Przyszłość jest w naszych rękach...

...bo przyszłość to robotyka.

Botland

[Dla początkujących] Różne rodzaje silników elektrycznych: szczotkowe, bezszczotkowe oraz krokowe

Autor Wiadomość
D_C 



Posty: 13
Otrzymał 1 piw(a)
Skąd: Łowisko
Programuję w:
w C
Wysłany: 25-08-2013, 15:46   [Dla początkujących] Różne rodzaje silników elektrycznych: szczotkowe, bezszczotkowe oraz krokowe

Witam i pozdrawiam serdecznie wszystkich użytkowników forum Forbot.
W tym artykule chciałbym przedstawić, wam zagadnienia, związane ze silnikami elektrycznymi, które z pewnością znacie, jednakże artykuł ten kierują do osób początkujących, które dopiero rozpoczynają, wspaniałą przygodę z robotyką i automatyką, bardziej doświadczone osoby proszę, aby potraktowały ten artykuł jako małą powtórkę. Chciałbym abyś po przeczytaniu tego materiału wiedział co w trawie piszczy, i jeżeli ktoś Cię zapyta jak działa silnik elektryczny, czy też jak jest zbudowany, opowiedział mu bez chwili zastanowienia. Już na samym początku uprzedzam, że ten artykuł będzie z kategorii tych dłuższych, jednakże jak wcześniej wspomniałem postaram się poruszyć niemalże wszystkie zagadnienia. Począwszy od budowy, po przez zasadę działania, oraz rodzaje silników, przejdziemy także o zagadnienie sterowania silnikiem DC z poziomu mikrokontrolera. Nie obawiaj się, może to z początku wydaje się straszne, ale zaufaj mi proszę, postaram się pokazać Ci te wszystkie zagadnienia, niczym Wergiliusz, pokazał piekło Dantemu. To wszystko słowem wstępu, mam nadzieję ,że was nie znudziłem. W tym artykule opisuję silniki elektryczne: szczotkowe, bezszczotkowe oraz krokowe, związku z tym artykuł zostanie podzielony na trzy części oraz mały dodatek

:arrow: Co to jest właściwie ten silnik ???

Już tłumaczę, zaglądając bezpośrednio do Internetu, czy podręczników dowiemy się, że mianem silnika elektrycznego określa się maszynę zdolną zamienić energię elektryczną w energie mechaniczną, za pomocą pola magnetycznego. Oczywiście wyróżniamy bardzo wiele odmian silników, mogą się one różnić budową, kształtem, zastosowaniem, jednak zasada działania sprowadza się do tego samego , czyli wykorzystuje pole magnetyczne do wykonania przez te silniki ruchu obrotowego , przez co można je wykorzystać do wykonania określonej pracy .

I część
Silniki szczotkowe prądu stałego i zmiennego:


:arrow: Budowa silnika elektrycznego komutatorowego:

Podstawowymi parametrami silników elektrycznych są : moment obrotowy, czyli krótko mówiąc : szybkość wirowania wirnika , oraz moc wyjściowa jak się okazuje możemy tymi parametrami dowolnie manipulować , w zależności do czego nam jest potrzebny ten silnik , na jakie napięcie ma on być , jaki prąd: zmienny czy stały , po odpowiedzeniu sobie na te pytania projektujemy odpowiedni układ. Zmiennymi w tych silnikach są zawsze odpowiednio dobrane uzwojenia co do grubości drutu nawojowego jak i ilości zwojów , odnosi się to do stojana w silnikach prądu zmiennego jak i do wirnika silnika prądu stałego. Dodatkowo można zastosować różne sterowniki elektroniczne np. tyrystorowe gdzie prędkość obrotowa wału wirnika jest płynnie regulowana potencjometrem , straty mocy są praktycznie nie zauważalne . stosując np. przekładnię mechaniczną, dzięki niej możemy zwiększać Moment obrotowy, jednak coś za coś skutkiem takiego postępowania jest zmniejszenie prędkości silnika. Sam moment obrotowy w silnikach elektrycznych powstaje na skutek oddziaływania pól magnetycznych wytworzonych przez stojan i wirnik, pole magnetyczne pojawia się w wyniku płynącego prądu elektrycznego (czyli, wokół przewodnika przez który płynie prąd istnieje pole magnetyczne). Oddziaływanie to jak wiemy z lekcji fizyki, zależy od strumienia magnetycznego w którym znajduje się przewód oraz wartości prądu i usytuowanego go względem silni pola magnetycznego. W silnikach elektrycznych prądu stałego zewnętrzne pole magnetyczne jest wytwarzane na dwa sposoby, w przypadku silników małej mocy, np. te stosowane w zdalnie sterowanych samochodzikach maja magnes trwały, drugi sposób polega na stosowaniu uzwojeń tzw. Stojana to rozwiązanie możemy natomiast spotkać np. w wiertarkach, zasilanych akumulatorowo. Ale wracając do meritum sprawy, znajdujący się w polu magnetycznym wytworzonym przez magnesy lub stojan, wirnik, który z kolei podobnie jak stojan zbudowany jest on z wielu uzwojeń. W tradycyjnych rozwiązaniach uzwojenie wirnika znajduje się w specjalnie przygotowanych wyżłobieniach rdzenia, tj. w żłobkach. Rdzeń jest wykonany z materiału ferromagnetycznego (czyli specjalnego gatunku stali, który charakteryzuje się dużą przenikalnością magnetyczną). Uzwojenia stojana również są nawinięte na rdzeniu ferromagnetycznym, między stojanem a wirnikiem musi znajdować się szczelina powietrzna i powinna być ona jak najmniejsza, jak tylko jest to możliwe, ma to na celu oczywiście uzyskanie jak najlepszych parametrów silnika.





:arrow: Zasada działania silnika elektrycznego

Prąd elektryczny jest doprowadzany do wirnika za pomocą komutatora. Po komutatorze ślizgają się dwie grafitowe szczotki (stąd nazwa, a grafit jest wykorzystywany ze względu na swoja ścieralność) szczotki są bezpośrednio połączone z zasilaniem . W wyniku płynącego prądu przez wirnik powstaje wokół niego pole magnetyczne, którego biegun N jest za wirnikiem , a biegun S przed wirnikiem. Bieguny jednoimienne magnesu trwałego i wirnika odpychają się, a różnoimienne przyciągają się, czego skutkiem jest powstanie ruchu obrotowego, komutator ma odizolowane działki, łatwo więc jest się domyślić że w takim razie prąd nie będzie płyną przez pewien czas, jednak nie wpłynie to na ruch wirnika, gdyż on w tym momencie wykona półobrotu pod wpływem siły bezwładności , gdyż jest on bardzo rozpędzony, po czym zaczyna znów płynąc prąd jednak w przeciwną stronę, a to dlatego, że szczotki dotykają innych półpierścieni komutatora, związku z tym na wirniku następuje zamiana biegunów, dzięki takim zjawiskom wirnik porusza się w tą samą stronę. Prawda że to niezwykłe ;) Proszę spójrz na rysunek poniżej pokazuje on w uproszczeniu jak działa silnik elektryczny:





Skoro piszę o zasadzie działania, to należałoby się bliżej przyjrzeć samemu komutatorowi oraz jego zasadzie działania, coś czuję, że za chwilę przeczytasz o rzeczach, o których pewnie nawet nie słyszałeś ;-)

Komutator czyli mechaniczny prostownik prądu (umożliwia przekształcenie prądu przemiennego na stały), składa się on z odizolowanych półpierścieni osadzonych wraz z wirnikiem na tej samej osi, komutacją nazywamy zespół zjawisk związanych ze zmianą kierunku prądu w zezwoju zwartym przez szczotki. Proces ten zachodzi, gdy zezwój ten jest przełączany z jednej gałęzi twornika do drugiej w związku z obrotem wirnika. W przypadku idealnym zmiana prądu w cewce w funkcji czasu zależy tylko od rezystancji przejścia pomiędzy szczotką a sąsiednimi wycinkami komutatora i wyraża się zależnością:


gdzie, T oznacza czas komutacji



Znamy już czym jest zjawisko komutacji, ale co ciekawe wyróżniamy trzy rodzaje komutacji, jedna którą właśnie opisałem, oraz dwie kolejne, o których być może słyszałeś, mam na myśli komutację przyśpieszoną, oraz opóźnioną, ale po kolei:

:arrow: Komutacja przyspieszona: to taka, przy której zmiana prądu w cewce następuje już w pierwszej połówce okresu komutacji. Komutacje przyspieszoną otrzymuje się wówczas, gdy zwartym przez szczotkę zwoju będzie indukowana siła elektromotoryczna rotacji. W przypadku silnika zwrot indukowanej siły elektromotorycznej powinien być zgodny ze zwrotem siły indukowanej przez ten biegun, spod którego oczywiście zwój wychodzi.

:arrow: Komutacja opóźniona: pojawia się, jeśli w połowie okresu komutacji prąd jest większy od zera. Czynnikiem, który dodatkowo opóźnia komutację, jest oddziaływanie twornika. Komutacja opóźniona jest bardzo niekorzystna, gdyż szczotka schodząca z wycinka komutatora w chwili, gdy prąd w cewce nie zdążył osiągnąć wartości prądu w gałęzi, taki stan rzeczy może spowodować pojawienie się łuku elektrycznego, jeżeli nie daj Boże łuk ten przedostanie się na dalsze wycinki, to dojdzie do zwarcia komutatora, a jednocześnie do unieruchomienia naszego motoru.

Podsumowując to co napisałem wyżej zauważ że: zła komutacja wywołuje iskrzenie, które może prowadzić do zniszczenia szczotek i komutatora. Komutację uważa się za zadowalającą, gdy szczotki nie iskrzą. Rozróżnia się mechaniczne i elektryczne przyczyny iskrzenia szczotek. Do przyczyn mechanicznych zalicza się przede wszystkim nierównomierność powierzchni, zanieczyszczenie lub nie centryczność komutatora, złe przyleganie szczotek oraz ich drgania. Natomiast do przyczyn elektrycznych zaliczamy gęstość prądu na styku między szczotką a komutatorem. Podstawą do oceny komutacji jest tzw. krzywa komutacji przedstawiająca przebieg prądu Ia w okresie komutacji. Najbardziej korzystna jest tzw. komutacja prostoliniowa, w czasie której zmiana prądu w zezwoju zwartym przez szczotkę przebiega liniowo, a przy tym w połowie okresu komutacji prąd Ia jest równy zeru (poniższy rysunek).



Przebieg prądu w okresie komutacji l - komutacja prostoliniowa, 2 - komutacja opóźniona, 3 - komutacja przyspieszona, 4 -komutacja idealna

Rodzaje silników komutatorowych:

:arrow: szeregowy: nazwa pochodzi od sposobu połączenia uzwojeń wirnika i stojana, silnik ten charakteryzuje się bardzo dużą prędkością obrotową w zależności od obciążenia, dlatego też silnik ten NIE MOŻE PRACOWAC BEZ OBCIĄŻENIA!!! Ponieważ jeżeli podłączymy taki silnik bez obciążenia, to cały czas jego prędkość obrotowa będzie rosła , aż do nieskończoności, a kto wie może i jeszcze bardziej, skutkiem tego będzie trwałe uszkodzenie silnika, ale mimo tego znalazł zastosowanie głównie w trakcji elektrycznej (napędy lokomotyw, tramwajów, trolejbusów) oraz w pojazdach mechanicznych (wózki akumulatorowe, rozruszniki samochodów), w napędach dźwigów, wentylatorów itp.

:arrow: bocznikowy (inaczej równoległy) jak się już pewnie domyślasz jego uzwojenia są połączone w sposób równoległy. Charakteryzuje się małą podatnością na zmianę prędkości obrotowej na skutek zmiany obciążenia. Stosowany jest głównie w napędach obrabiarek, pomp, dmuchaw, kompresorów;

:arrow: silnik szeregowo-bocznikowy –posiada uzwojenie wzbudzenia w stojanie połączonym z uzwojeniem twornika w sposób mieszany (część szeregowo, a część równolegle). Charakteryzuje się brakiem głównej wady silnika szeregowego – możliwości jego rozbiegania przy braku obciążenia, a także ma jego zalety – duży moment obrotowy w szerokim zakresie obrotów i zależność prędkości obrotowej od obciążenia. Stosowany jest zazwyczaj jako silniki dużych mocy, tam gdzie występuje ciężki rozruch: do napędu walcarek, pras, dźwigów oraz w napędach okrętowych mechanizmów pokładowych.

Na zakończenie części o silnikach szczotkowych, chciałbym poruszyć jeszcze temat sterowania prędkością obrotową takiego silnika:

a)regulacja prędkości poprzez włączenie dodatkowej rezystancji w obwód twornika spowoduje zmniejszenie prędkości obrotowej
b) regulacja prędkości poprzez włączenie dodatkowej rezystancji w obwód wzbudzenia (stojana) spowoduje zwiększenie prędkości obrotowej
c) regulacja prędkości poprzez zmianę napięcia zasilania (np. za pomocą tyrystorowych regulatorów napięcia)


mówiąc o silnikach należy także poruszyć kwestie związane z jego uruchomieniem, mam tu na myśli nieco większe silniki niż te, które używamy w naszych konstrukcjach, jednak warto znać te zagadnienia:
podczas rozruchu silnik elektryczny pobiera z sieci prąd kilkakrotnie większy od prądu znamionowego, podczas rozruchu E=0 więc prąd rozruchowy obliczmy zgodnie z prawem Ohma; Aby zmniejszyć prąd rozruchowy, najczęściej w silnikach dużej mocy stosuje się tzw. Rozrusznik, czyli rezystancje dekadową, która jest wpięta szeregowo w uzwojenie wirnika, składa on się z szeregowo połączonych rezystorów zwieranych włącznikiem odśrodkowych lub za pomocą przekaźnika czasowego


schemat przykładowego rozrusznika

Podsumowując I część artykułu:
:arrow: Silniki komutatorowe (szczotkowe) mogą być zasilanie zarówno prądem stałym jak i zmiennym pod warunkiem, że prąd twornika Ia oraz prąd stojana If zmienia swój kierunek w tym samym czasie
:arrow: warunek ten na pewno jest spełniony w silniku szeregowym Ia=If
:arrow: silnik szeregowy nazywamy również silnikiem uniwersalnym
:arrow: w silniku bocznikowym można również zastosować zasilanie prądem zmiennym, należy jednak skompensować znacznie wiekszą indukcyjność stojana za pomocą odpowiednio dobranej pojemności, czyli kondensatora, połączonego szeregowo z uzwojeniem stojana
:arrow: silnik z magnesami stałymi, może również pełnić funkcję prądnicy, w tym przypadku należy ręcznie obracać wirnikiem oraz z komutatora zbierać napięcie

II Część
Silniki bezszczotkowe (BLDC)


Jak się już zapewne domyślasz, ten rodzaj silnika nie będzie zawierał szczotek, a związku z tym także komutatora, zasada działania tego silnika będzie nieco inna, już na samym wstępie II części zaznaczam, że te silniki te są dużo lepsze niż wcześniej opisywane silniki szczotkowe, a to dlatego że nie posiadają szczotek oraz komutatora, czyli rzeczy które się bardzo szybko zużywają, ale czy to oznacza że ten rodzaj silników jest niezawodny? Mam nadzieje, że po przeczytaniu tej części odpowiedzi udzielisz sobie sam Silniki bezszczotkowe, poza ceną, wydają się mieć same zalety, nie ma się co zużywać, nie ma co iskrzyć czyli zwiększać temperatury, powodować straty energii. Dzięki temu silniki pracują długotrwale bezobsługowo. Mogą być więc też stosowane w miejscach, które po montażu są niedostępne.

Znaczny wzrost popularności silników BLDC związany jest z wieloma zaletami tego typu
maszyn, do których możemy zaliczyć:
:plus: prostą budowę silnika,
:plus: duży stosunek momentu do masy silnika,
:plus: duża sprawność,
:plus: prosty układ sterowania,
:plus: sterowanie w szerokim zakresie prędkości,
:plus: bardzo dokładną regulację prędkości bez dodatkowych kosztów finansowych,
:plus: wysoki moment rozruchowy,
:plus: niskie koszty obsługi,
:plus: brak szczotek (silnik staje się bardziej cichy, niezawodny, brak zużywania mechanicznego oraz przewodzącego pyłu)

Do najczęściej wymienianych wad tego silnika należą:
:minus: tętnienia momentu elektromagnetycznego,
:minus: wysoki koszt magnesów trwałych
:minus: konieczność stosowania czujników położenia wału, co w znacznym stopni wpływa na cenę układu napędowego.

Budowa silnika BLDC znacząco różni się od rozwiązań konstrukcyjnych stosowanych w innych maszynach elektrycznych. Wśród jego podstawowych elementów składowych można wyróżnić wirnik oraz stojan. Moment napędowy powstaje w wyniku współdziałania pola magnetycznego wirnika i stojana. W odróżnieniu od tradycyjnych silników wirnik wytwarza stałe w czasie pole magnetyczne pochodzące z magnesów stałych. Pole magnetyczne stojana indukowane jest w uzwojeniach skojarzonych w odpowiednie grupy. Największą zaletą silnika BLDC jest brak konieczności stosowania komutatora, dzięki czemu nie występuje zjawisko komutacji oraz straty energii w wyniku przepływu prądu przez szczotki o stosunkowo dużej rezystancji. Wirnik oraz uzwojenia stojana i sposób ich połączenia przedstawiłem na rysunku poniżej:





Ruch wirnika możliwy jest dzięki wirującemu polu magnetycznemu stojana. Obroty wirnika są ściśle zależne od częstotliwości zmian pola stojana. W praktyce do sterowania wykorzystuje się układ elektronicznego komutatora a obrót wirnika podzielony jest na sześć faz, w których zasilanie kolejnych uzwojeń przełączane jest w taki sposób aby pole w obwodzie magnetycznym stojana zmieniało swoje położenie o pewien stały kąt wynikający z ilości biegunów. Układ sterowania realizowany jest zazwyczaj w postaci końcówki mocy opartej na tranzystorach przełączających, których ilość jest uzależniona od liczby uzwojeń stojana. Realizuje on podstawowe funkcje takie jak zmiana prędkości obrotowej, regulacja przyspieszenia, oraz analizowanie informacji o położeniu wirnika pochodzące ze sprzężenia zwrotnego. Problem przy sterowaniu silnikiem BLDC sprowadza się zazwyczaj do określenia stanu łączników jako funkcji informującej nas o położeniu kątowego wału, czyli mówiąc pokrótce do wyznaczenia chwili przełączenia. Wyznaczenie położenia może się odbywać na podstawie sygnałów pochodzących z czujników magnetycznych tzw. Hallotronów, które znajdują się w szczelinach i jest ich zazwyczaj aż trzy, związku z tym są one rozmieszczone względem siebie o 120 stopni . zaletą takiego rozwiązania jest fakt, że te sygnały przychodzące z czujników są wykorzystywane, za pomocą prostego układu logicznego do sterowania pracą przełączników. Jednakże sterowanie to ma także swoje wady, a należy do nich sama obecność zastosowanych czujników, ponieważ są to delikatne czujniki, a niekiedy także zawodne. Ale czy to oznacza, że silnikami BLDC jest ciężko sterować? Otóż wcale nie, obok sterowania za pomocą czujników, istnieje również sterowanie bezczujnikowe. Polega to na tym, że obliczane są chwile przełączenia łączników na podstawie prądów i napięć pochodzących z uzwojeń naszego silnika. Oczywiście stosuje się kilka metod sterowania, postaram dołożyć się wszelkich starań, abyś mógł je po części poznać, a zatem przechodząc do sedna. W pierwszej metodzie wykorzystujemy siłe elektromotoryczną indukowaną w fazie silnika, bardzo łatwo można ją zmierzyć, kiedy silnik jest wyłączony. Można wyznaczyć również czas przejścia tej siły przez zero i po odpowiednim przesunięciu tych sygnałów, a dokładniej o ¼ okresu wykorzystać je do sterowania pracą łączników, niestety metoda ta ma jednak bardzo istotne ograniczenie, ponieważ na postoju indukowana siła elektromotoryczna jest równa zeru, co dyskwalifikuje tą metodę.





Drugą metodą bez czujnikowego sterowania silnikiem BLDC, polega na obserwowaniu stanu silnika, w tym przypadku tworzony jest matematyczny model układu bieżąco korygowanego na podstawie sygnałów rzeczywistych prądów i napięć pochodzących z maszyny. Z tego też modelu otrzymujemy sygnały pozwalające na sterownie pracą łączników. Zastosowanie modelu matematycznego niesie za sobą dodatkowe korzyści, mam tu na myśli uzyskanie dodatkowych wielkości fizycznych, wykorzystanych później w sterowaniu pracą silnika. Jednakże obróbka tych sygnałów wymaga dużej mocy obliczeniowej, jednak jednostki spełniające te wymagania umożliwiają na bardzo łatwą obróbkę nawet skomplikowanych algorytmów sterowania, metoda którą właśnie opisałem jest rozwijana najszybciej.

Na zakończenie II części pracy chciałbym dodać, że gabaryty i ciężar silnika BLDC zależą od rozwijanego momentu obrotowego , a moc mechaniczna jak już wcześniej zapewne wspomniałem jest iloczynem momentu obrotowego i prędkości obrotowej, więc łatwo się domyślić, że maszyny szybkoobrotowe , są mniejsze i lżejsze niż urządzenia wolnoobrotowe. Taka możliwość pracy tych silników otwiera przed nimi bardzo duże pole zastosowań, w których decydujący głos ma ciężar silnika jak np. w sprzęcie przenośnym, dyskach twardych. Czyli silniki te są zazwyczaj stosowane tam gdzie wymagana jest niska awaryjność, małe gabaryty, oraz duża sprawność, a więc zastosowania w technice wojskowej czy też lotniczej. Warto także zauważyć że budowa silnika bezszczotkowgo jest bardzo zbliżona do budowy silnika synchronicznego z magnesami trwałymi, jednak główna różnica polega na ty że silnik BLDC charakteryzuje się prostokątnym rozkładem indukcji w szczelinach, o tyle silnik synchroniczny jest budowany przy założeniu sinusoidalnego rozkładu pola magnetycznego w szczelinie, oczywiście skutkiem tego są inne systemy sterowania np. silniki synchroniczne prądu zmiennego mogą być 3 lub 1 fazowe (przy jedno fazowych wykorzystuje się kondensator 16uF /400V elektrolityczny) który przesuwa fazę napięcia względem prądu o kąt 120 stopni, co wymusza ruch obrotowy.

III część
Silniki Krokowe


Silnik krokowy (inaczej skokowy) to silnik, w którym impulsowe zasilanie prądem elektrycznym powoduje, że jego wirnik nie obraca się ruchem ciągłym, lecz wykonuje za każdym razem ruch obrotowy o ściśle ustalonym kącie. Dzięki temu kąt obrotu wirnika jest ściśle zależny od liczby dostarczonych impulsów, a prędkość kątowa wirnika jest dokładnie równa częstotliwości impulsów pomnożonej przez wartość kąta obrotu wirnika w jednym cyklu pracy silnika. Pozwala to w prosty sposób ustalić dokładnie położenie wału silnika krokowego bez stosowania zaawansowanych czujników jak w przypadku silników bezszczotkowych czy silników DC.

W zależności od budowy wyróżnia się trzy typy silników krokowych:
:arrow: Silnik o zmiennej reluktancji VR (od ang. Variable Reluctance)
:arrow: Silnik z magnesem trwałym PM (od ang. Permanent Magnet)
:arrow: Silnik hybrydowy HB (od ang. HyBrid)

1) Silnik o zmiennej reluktancji: wśród jednosegmentowych silników krokowych, który posiada wirnik reluktancyjny, można wyróżnić pozostałe, w których to na jeden biegun stojana przypada jeden ząb wirnika oraz takie gdzie na jeden biegun stojana przypada kilka zębów. Oczywiście obydwie te odmiany mogą być wykonane w wariancie symetrycznym, bądź też nie symetrycznym. Budowa symetryczna charakteryzuje się tym, że uzwojenia dwóch przeciwległych biegunów tworzą pasmo, natomiast budowa niesymetryczna charakteryzuje się, tym iż całe uzwojenie pasma jest umieszczone na jednym biegunie dzialanie silnika krokowego o wirniku reluktancyjnym opiera się na wykorzystaniu momentu reluktancyjnego. Silnik ten składa się natomiast z rotora o wielu zębach, a wykonany jest on z stali miękkiej i uzwojonego stojana. Kiedy uzwojenia stojana są zasilane prądem stałym, bieguny namagnesowywuja się, a ruch pojawia się na skutek przyciągania zębów rotora przez bieguny stojana. Zasadę działania przedstawiłem na rysunku poniżej



2) Silniki krokowe o magnesach stałych mogą być wykonane w wersji jednosegmentowej i
wielosegmentowej. Silnik jednosegmentowy może mieć na wirniku podobnie do klasycznej
maszyny synchronicznej bieguny jawne lub utajone. Silniki krokowe o magnesach trwałych na wirniku można również podzielić na magnesowane osiowo lub promieniowo. Silnik krokowy o wirniku czynnym często nazywany jest również silnikiem kubkowymi. Jest to silnik o wirniku wytwarzającym strumień magnetyczny i o stojanie z uzwojeniem sterującym.
Wirnik silnika stanowią magnesy trwałe. Silnik tego typu jest tani, charakteryzuje się niską
rozdzielczością o typowych wartościach kąta 7,5 -15 (stopni) tj. 24-48 kroków na obrót. Rotor silnika nie posiada zębów lecz jest namagnesowany naprzemiennie biegunami N i S tak, iż bieguny te są usytuowane w linii prostej równoległej do osi rotora Namagnesowane bieguny rotora wpływają na zwiększenie indukcji magnetycznej, dlatego silnik z magnesem trwałym



3)Silnik hybrydowy jest bardziej kosztownym niż silnik z magnesem trwałym cechuje się za to lepszymi parametrami jeśli chodzi o rozdzielczość i szybkość. Zasada działania silnika opiera się na tym, że magnes trwały umieszczony na wirniku lub na stojanie wytwarza jednako biegunowy strumień magnetyczny, który zamyka się w obwodzie magnetycznym: stojan –szczelina powietrzna -wirnik. Po zasileniu uzwojenia stojana impulsem sterującym, wzbudzony strumień magnetyczny pod jednym biegunem stojana dodaje się do strumienia magnesów trwałych, pod drugim zaś odejmuje się. Wirnik zostaje wprowadzony w ruch tak, by osie zębów stojana i wirnika bieguna o strumieniu wzmacniającym pole magnetyczne pokryły się. Typowe kąty silnika hybrydowego mieszczą się w zakresie 3,6; -0,9 (stopni) tj. 100- 400 kroków na obrót. Silnik hybrydowy łączy w sobie zalety silnika ze zmienną reluktancją i silnika z magnesem stałym. Rotor silnika ma wiele zębów i posiada osiowa namagnesowane magnesy umieszczone koncentrycznie wokół osi. Zęby rotora zapewniają lepszą drogę przepływowi magnetycznemu co polepsza charakterystyki momentu spoczynkowego i dynamicznego w porównaniu z silnikami z magnesem stałym i reluktancyjnym.




Właśnie poznaliśmy podział silników krokowych ze względu na budowę, ale okazuje się, że istnieje także podział ze względu na sposób sterowania, w tym przypadku silniki krokowe znów dzielimy na dwie grupy: unipolarne i bipolarne, ale już tu na wstępie zaznaczam, że różnica polega tylko i wyłącznie na innym podłączeniu cewek silnika, a co za tym idzie trochę innym sposobem sterowania, ale zaraz postaram się to wszystko po kolei Ci wyjaśnić :-)



Jak odróżnić silnik krokowy unipolarny od bipolarnego? Może wydaje ci się że jest to strasznie trudne, ale nic z tych rzeczy, aby odróżnić te silniki, wystarczy tylko na nie spojrzeć i to wszystko, ponieważ silnik bipolarny posiada tylko cztery przewody, natomiast silnik unipolarny posiada zazwyczaj od pięciu do sześciu przewodów. Jak widać z rysunku, w przypadku silnika unipolarnego możemy podłączyć ze sobą przewody wychodzące ze środka cewek i podłączyć je do zasilania. Natomiast za pomocą pozostałych przewodów możemy sterować pracą silnika najczęściej za pomocą tranzystorów bipolarnych typu NPN, oczywiście przez podanie odpowiedniej sekwencji impulsów na poszczególne tranzystory, na rysunku początki uzwojeń są oznaczone czarna kropką. Jak już wspomniałem silnik krokowy bipolarny posiada cztery przewody i są to w rzeczywistości końcówki dwóch cewek, które się w nim znajdują , ten rodzaj silnika nie posiada odczepu ze środka cewki, związku z tym inaczej w tym przypadku są zadawane kroki. Jednak pełne kroki możemy uzyskać po przez kolejne załączanie cewek, przy jednoczesnym odwracaniu fazy sygnału w każdym kroku

:arrow: silnik unipolarny budowa i sterowanie







:arrow: silnik bipolarny budowa i sterowanie







Nie opisuję już dokładnej zasady działania wyżej przedstawionych silników, ponieważ jak już pewnie zauważyłeś rysunki mówią same za siebie, i myślę że po gruntownym przestudiowaniu, tych obrazków, bez najmniejszych przeszkód sam zobaczysz o co chodzi

Podsumowując wiedzę zdobytą o silnikach krokowych można powiedzieć że:
:arrow: Użycie silnika krokowego może być trafnym wyborem, w przypadkach, gdy wymagany jest kontrolowany ruch.
:arrow: Mogą być one użyte tam, gdzie trzeba sterować kątem, prędkością, pozycją lub synchronizmem.
:arrow: Z powodu wielu zalet małe silniki krokowe znalazły zastosowania w urządzeniach powszechnego użytku np. w drukarkach, ploterach, sprzęcie biurowym, napędach dysków, sprzęcie medycznym, faksach.
:arrow: Stosowane równie często w napędach przemysłowych i wielu innych.
:arrow: Dzięki sporemu momentowi na wyjściu mogą być stosowane zamiast silnika prądu stałego czy zmiennego z przekładnią, bez sterowania pozycją - podając tylko impulsy o odpowiedniej częstotliwości.


Dodatek
Czyli sterowanie silnikiem komutatorowym prądu stałego z poziomu mikrokontrolera


Pewnie wielu z was teraz myśli, a dlaczego nie sterownie silnikiem krokowym? Muszę szczerze przyznać, że chciałem ten temat poruszyć, jednak nie posiadam żadnego silnika krokowego, więc nie chcę Ci podawać jakiś niepełnych i niesprawdzonych informacji, a myślę że sterowanie silnikiem prądu stałego jest również fascynującym zagadnieniem. Aby przeprowadzić to ćwiczenie koniecznie musisz zaopatrzyć się w zaznaczam dowolny mikrokontroler z rodziny AVR (ja do przeprowadzenia ćwiczenia posłużę się zestawem uruchomieniowym ATB firmy ATNEL oraz mikrokontrolerem ATmega32, gdyż domyślnie zestaw jest w go zaopatrzony), potrzebny będzie nam również jakiś mostek H do sterowania silnikiem, ponieważ silnika nie możemy podłączyć bezpośrednio do pinów uC, gdyż nie przeżyje on takiego eksperymentu, z uwagi na to że silnik posiada charakter indukcyjny. Do przeprowadzenia ćwiczenia proponuję złożyć sobie układ według poniższego schematu (można oczywiscie wykorzystać płytkę stykowa):



Jak z pewnoscią zauważyłeś, zadbałem niemal o każdy szczegół, a przede wszystkim o prawidłowe zasilanie, które wbrew pozorom jest bardzo ważny, po prawej stronie schematu znajduje się nasz układ wykonwczy, w postaci podwójnego scalonego mostka H możemy do niego podłączyc dwa silniki i każdym z nich niezależnie sterować, ten scalak daje nam równiez możliwość sterowania prędkością obrotową za pomocą PWM, w tym celu należy podłączyć ten sygnał z mikrokontrolera do pinu 1, ale artykuł ten dedykują osoba początkującym i poprostu nie bedziemy korzystać z dobrodziejstw timerów, ponieważ zdaje sobie sprawę że osoba początkująca mogła by mieć kłopoty ze zrozumieniem kodu, a to nie jest moim celem dlatego też ja piny odpowiedzialne za sterowanie prędkością obrotową podlączyłem do zasilania (do 5V) wtracąc tym samym mozliwość sterowania prędkością, ale wracając do meritum sprawy. Nalezy także pamietać że nasz układ potrzebuje do zycia dwóch źródeł zasilania, mikrokontroler zasilamy napięciem 5V oraz część logiczną mostka, na napięciem 12V zasilamy drugą część mostka opowiedzialna za silniki (12V podłączmy do piny oznaczonego na schemacie jak X1-1 i X1-2).

Mając już złozony układ możemy zabrać się za oprogramowanie naszego mikrokontrolera, program napisałem w języku C ,w środowisku programistycznym Eclipse, ale nic nie stoi na przeszkodzie, aby go napisać np. w AvrStudio

Kod programu: Zaznacz cały
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

//piny sterujące
#define WE_A PD7
#define WE_B PD4

// polecenia sterujące silnikiem
#define DC_LEWO PORTD &= ~(1<<WE_A); PORTD |= (1<<WE_B)
#define DC_PRAWO PORTD |= (1<<WE_A); PORTD &= ~(1<<WE_B)
#define DC_STOP PORTD &= ~(1<<WE_A); PORTD &= ~(1<<WE_B)

//definicje pinów diod LED
#define LED_P (1<<PC7) //dioda sygnalizująca obroty w prawo
#define LED_L (1<<PC6) //dioda sygnalizująca obroty w lewo
#define LED_S (1<<PC5) //dioda sygnalizująca zatrzymanie pracy silnika

//włączanie diod led za pomocą stanu niskiego
#define LED_P_ON PORTC &= ~ LED_P
#define LED_L_ON PORTC &= ~ LED_L
#define LED_S_ON PORTC &= ~ LED_S

//wyłącznie diód led za pomocą stanu wysokiego
#define LED_P_OFF PORTC |= LED_P
#define LED_L_OFF PORTC |= LED_L
#define LED_S_OFF PORTC |= LED_S


int main(void) {

    //ustawianie kierunków portów
    DDRB |= (1<<WE_A)|(1<<WE_B);
    DDRC |= LED_P | LED_L | LED_S;
    PORTC |= LED_P | LED_L | LED_S;

    while(1) {
        DC_PRAWO;
        LED_P_ON;
        _delay_ms(6000);
        LED_P_OFF;

        DC_STOP;
        LED_S_ON;
        _delay_ms(4000);
        LED_S_OFF;

        DC_LEWO;
        LED_L_ON;
        _delay_ms(5000);
        LED_L_OFF;

        DC_STOP;
        LED_S_ON;
        _delay_ms(4000);
        LED_S_OFF;
    }
}



kod został zaopatrzony w komentarze, więc mysle że nie bedziesz miał problemów ze zrozumieniem o co chodzi, jednakże kilka spraw wymaga wyjaśnienia: na początku tworzymy definicję pinów do którego podlączony został nasz mostek, w naszym przypadku są to piny: PD7 i PD4 jeżeli byś chcial zmienić piny na inne to wląsnie w tym miejscu możesz dokonać, następna rzeczą jest zdefiniowanie komend sterujących obrotami a zostały ona napisane na podstawie poniżeszej tabeli prawdy dla układu L293D



gdzie H oznacza stan wysoki (1), a L stan niski (0)

następnym krokiem jest podłączenie diód led (niestety zapomniałem o nich podczas tworzenia schematu, ale to nie problem, abys sam je dołożył, spójrz na definicje pinów do której podłączyłem diody, jasno wynika z nich gdzie diodę należy podłączyć, jednak jest tu mala pułapka, dioda zapali sie tylko wtedy gdy podamy stan niski logiczny na konkretny pin, czyli diodę należy podłączyć katodą (-) do mikrokontrolera poprzez rezystor do Vcc (+), następnie twozymy główna pętlę programu "int main (void) " tutaj definiujemy porty jako wyjścia, poźniej przechodzimy do pętli nieskończonej w której to będzie wykonywał się nasz program, mam nadzieje ze wszystko jest zrozumiałe, jeżeli będziesz miał jakieś pytania odnoście programu to chętni pomogę ;-)

a oto filmik prezentujący działanie programu (proponuje obejrzeć go bezpośrednio na serwisie You Tube oczywiście w jakości HD)



Zakończenie: Dziękuję za przeczytanie mojej pracy, mam nadzieję, że chociaż trochę przybliżyłem Ci temat silników elektrycznych, oraz ich sterowania za pomocą mikrokontrolera, jeżeli chodzi o silniki krokowe to mogłem o nich napisac dużo więcej, ale tego nie robiłem z uwagi na to ze tu na naszym forum sa świetne artykuły opisujące te wspaniałe silniki, chciałem tylko poruszyć ogólne zagadnienia o tych silnikach

PS artykuł zostanie jeszcze uzupełniony o jeden schemat

Ten artykuł bierze udział w konkursie wakcyjnym.
Sponsor główny konkursu:



Sponsorzy konkursu:




Zobacz inne artykuły o robotyce
Polecany artykuł z FORBOT.PL:
Miernik prędkości obrotów silnika

Często zdarza się, że posiadamy dwa takie same silniki, które jednak nie pracują identycznie. Wtedy przychodzi... Czytaj całość



intro kopia.jpg
Plik ściągnięto 207 raz(y) 193,24 KB

Postaw piwo autorowi tego posta
 
 
Więcej szczegółów
Wystawiono 1 piw(a):
fazi787
rezystorownia 



Posty: 23
Skąd: Wadowice
Ostrzeżeń:
 5/3/4
Wysłany: 27-08-2013, 11:00   

Bardzo pomocny artykuł ! :D

Postaw piwo autorowi tego posta
 
 
Pasjonat 




Posty: 46
Pomógł: 1 raz
Programuję w:
C
Wysłany: 31-08-2013, 19:15   

Świetny artykuł, pozwolił mi przypomnieć sobie o silnikach BLDC, ponieważ prawie nigdy ich nie używałem. :D
Artykuł powinien być pomocny w szczególności dla całkowicie początkujących, ale także powinien rozwiać wątpliwości tych bardziej doświadczonych użytkowników forum. Tekst przejrzysty, bez zbędnych "wikipediowych definicji", które często, zamiast pomagać, sprawiają więcej problemów początkującym podczas przejścia "ze świata teorii do świata praktyki" i dodatkowo zniechęcają.
Pozdrawiam. ;)

Postaw piwo autorowi tego posta
 
 
OldSkull 




Posty: 1284
Pomógł: 43 razy
Otrzymał 73 piw(a)
Skąd: Poznań/Leszno
Programuję w:
C/C++
Należę do:
CybAiR
Moje roboty:
Skynet, Cuprum, Oldskull+, Marchewa+

Wysłany: 31-08-2013, 22:35   

quote]jednak zasada działania sprowadza się do tego samego , czyli wykorzystuje pole magnetyczne do wykonania przez te silniki ruchu obrotowego ,[/quote]
Niekoniecznie obrotowego. Są silniki o ruchu postępowym.

Cytat:
Podstawowymi parametrami silników elektrycznych są : moment obrotowy, czyli krótko mówiąc : szybkość wirowania wirnika ,

Jest to gruby blad merytoryczny. Są to dwa różne parametry.

Ma razie przeczytałem tylko pierwszą część. Ogólnie nieźle, ale brzmi jak pisane na podstawie jakiejś książki. Przetwornik tyrystorowy w obecnych czasach restrykcyjnych norm dotyczących zaklocen, brzmi dziwnie.
Resztę przeczytam później.



Aktualnie pracuję nad: dwukołowy schodopokonywacz.
Postępy prac(wstrzymane): mechanika:<10%, elektronika:<1%, dokumentacja:<1%, program:0%, opis: 0%.
Postaw piwo autorowi tego posta
 
 
D_C 



Posty: 13
Otrzymał 1 piw(a)
Skąd: Łowisko
Programuję w:
w C
Wysłany: 31-08-2013, 22:39   

Dzięki za dobre słowo :D dokładnie o to mi chodziło, żeby artykuł napisac prostym zrozumiałym językiem, bez zbędnych fachowych terminów, które niekiedy zniechęcają, a postanowiłem go napisać przede wszystkim dla początkujących, bo spotykam bardzo wielu ludzi, którzy wiedzą co to silnik, ale nie potrafią odpowiedzieć na pytanie jak on działa. Ja sam przyznam, że nienawidzę czytać opracowań gdzie pełno wzorów, fachowych zwrotów czy nazw, bo to mnie skutecznie odstrasza

[ Dodano: 31-08-2013, 22:42 ]
OldSkull trochę wzorowałem się na informacjach z podręcznika szkolnego, no i z małego wywiadu wśród elektryków, więc pewnie stąd te nieco przestarzałe informacje, ale chodziło mi tylko pokazanie przykładowych rozwiązań

Ostatnio zmieniony przez D_C 31-08-2013, 22:47, w całości zmieniany 1 raz  
Postaw piwo autorowi tego posta
 
 
Wieala 



Posty: 3
Skąd: Stargard Szczeciński
Wysłany: 28-11-2013, 21:56   

Witam serdecznie wszystkich użytkowników tego forum. Znalazłem silniczek (prawdopodobnie od dmuchawy) i chciałbym wykorzystać go do zbudowania precyzyjnej stołowej szlifierki-przecinarki. Nie bardzo wiem do czego służy ta puszka i jak mógłbym sterować obrotami silnika. Proszę o jakieś podpowiedzi, bo nigdzie w Internecie nie mogę znaleźć informacji o tym silniku.

Postaw piwo autorowi tego posta
 
 
D_C 



Posty: 13
Otrzymał 1 piw(a)
Skąd: Łowisko
Programuję w:
w C
Wysłany: 08-12-2013, 18:01   

wyglada na to ze masz do czynienia ze silnikiem trójfazowym (ale pewny nie jestem), a w takim wypadku zapomnij o sterowaniu prędkością obrotową, no chyba że zastosujesz przekładnię mechaniczna bo inaczej sie nie da ;(

Ostatnio zmieniony przez D_C 08-12-2013, 18:03, w całości zmieniany 1 raz  
Postaw piwo autorowi tego posta
 
 
Wieala 



Posty: 3
Skąd: Stargard Szczeciński
Wysłany: 08-12-2013, 22:04   

Chyba D_C, masz rację. Rozrysowałem schemat tej puszki i widać, że jedna z faz podana jest przez kondensator (3). Sieć 230V jest na zaciskach (1) i (2).
Swoją drogą to ciekawy układ. Nigdy nie spotkałem się z takim rozwiązaniem soft-startu.

Postaw piwo autorowi tego posta
 
 
Mechano 



Posty: 488
Pomógł: 7 razy
Otrzymał 11 piw(a)
Skąd: Poznań
Wysłany: 09-12-2013, 17:33   

Jak 230v jest na 2 zaciskach to chyba jest to jednofazowy silnik pradu przemiennego.


Quak

Autonomia to podstawa i cel!
Postaw piwo autorowi tego posta
 
 
OldSkull 




Posty: 1284
Pomógł: 43 razy
Otrzymał 73 piw(a)
Skąd: Poznań/Leszno
Programuję w:
C/C++
Należę do:
CybAiR
Moje roboty:
Skynet, Cuprum, Oldskull+, Marchewa+

Wysłany: 10-12-2013, 08:16   

Mechano, ale to i tak do końca nie pasuje, ten układ wygląda bardziej jakby sterował współczynnikiem mocy układu (zmienia pojemność podłączoną równolegle) niż był softstartem (bo nie reguluje w żaden sposób napięcia ani prądu silnika. Swoją drogą ciekawe czym jest ten trzeci sygnał z silnika. Jakieś sprzężenie zwrotne od prędkości obrotowej?



Aktualnie pracuję nad: dwukołowy schodopokonywacz.
Postępy prac(wstrzymane): mechanika:<10%, elektronika:<1%, dokumentacja:<1%, program:0%, opis: 0%.
Postaw piwo autorowi tego posta
 
 
Wieala 



Posty: 3
Skąd: Stargard Szczeciński
Wysłany: 10-12-2013, 22:03   

Kondensator 4uF jest chyba typowym dla podłączenia silnika trójfazowego do sieci jednofazowej w układzie "trójkąt". Na zaciskach silnika widać po dwa przewody dochodzące z uzwojeń.
Z zacisku "1" układ zasila tylko uzwojenie przekaźnika, który odłącza (ze zwłoką) dodatkowy kondensator. Znaczyło by to, że trzecia faza zasilana jest początkowo poprzez pojemność 14uF, a po rozruchu tylko przez 4uF.
Pomierzę kiedyś rezystancje pomiędzy zaciskami samego silnika żeby upewnić się do swojej teorii.
Niemniej, silnik startuje łagodnie.

Ostatnio zmieniony przez Wieala 10-12-2013, 22:11, w całości zmieniany 2 razy  
Postaw piwo autorowi tego posta
 
 
OldSkull 




Posty: 1284
Pomógł: 43 razy
Otrzymał 73 piw(a)
Skąd: Poznań/Leszno
Programuję w:
C/C++
Należę do:
CybAiR
Moje roboty:
Skynet, Cuprum, Oldskull+, Marchewa+

Wysłany: 11-12-2013, 08:14   

Jak już to 2-fazowy. To ma nawet sens, stała czasowa 1s na przekaźniku powoduje, że po ~2s przekaźnik zmieni opóźnienie drugiej fazy, dając właśnie owe 2s silnikowi na rozbieg w odpowiednim kierunku (przy zbyt małym i wyjątkowo pechowym ustawieniu wału na starcie, jest mała szansa, że zacząłby się kręcić w przeciwnym kierunku).



Aktualnie pracuję nad: dwukołowy schodopokonywacz.
Postępy prac(wstrzymane): mechanika:<10%, elektronika:<1%, dokumentacja:<1%, program:0%, opis: 0%.
Postaw piwo autorowi tego posta
 
 
Wyświetl posty z ostatnich:   
Odpowiedz do tematu
Nie możesz pisać nowych tematów
Nie możesz odpowiadać w tematach
Nie możesz zmieniać swoich postów
Nie możesz usuwać swoich postów
Nie możesz głosować w ankietach
Nie możesz załączać plików na tym forum
Możesz ściągać załączniki na tym forum
Wersja do druku

Skocz do:  

Nie rozwiązałeś swojego problemu? Zobacz podobne tematy: [Dla początkujących]... [Algorytmy] Sposoby ... Ultradźwiękowy czujn... [Test/recenzja] Test...
lub przeszukaj forum po wybranych tagach: bezszczotkowe, elektrycznych, krokowe, oraz, rodzaje, rozne, silnikow, szczotkowe


Powered by phpBB modified by Przemo © 2003 phpBB Group
Polityka prywatności