Spis treści:
Dziś silniki krokowe krok po kroku. Zobaczmy, jak precyzyjne i uniwersalne potrafią być te małe bestie w zasięgu każdego hobbysty, makera i pasjonata DIY.
Jak działa silnik krokowy?
Silnik krokowy to rodzaj silnika elektrycznego, który obraca się w precyzyjny sposób o określony kąt za każdym razem, gdy tylko otrzyma impuls elektryczny. Jest to osiągane dzięki temu, że silnik krokowy składa się z kilku elektromagnesów, które przyciągają metalowe elementy, nazywane rotorami, a to powoduje ich obrót.
Silniki krokowe są często wykorzystywane w urządzeniach, które wymagają precyzyjnej kontroli ruchu, takich jak drukarki 3D, plotery i wycinarki, roboty przemysłowe i amatorskie czy maszyny CNC.
Impuls elektryczny w silniku krokowym
Impuls elektryczny, który jest wysyłany do silnika krokowego, powoduje, że wirnik obraca się o określony kąt, co z kolei przesuwa napęd do kolejnego kroku. Można to porównać do schodów ruchomych, na których ludzie stoją i przesuwają się z nimi w jednym, ustalonym kierunku. Każdy impuls elektryczny odpowiada za jedno przesunięcie schodów ruchomych o jedno miejsce, a w przypadku silnika krokowego za jeden krok.
Innym przykładem może być ruch ręki, w którym impuls elektryczny byłby odpowiedzialny za ruch jednego palca. Tak jak ruchy palców pozwalają nam na precyzyjne manipulowanie przedmiotami, tak impulsy elektryczne w silniku krokowym pozwalają na precyzyjne sterowanie ruchem mechanicznym.
Typy silników krokowych
Jak zwykle podobne klasyfikacje bywają kłopotliwe, bo nierzadko są sztucznymi podziałami funkcjonalnymi dla lepszego zrozumienia istoty działania. W pierwszej kolejności zróbmy to ze względu na fazy silnika krokowego o rosnącym stopniu zaawansowania.
- Silnik krokowy jednofazowy – jest to najprostszy typ silnika krokowego, który składa się z jednej cewki i wirnika z magnesami trwałymi. Cewka tworzy pole magnetyczne, które przyciąga magnesy wirnika, powodując obrót o określony kąt. Silnik krokowy jednofazowy jest stosunkowo niedrogi i łatwy w obsłudze, ale nie jest zbyt precyzyjny względem swoich braci.
- Silnik krokowy dwufazowy składa się z dwóch cewek, które są włączane na zmianę, aby przyciągnąć magnesy wirnika i w ten sposób spowodować obrót. Dzięki temu silnik krokowy dwufazowy jest bardziej precyzyjny niż jednofazowy, ale jest też zwykle droższy.
- Silnik krokowy wielofazowy to najbardziej zaawansowany typ silnika krokowego, który składa się z wielu cewek, zazwyczaj od trzech do pięciu. Dzięki nim silnik krokowy wielofazowy uchodzi za bardzo precyzyjny i ma dużą moc, co pozwala mu na pracę z większymi obciążeniami. Analogicznie silnik krokowy wielofazowy jest jednak dość skomplikowany i drogi w produkcji.
Warto również wspomnieć, że silniki krokowe można podzielić na silniki hybrydowe oraz magnetyczne. Silniki hybrydowe to połączenie silnika krokowego dwufazowego oraz silnika prądu stałego, co pozwala na jeszcze większą precyzję ruchu. Silniki magnetyczne natomiast składają się z cewek i magnesów, ale nie posiadają wirnika, a ruch uzyskuje się poprzez przesuwanie magnesów.
Ważna kwestia to przekładnia – często natraficie na wzmiankę o niej przy przeglądaniu silników krokowych. Odpowiada za zmianę momentu obrotowego i prędkości wyjściowej silnika. Im większa przekładnia, tym większy moment obrotowy na wyjściu silnika. W silnikach krokowych zwykle stosuje się przekładnie mechaniczne, przekładnie zębate oraz przekładnie typu ślimakowego lub stożkowego.
Zastosowanie silników krokowych
Silniki krokowe posiadają zasadnicze zalety w porównaniu do innych typów silników. Dzięki precyzyjnemu ruchowi kroczącemu są idealne wszędzie tam, gdzie wymagana jest wysoka dokładność pozycjonowania lub sterowania ruchem obrotowym. Ale o tym już wiemy – rzućmy okiem na konkretne urządzenia.
Wspomnieliśmy, że silniki krokowe znajdują zastosowanie w wielu urządzeniach, takich jak drukarki i maszyny CNC. Listy części drukarek 3D prawie zawsze zawierają wspólny element silnika krokowego. Jest tak dlatego, że korzystanie z silnika krokowego w drukarce 3D to bardzo dokładny i opłacalny sposób, aby wykonać bardzo precyzyjne działania i obroty w czasie, gdy drukarka niejako “tłumaczy” informacje z cyfrowych skanów do fizycznych obiektów 3D.
Silniki krokowe i sterowniki w drukarkach 3D pozwalają na ściśle kontrolowany ruch wzdłuż osi X, Y i Z, oddzielnie lub jednocześnie, co oznacza, że ekstremalna dokładność ruchu i pozycjonowania jest osiągalna bez potrzeby stosowania enkoderów i innego dodatkowego oprogramowania lub czujników. Co więcej, większość drukarek 3D posiada wiele silników krokowych – zazwyczaj znajdują się one zarówno w samych platformach konstrukcyjnych, jak i w ekstruderach filamentu, gdzie pomagają wciągać filament i kontrolować spójne, równomierne dostarczanie materiału do maszyny przez cały czas trwania wydruku.
Inna sfera zastosowań silników krokowych to kamery przemysłowe CCTV. Są one wykorzystywane zarówno do sterowania niezwykle precyzyjnymi elementami wewnętrznymi, takimi jak ustawienia autofokusa i przysłony w obiektywie, jak również w obudowach i mechanice zewnętrznej kamer bezpieczeństwa i systemów zdalnego monitorowania.
W szczególności silniki krokowe i zmotoryzowane suwaki kamer pozwalają na płynne działanie zestawów pozycjonujących, co przekłada się na to, że nagrania z urządzeń bezpieczeństwa powstają bez zniekształceń obrazu spowodowanych fizycznym ruchem kamery wokół jej pola widzenia. Te atrakcyjne funkcjonalności do wykorzystania w systemach pozycjonowania kamer i nadzoru wideo umożliwiają na przykład pełny moment obrotowy w stanie spoczynku, praktycznie natychmiastowe czasy reakcji dla wszystkich wejść ruchu, powtarzalność wstępnie określonych ruchów i proste, otwarte pętle kontroli zdefiniowanie przez stałe wielkości kroku.
Parametry silników krokowych i specyfikacje techniczne
Wybór silnika zależy od czynników prędkości, momentu obrotowego, rozdzielczości kątowej, wielkości i kształtu. Niektóre wymienione poniżej pojęcia mogą być znane na przykład pasjonatom mechaniki pojazdów, albo przynajmniej przywodzić na myśl jakieś skojarzenia.
Krok to podstawowa jednostka ruchu w silniku krokowym. Im mniejszy krok, tym większa precyzja pozycjonowania, ale mniejsza prędkość. Kąt natarcia określa kąt obrotu wału silnika potrzebny do wykonania jednego kroku. Zwykle wynosi on 1.8 stopnia, ale w niektórych przypadkach może być mniejszy.
Moment obrotowy to siła, z jaką silnik obraca się wokół swojej osi. Im większy moment obrotowy, tym silniejszy silnik krokowy.
Prędkość silnika krokowego zależy od częstotliwości sygnału sterującego. Im większa częstotliwość, tym większa prędkość.
Wreszcie ważna pozostaje waga silnika krokowego, zwłaszcza gdy chcemy zastosować go w ruchomych urządzeniach, które wymagają pewnej mobilności.
Przy wybieraniu takich parametrów jak napięcie zasilania, prąd i impedancja warto zapoznać się z dokumentacją i porównać różne modele.
Silniki krokowe w projektach DIY
Po raz kolejny granicą jest tu tylko wyobraźnia, ale trzeba gdzieś postawić pierwsze, nomen omen, kroki. Silniki krokowe są powszechnie stosowane w projektach robotycznych, ponieważ pozwalają na precyzyjne poruszanie kończynami robota. Mogą być używane do kontroli ruchu ramion, nóg czy kłów – nie wiemy, co tam właściwie planujecie skonstruować, ale pomogą w tym steppery. Drukarki 3D nie tylko zawierają je fabrycznie, ale można wykorzystać w nich własne silniki krokowe w samodzielnych przeróbkach. W ruchu pojazdów RC (w projektach zdalnie sterowanych) takich jak samochody, drony lub łodzie, mogą być używane do kontroli ruchu kół lub innych elementów pojazdu.
Listę zamykają urządzenia medyczne, którym daleko im do DIY i raczej odradzamy takie próby z oczywistych względów, ale silniki krokowe są stosowane w medycynie w urządzeniach takich jak pompy infuzyjne, urządzenia do dializy czy do kontroli długości skanów w tomografii komputerowej.
Najlepsze miejsca do poszukiwania pomysłów to witryny hacksterskie, na których miłośnicy elektroniki zamieszczają setki pomysłowych projektów z silnikami krokowymi, w tym z wykorzystaniem popularnej platformy deweloperskiej Arduino i minikomputerów spod znaku Raspberry Pi. Iskrą do rozbudzenia własnej pomysłowości makerskiej może być nawet Pinterest, gdzie może i często brakuje konkretnych schematów, ale sam widok projektów naprawdę potrafi ożywić kreatywność.
