Silnik krokowy – zastosowania.

Silnik krokowy

Silnik krokowy, inaczej zwany skokowym wykorzystywany jest w różnego rodzaju maszynach i urządzeniach oraz układach automatyki przemysłowej. Charakteryzuje go impulsowy rodzaj sterowania. Tzn. aby wykonać ruch wału musimy podać mu impulsy sterujące. Prędkość wału zależy od częstotliwości podawania tychże impulsów. Np. bardzo popularne są silniki krokowe, które wykonują 1,8 stopnia na krok, czyli aby zrobić pełen obrót wału musimy dostarczyć 200 impulsów sterujących.

Silnik krokowy
Silnik krokowy

Silniki krokowe od lat stosowane są we wszelkiego typu obrabiarkach, ploterach, drukarkach itp. urządzeniach. Same silniki za wiele się nie zmieniły na przestrzeni lat, za to sterowniki przeszły drogę z rozwiązań prostych – analogowych, do bardziej skomplikowanych, a zarazem bardziej wydajnych cyfrowych, opartych na procesorach sygnałowych. To co jeszcze do niedawna było bolączką tych napędów, zostało w pewnym stopniu usprawnione dzięki tym sterownikom.

Silnik krokowy – wady i zalety.

Zalety:

1. Sterowanie impulsowe. Jest to o tyle ważne, że w tani i prosty sposób mamy napęd, który możemy pozycjonować i to w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego. Oznacza to, że nie musimy używać czujnika pozycji, np. enkodera obrotowego czy liniowego. Jeśli po drodze nie wystąpi żadna anomalia, to napęd powinien dojechać na zadaną przez nas pozycję.

2. Moment trzymający. Silnik krokowy ma największy moment w zerze, czyli wtedy kiedy nie pracuje, a jest zasilony (moment czyli siła z jaką trzyma, bądź się obraca wał silnika). Oznacza to, że w niektórych aplikacjach możemy zrezygnować z hamulca mechanicznego.

3. Praca przy niskich prędkościach obrotowych. Jest to niewątpliwie duża zaleta silników krokowych. Tam, gdzie inne napędy radzą  sobie słabiej – np. serwonapędy, silniki krokowe działają znakomicie. Moment obrotowy jest zbliżony do trzymającego (praca z prędkością kilku, kilkunastu obrotów na minutę).

4. Budowa silnika krokowego. Silniki krokowe nie posiadają szczotek, które mogłyby ulec zużyciu. Jedyne części mechaniczne, które się zużywają to łożyska.

5. Cena. Są to napędy dość tanie i powszechne.

 Wady:

1. Gubienie kroków. Zdarza się, że z jakiegoś powodu „zgubimy kroki”. Może to być np. spowodowane nadmiernym obciążeniem silnika, zakłóceniami itp. Jeśli np. obrabiamy jakiś detal, to będzie on najprawdopodobniej do wyrzucenia. Jeśli zgubimy kroki, to układ o tym nie będzie wiedział, bo nie ma enkodera.

2. Moment obrotowy. Niektórzy wezmą to za zaletę, a nie wadę, dlatego w dalszej części postu postaram się to wytłumaczyć.

3. Nadmierne wydzielanie ciepła przez silnik. Silnik może być zasilony również na postoju – dzięki temu mamy moment trzymający. Niestety to powoduje, że silnik się grzeje. Również podczas pracy. 80ºC lub nawet więcej to temperatura, którą może osiągnąć silnik.

4. Niskie prędkości obrotowe. Prędkość obrotowa silnika jest ściśle powiązania z momentem obrotowym – im szybciej kręcimy wałem silnika, tym słabszy mam silnik. Standardowe prędkości obrotowe to około 200-300 obr/min. Jeśli chcemy więcej, to będziemy musieli przewymiarować silnik. Bez sprzężenia zwrotnego prędkości rzędu 3000 obr./min. są praktycznie poza zasięgiem silników krokowych.

5. Drgania, rezonans. Silniki krokowe mają tendencję do drgań i wpadania w rezonans. Potrafią głośno pracować. Częściowo to zjawisko zostało wyeliminowane poprzez zastosowania nowoczesnych sterowników opartych na procesorach sygnałowych. Silniki sterowane w ten sposób pracują dużo ciszej i płynniej.

6. Mała sprawność. Duży pobór prądu i straty spowodowane utratą ciepła, powodują że sprawność układu jest mała.

Moc i moment silnika krokowego.

Ludzie, którzy szukają silnika krokowego często chcą porównywać moc do klasycznego silnika klatkowego lub do serwonapędu. Niestety nie jest to takie proste. Operowanie na mocy elektrycznej kompletnie nie ma sensu. Lepiej to zrobić na momencie obrotowym. W silniku krokowym mamy podany jedynie moment trzymający, który też nam się na wiele nie zda. Musimy wtedy otworzyć dokumentację i poszukać charakterystyki momentowej silnika krokowego:

 

Silnik krokowy charakterystyka moment obrotowy-prędkość
Silnik krokowy charakterystyka moment obrotowy [Nm]/prędkość [obr./min.]
Powyższy wykres przedstawia przykładową charakterystykę momentową silnika o momencie trzymającym około 0,8Nm. Bardzo dobrze na niej widać zależność spadku momentu obrotowego, wraz ze wzrostem prędkości.

Jeśli już chcemy porównać silnik krokowy do serwonapędu – pod względem momentu, to najpierw musimy wiedzieć z jaką prędkością będziemy pracować i odczytać z charakterystyki moment obrotowy. Tylko w ten sposób uda nam się napędy porównać.

Silnik krokowy ze sprzężeniem zwrotnym.

Na rynku dostępne są wersje silników krokowych sprzężonych z enkoderem. Nazywane są one napędami serwokrokowymi. Napędy te charakteryzują się tym, że nie gubią kroków. Gdy z jakiegoś powodu są przyblokowane, potrafią nadgonić stracone kroki. Gdy się to nie udaje – trwa za długo, napęd zgłasza błąd nieosiągnięcia pozycji. Producenci się chwalą, że mogą one pracować z prędkością nawet 3000 obr./min. Jest to na pewno ciekawa alternatywa dla klasycznych serwonapędów.

Silnik krokowy czy serwonapęd?

Wybór pomiędzy serwonapędem a silnikiem krokowym zależy od wielu czynników. Jeśli w danej aplikacji sprawdzi nam się silnik krokowy, tzn. prędkość, moment oraz dynamika układu będą nam odpowiadać, to nie ma sensu przepłacać za serwonapęd. W wielu maszynach i urządzeniach działają klasyczne silniki krokowe na tradycyjnych sterownikach analogowych i świetnie sobie radzą. Niektórzy nawet twierdzą, że serwonapęd w ich aplikacji byłby nawet gorszy. Przede wszystkim należy sobie zdawać sprawę z ograniczeń i zalet napędów, których chcemy użyć i na tej podstawie powinniśmy podejmować świadome decyzje przy wyborze sprzętu.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *