Silnik krokowy

Silnik krokowy to szczególny typ silnika elektrycznego, który zasilany jest impulsowo prądem elektrycznym. Ten typ zasilania przyczynia się do tego, że jego wirnik nie obraca się ruchem ciągłym, a wykonuje za każdym razem ruch obrotowy o ściśle ustalony kąt. Ze względu na budowę rozróżniamy trzy podstawowe typy silników krokowych – silnik hybrydowy, silnik z magnesem trwałym oraz silnik o zmiennej reluktancji. W tym artykule przyjrzymy się właściwościom tego silnika.

Silnik krokowy - charakterystyka

Kąt obrotu wirnika takiego silnika jest ściśle zależny od liczby dostarczanych do niego impulsów prądowych, a jego prędkość kątowa jest taka sama, jak częstotliwość impulsów pomnożona przez wartość kąta obrotu wirnika dla jednego cyklu pracy silnika. Co ciekawe, kąt obrotu wirnika pod wpływem działania jednego impulsu może mieć różną wartość, która zależna jest od konstrukcji danego silnika. Zazwyczaj jest to wartość w zakresie od kilku do kilkudziesięciu stopni. Silniki krokowe, w zależności od przeznaczenia, umożliwiają wykonywanie od części obrotu do kilkuset takich obrotów na minutę.

Kąt obrotu takiego silnika jest proporcjonalny do liczby impulsów wejściowych. Pracuje on z pełnym momentem w stanie spoczynku, jeżeli uzwojenia są zasilane. Umożliwia on precyzyjne pozycjonowanie oraz powtarzalność swojego ruchu. Dobrze wykonane tego typu silniki dają maksymalny błąd w zakresie od 3 do 5 procent kroku i nie jest on kumulowany w kolejnych cyklach. Dają one również możliwość bardzo szybkiego rozbiegu, zmiany kierunku i hamowania. Są także niezawodne ze względu na brak szczotek. Jego żywotność zależy zatem wyłącznie od wytrzymałości łożysk. Obroty silnika zależne są od dyskretnych impulsów, co daje możliwość sterowania w pętli otwartej, przez co jest on łatwy i tani w obsłudze. Umożliwia on także osiągnięcie bardzo niewielkich prędkości synchronicznych obrotów z obciążeniem zamocowanym bezpośrednio na wale silnika. Dodatkowo możliwe jest uzyskanie szerokiego zakresu prędkości obrotowych. Jest tak dzięki wspominanej wcześniej proporcjonalności prędkości do częstotliwości impulsów wejściowych.

Silnik krokowy - warunki eksploatacji

Jedną z największych zalet tego typu silnika jest możliwość precyzyjnego sterowania w pętli otwartej. Ten rodzaj racy oznacza, że nie jest konieczne sprzężenie zwrotne informacji o położeniu. Mówiąc prościej, niweluje ono konieczność stosowania drogich przyrządów sprzężenia zwrotnego, takich jak specjalistyczne enkodery optoelektroniczne. Pozycja silnika jest znajdowana na podstawie liczby impulsów wejściowych. Niestety może przy tym wystąpić zjawisko gubienia kroków, szczególnie kiedy dojdzie do nadmiernego obciążenia silnika bądź niewłaściwego jego sterowania. Nie można więc powiedzieć, że jest to właściwość gwarantowana dla dowolnych warunków pracy oraz każdego silnika krokowego. Silniki te charakteryzują się również pojawianiem rezonansów mechanicznych przy niepoprawnym sterowaniu, mają one także trudności podczas pracy przy bardzo dużych prędkościach, co wynika bezpośrednio z ich krokowej charakterystyki. W praktyce ich obroty są niewielkie, gdyż zasięg do kilkuset obrotów na minutę zawężą krąg ich zastosowań. Oprócz zjawiska gubienia kroków pobierają one duże ilości prądu i charakteryzują się wysoką emisją ciepła.

Z tych powodów znajdują one głównie zastosowanie tam, gdzie najistotniejsze jest precyzyjne sterowanie ruchem maszyny. Są to urządzenia pomiarowe, takie jak zegary elektroniczne, w których używa się ich do przesuwania wskazówek. Wykorzystywane są również w automatyce do budowy mechanicznych urządzeń regulacyjnych, a także w robotyce do sterowania ruchem ramion maszyn, czy chociażby kół w automatycznych pojazdach. W tradycyjnej motoryzacji są wykorzystywane do kontroli obrotów na biegu jałowym samochodu. Znajdują również zastosowanie w przemyśle informatycznym. W napędach optycznych odpowiadają za sterowanie ruchem głowicy czytającej, która zawiera laser. W drukarkach atramentowych, igłowych oraz ploterach odpowiadają one za sterowanie ruchem głowicy drukującej, a także igły i przesuwu folii lub papieru.