Silnik krokowy to silnik elektryczny, który obraca się nie w sposób ciągły, lecz w precyzyjnie określonych krokach, wykonując ruch o ustalony kąt w odpowiedzi na impulsy sterujące. W odróżnieniu od konwencjonalnych silników prądu stałego, każdy impuls elektryczny odpowiada jednemu krokowi, co umożliwia niezwykle precyzyjne sterowanie pozycją i prędkością.
Ta cecha sprawia, że silniki krokowe są powszechnie stosowane w automatyce, robotyce, druku 3D i systemach CNC. Mogą pracować w otwartej pętli (bez sprzężenia zwrotnego), co eliminuje potrzebę stosowania dodatkowych czujników pozycji.
Budowa i zasada działania
Silnik krokowy to silnik elektryczny z licznymi cewkami zebranymi w grupy, nazywane „fazami”. Jego konstrukcja obejmuje dwie główne części.
Wirnik (część ruchoma) – zawiera magnesy trwałe lub wykonany jest z materiału ferromagnetycznego.
Stojan (część nieruchoma) – wyposażony w zestaw cewek tworzących fazy.
Mechanizm działania
Zasada działania opiera się na zjawiskach elektromagnetycznych: po przepłynięciu prądu przez cewki stojana powstają pola magnetyczne, które przyciągają lub odpychają magnesy na wirniku. Dzięki odpowiedniemu przełączaniu prądu w cewkach wirnik przemieszcza się w precyzyjnych krokach.
Ruch odbywa się sekwencyjnie – przy kolejnym zasilaniu poszczególnych faz silnik obraca się o jeden krok. Droga kątowa jest proporcjonalna do liczby impulsów. Przykład: jeśli silnik ma 200 kroków na obrót, to podanie 50 impulsów spowoduje obrót wirnika o 1/4 obrotu.
Sterowanie silnikiem krokowym
Rola impulsów sterujących
Każdy impuls elektryczny odpowiada jednemu krokowi, co pozwala precyzyjnie ustalać pozycję wału. Liczba impulsów określa kąt obrotu (dystans), a częstotliwość impulsów decyduje o prędkości kątowej.
Sterowniki i mikrokroki
Do sprawnego działania niezbędne są sterowniki umożliwiające mikrokrok. Mikrokrok zwiększa rozdzielczość pozycjonowania i zapewnia płynniejszy ruch, ograniczając drgania.
Pracą silnika może zarządzać elektroniczny moduł sterujący (ECM), który za pomocą impulsów reguluje działanie silnika; w systemach transportowych korzysta on z danych czujników, aby dostosować parametry pracy do aktualnych warunków.
Tryby pracy silnika krokowego
Silniki krokowe mogą pracować w różnych trybach, które wpływają na precyzję, płynność i moment obrotowy:
- pełny krok (full-step) – zapewnia maksymalny moment obrotowy, lecz powoduje bardziej „skokowy” ruch;
- półkrok (half-step) – zwiększa płynność względem pełnego kroku, przy nieznacznym spadku momentu;
- mikrokrok – oferuje najwyższą rozdzielczość pozycjonowania i najpłynniejszy ruch.
Charakterystyka ruchu
Ruch silnika krokowego przebiega w ustalonej sekwencji:
- Rozpędzanie – silnik przyspiesza do zadanej prędkości;
- Praca ze stałą prędkością – silnik pokonuje określoną drogę lub pracuje przez ustalony czas;
- Hamowanie – silnik wytraca prędkość do pełnego zatrzymania.
Przyspieszanie i wyhamowywanie powinno następować po rampie (profilu przyspieszenia), co zapewnia płynne przejścia między fazami pracy. W większości aplikacji czasy przyspieszania i hamowania są identyczne.
Zalety i zastosowania
Silniki krokowe oferują szereg istotnych korzyści:
- wysoka precyzja sterowania – umożliwia dokładne odwzorowanie ruchów w aplikacjach wymagających pozycjonowania;
- praca w otwartej pętli – często eliminuje potrzebę stosowania sprzężenia zwrotnego i czujników pozycji;
- prosta, niezawodna konstrukcja – łatwa integracja z systemem i mniejsza liczba elementów podatnych na zużycie;
- długa żywotność – brak szczotek minimalizuje tarcie i serwis;
- dokładna kontrola prędkości i kierunku – precyzyjne sterowanie ruchem w szerokim zakresie pracy.
Zastosowania silników krokowych obejmują:
- automatyka i sterownictwo,
- robotyka,
- druk 3D,
- systemy CNC,
- napędy bramek i urządzeń automatycznych,
- precyzyjne systemy pozycjonowania.
Przekładnie w silnikach krokowych
W wielu aplikacjach silniki krokowe są wyposażone w przekładnie, które poprawiają ich wydajność i precyzję. Przekładnia zmienia stosunek obrotów silnika do ruchu wyjściowego, zwiększając moment obrotowy kosztem prędkości.
Dobór odpowiedniego przełożenia pozwala precyzyjnie dopasować charakterystykę napędu do wymagań aplikacji – od precyzyjnego pozycjonowania po przenoszenie większych obciążeń przy ograniczonej prędkości.