Silnik krokowy to urządzenie elektromechaniczne przekształcające energię elektryczną w moc mechaniczną. Jednocześnie silnik krokowy to bezszczotkowy silnik synchroniczny, który może podzielić pełny obrót na ogromną liczbę kroków. Gdy silnik krokowy zostanie zastosowany z elektrycznymi impulsami sterującymi w odpowiedniej kolejności, wał lub wrzeciono silnika krokowego obraca się w dyskretnych krokach, umożliwiając precyzyjną kontrolę położenia silnika bez mechanizmu sprzężenia zwrotnego, o ile silnik jest dostosowany do zastosowania .
1. Budowa silników krokowych
Silniki krokowe zazwyczaj składają się z przednich i tylnych pokryw końcowych, łożysk, wału środkowego, rdzenia wirnika, rdzenia stojana, zespołu stojana, podkładek falistych, śrub i innych części. Dwie główne części silnika krokowego to stojan i wirnik. Oba składają się z materiałów magnetycznych z odpowiednio sześcioma i czterema biegunami magnetycznymi. Sześć biegunów magnetycznych stojana ma na sobie uzwojenia sterujące, a dwa przeciwległe bieguny tworzą fazę.
2. Rodzaje silników krokowych
Istnieją trzy podstawowe typy silników krokowych, wirnik reaktywny: silnik krokowy o zmiennej reluktancji (VR), wirnik aktywny: silnik krokowy z magnesami trwałymi (PM), połączenie VR i PM: Hybrydowy silnik krokowy (HY)
Silniki krokowe o zmiennej reluktancji
Silniki krokowe o zmiennej reluktancji są najprostszym typem silników krokowych i składają się z wirnika wielozębnego z miękkiego żelaza i uzwojonego stojana. Oba bieguny są namagnesowane, gdy do uzwojenia stojana doprowadzony jest prąd stały.
Gdy zęby wirnika są przyciągane do zasilanych biegunów stojana, następuje obrót. Ponieważ magnesy silników krokowych o zmiennej reluktancji są mniejsze i lżejsze niż magnesy silników krokowych z magnesami trwałymi, są one szybsze. Im mniejszy obszar między kołami zębatymi wirnika i stojana silnika krokowego o zmiennej rezystancji, tym mniejsza utrata siły magnetycznej.
W przypadku tego typu silnika krokowego, chociaż konstrukcja jest prosta i łatwa do kontrolowania, rozdzielczość jest niska, a moment obrotowy niewielki.
Silniki krokowe z magnesami trwałymi
Magnesy trwałe są wbudowane w strukturę silnika krokowego z magnesami trwałymi. Zmiana położenia wirnika będzie spowodowana zmianą kierunku prądu w cewkach, zmianą biegunów magnetycznych. Wirnik obróci się o 90 °, gdy kierunek prądu zostanie odpowiednio zmieniony. Ten pojedynczy krok silnika, chociaż przydatny w niektórych zastosowaniach, byłby bardzo duży i niedokładny. Dlatego naprawdę istniejące silniki z magnesami trwałymi mają więcej biegunów wirnika i kilka magnesów zamontowanych na wirniku w celu zwiększenia liczby kroków i precyzji pozycjonowania.
Namagnesowane bieguny wirnika zapewniają większą intensywność strumienia magnetycznego, w wyniku czego silniki z magnesami trwałymi wykazują lepszą charakterystykę momentu obrotowego niż silniki krokowe o zmiennej reluktancji. Prosta konstrukcja daje silnik o umiarkowanej cenie i dość niskiej rozdzielczości.
Hybrydowe silniki krokowe
Hybrydowe silniki krokowe są jednym z najczęściej stosowanych typów silników krokowych w branży. Hybrydowe silniki krokowe łączą najlepsze cechy silników krokowych o zmiennej reluktancji i magnesów trwałych, dzięki czemu są droższe. Hybrydowe silniki krokowe oferują lepszą wydajność pod względem rozdzielczości kroku, momentu obrotowego i prędkości.
Rotor hybrydowego silnika krokowego składa się z magnesów trwałych, ale w przeciwieństwie do modeli omówionych powyżej, magnesy nie są zamontowane promieniowo, ale namagnesowane osiowo. Zwykle wirnik składa się z dwóch przeciwstawnych pierścieni magnetycznych umieszczonych na wale silnika. Ma rowki w każdym pierścieniu, tworzące zęby wirnika.
Liczbę pełnych kroków na obrót można obliczyć z następującego wzoru:
- SPR = NR x Ø
- Gdzie: SPR = liczba kroków na obrót
- NR = całkowita liczba zębów wirnika (suma dla obu jarzm)
- Ø = liczba faz silnika
- lub: NR = SPR/Ø
3. Rodzaje okablowania
Inna klasyfikacja silników krokowych opiera się na rodzaju uzwojenia silnika dwufazowego. Na podstawie tej klasyfikacji silniki krokowe są podzielone na jednobiegunowe i dwubiegunowe.
Główna różnica polega na tym, że silniki jednobiegunowe działają z jedną polaryzacją prądu (napięcia), podczas gdy silniki bipolarne działają z dwiema biegunami, co oznacza, że kierunek przepływu prądu w cewkach jest zmienny. Kolejna różnica polega na tym, że cewki silnika muszą być połączone w celu przeniesienia mocy z końca jednej cewki na początek drugiej. Ten sposób podłączenia pozwala na użycie jednej biegunowości prądu (napięcia). Silnik bipolarny ma wyższy moment obrotowy niż silnik jednobiegunowy, ale sterowanie nim jest również bardziej skomplikowane.
Bipolarny silnik krokowy i połączenie jego uzwojeń
Jednobiegunowy silnik krokowy i połączenie jego uzwojeń
| Porównania | Silnik krokowy o zmiennej reluktancji (VR ) | Silnik krokowy z magnesami trwałymi (PM) | Hybrydowy silnik krokowy (HB) | |
| Koszt | Średni | Stosunkowo tanie | Stosunkowo drogie | |
| Struktura projektu | Prosta | Średnia | Stosunkowo złożona | |
| Rozdzielczość | Kąt kroku: 1,8°, 0,9° lub mniej | Kąt kroku: 3°~30° | Kąt kroku: 1,8°, 0,9° lub mniej | |
| Krzywa prędkości momentu obrotowego | Brak znaczącego spadku momentu obrotowego przy dużej prędkości | Duży moment obrotowy przy niskiej prędkości, znaczny spadek momentu obrotowego przy dużej prędkości | Duży moment obrotowy przy niskiej prędkości, znaczny spadek momentu obrotowego przy wysokiej prędkości | |
| Hałas | Więcej szumu | Mniej szumu | Więcej szumu (lepiej z podziałem microstep) | |
| Wytwarzanie ciepła | Wysoki wzrost temperatury (wymaga radiatora) | Niski wzrost temperatury | Niski wzrost temperatury | |
| Podział Microstep | Zazwyczaj działają tylko w pełnym kroku | Magnesy ferrytowe lub neodymowo-żelazowo-borowe | Neodym -magnesy żelazowo-borowe | |
| Materiał wirnika | Stal krzemowa ona et (bez magnesów trwałych) | Pełny krok, pół kroku, mikrokrok | Pełny krok, pół kroku, mikrokrok | |
| Powierzchnia wirnika | Wielozębna struktura na zewnętrznej powierzchni wirnika | Gładkie i bezzębne | Wielozębna struktura na zewnętrznej powierzchni rotora | |
| Moment magnetyczny | Generuje tylko atrakcyjny moment obrotowy | Zarówno atrakcyjny, jak i odpychający moment obrotowy podczas pracy | Zarówno atrakcyjny, jak i odpychający moment obrotowy podczas pracy | Zarówno atrakcyjny, jak i odpychający moment obrotowy podczas pracy |
| Bipolarny silnik krokowy | Jednobiegunowy silnik krokowy |
| Większy moment obrotowy | Mniejszy moment obrotowy |
| Większe zakotwienie ze względu na uzwojenia | Dolne zakotwiczenie |
| Mniejszy | Większy |
| Tańsze | droższe |
| Bardziej skomplikowana kontrola, która wymaga płyty zawierającej etapy kontroli mocy i obrotu | Łatwiejsza kontrola, wymagająca ukończenia tylko jednego obwodu zasilania |
4. Zalety silników krokowych
- Pozycjonowanie - Dzięki silnikom krokowym poruszającym się w precyzyjnych, powtarzalnych krokach, sprawdzają się dobrze w aplikacjach wymagających precyzyjnego pozycjonowania.
- Kontrola prędkości - Precyzyjne przyrosty ruchu zapewniają doskonałą kontrolę prędkości.
- Moment obrotowy przy niskiej prędkości - Silniki krokowe mają wysoki moment obrotowy przy niskich prędkościach.
5. Wady silników krokowych
- Niska wydajność — w porównaniu z silnikami prądu stałego zużywają więcej prądu. Dlatego mają tendencję do nagrzewania się.
- Ograniczony moment obrotowy przy dużej prędkości - Moment obrotowy silnika szybko spada wraz ze spadkiem prędkości
- Brak opinii — Opinia nie jest używana do określenia możliwych pominiętych kroków
- Wysoki poziom wibracji i hałasu - Przy bardzo dużych prędkościach obsługa tego silnika nie jest łatwa.
- Możliwa utrata synchronizacji - Spowodowana przez takie czynniki, jak nieoczekiwane zmiany obciążenia
- Mały stosunek momentu do bezwładności
- Wymagaj obwodu napędu
6. Do czego służą silniki krokowe?
Takie silniki krokowe są dobrym wyborem do zastosowań wymagających niskiej prędkości i wysokiej dokładności. Niektóre z tych codziennych zastosowań są wymienione poniżej:
Silniki krokowe do drukarek 3D
Silniki krokowe są prawie zawsze dostępne w popularnych drukarkach 3D. Zastosowanie silników krokowych w drukarkach 3D umożliwia bardzo dokładny ruch i pozycjonowanie bez konieczności stosowania enkoderów i innego dodatkowego oprogramowania lub czujników w opłacalny sposób. Silniki krokowe mogą przejść do znanego odstępu, a następnie utrzymać tę pozycję. Są dobrze przystosowanym silnikiem do przenoszenia obiektów w powtarzalne pozycje.
W zależności od typu drukarki są one używane w wielu różnych zastosowaniach. Na przykład silniki krokowe służą do indywidualnego poruszania ekstruderem lub budowania osi X, Y i Z platformy. Zespół ekstrudera ma również silnik krokowy, który służy do wciągania filamentu do ekstrudera i kontrolowania dostarczania spójnego, równego materiału do maszyny przez cały proces drukowania.
Silniki krokowe są dostępne w różnych rozmiarach. najczęściej używane rozmiary w drukarkach 3D to NEMA 14, NEMA 17, NEMA 23 i NEMA 24.
Silniki krokowe do CNC
Silniki krokowe są alternatywą dla serwosilników i mogą zasilać większość typów maszyn CNC. Silniki krokowe mają niewielkie rozmiary i prostą konstrukcję, dzięki czemu idealnie nadają się do małych zastosowań, takich jak frezarki CNC. Silniki krokowe kosztują mniej niż serwosilniki przy tej samej mocy, ale nowoczesne wersje silników krokowych często mają te same cechy. Silniki krokowe są łatwiejsze do zrozumienia i obsługi ze względu na brak enkoderów, a silniki krokowe są również bezszczotkowe i łatwe w utrzymaniu.
Silniki krokowe mogą zazwyczaj zapewniać prędkość posuwu od 50 do 1000 cali na minutę, podczas gdy serwomotory mogą osiągać ponad 2500 cali na minutę. Jeśli potrzebujesz bardzo wysokiej dokładności i dużych prędkości produkcyjnych, lepszym wyborem są serwomotory.
Do zastosowań, które nie wymagają ultrawysokiej precyzji. Większość frezarek CNC, które kosztują mniej niż 25 000 USD, wykorzystuje silniki krokowe, a nie serwomotory. Warto również wziąć pod uwagę silniki krokowe z zamkniętą pętlą, które dobrze zapobiegają błędom wynikającym z pominiętych kroków i mogą być dobrym wyborem, gdy potrzebujesz niedrogiego rozwiązania dla drogich przedmiotów.
Silniki krokowe dla Raspberry Pi, Arduino, MicroPython (np. pyboard, Wipy, ESP32, ESP8266 i MicroBit)
Silniki krokowe są niezwykle powszechnym urządzeniem peryferyjnym używanym do dodawania do komputerów jednopłytowych, takich jak Raspberry Pi, arduino itp., Aby hobbyści mogli nauczyć się podstawowych umiejętności programowania komputerowego. Często jest to postrzegane jako logiczny następny krok po nauczeniu się manipulowania i sterowania małymi, niedrogimi silnikami krokowymi, aby nauczyć się sterować cyklami włączania/wyłączania diod LED i innymi prostymi przełącznikami lub typami brzęczyków.
Istnieje wiele typów silników krokowych dostępnych w STEPPERONLINE do takich zastosowań, zaczynając od wyjątkowo niedrogich wersji 5V, które łatwo łączą się ze złączami na płycie głównej Raspberry Pi.
Silniki krokowe mogą być używane do sterowania ruchem, działając jako siłowniki, które aktywują złącza robota i mogą przyspieszać ładunek do pożądanej prędkości.
Silniki krokowe do kamer
Silniki krokowe mają wiele zastosowań w filmowaniu kamer i są powszechnie używane do automatycznego ustawiania ostrości i powiększania kamer. Ponieważ silnik krokowy zapewnia płynną i precyzyjną jazdę, pozwala zminimalizować błędy w procesie wykrywania oraz zapewnić dokładne i płynne ustawianie ostrości w połączeniu z najnowszą technologią podglądu na żywo.
Silniki krokowe do majsterkowania
Silniki krokowe mają również wiele zastosowań w automatyzacji domu. Silniki krokowe są powszechnie stosowane do obsługi żaluzji klimatyzacyjnych, otwierania lub zamykania zaworów rurowych oraz sterowania roletami okiennymi z napędem.
