszcze mniejsze kroki, co pozwala na wykorzystanie silnika w bardziej zaawansowanych aplikacjach, w tym drukarkach 3D – tym sposobem obiekty drukowane zyskują na wierności odwzorowania. Konstrukcje hybrydowe odznaczają się wysokimi osiągami pracy, ale wymagają wyższej precyzji wykonania i stąd również odpowiednio wyższych nakładów finansowych względem silników reluktancyjnych i bazujących na magnesach stałych. Niemniej jednak, silnik krokowy hybrydowy coraz bardziej zyskuje na popularności zarówno wśród hobbystów, jak i profesjonalistów.