Niezależnie od tego, czy chodzi o skaner płaski, drukarkę 3D czy maszyny CNC – bez silników krokowych i specjalnie dostosowanych do danego zastosowania sterowników silników krokowych urządzenia te nie działałyby. Tutaj można przeczytać, jak działają silniki krokowe i jaką ważną rolę odgrywają w tym sterowniki.
Silnik krokowy to bezszczotkowy silnik prądu stałego o charakterystyce synchronicznej. W odróżnieniu od standardowych silników elektrycznych nie pracuje on ciągle po doprowadzeniu napięcia, lecz działa jak cyfrowe urządzenie wejścia/wyjścia, umożliwiające precyzyjne uruchamianie i zatrzymywanie ruchu.
Budowa silników krokowych opiera się na uzwojeniach statora, rozmieszczonych koncentrycznie, przez które przepływa prąd. Uzwojenia te można przełączać z dużą częstotliwością. W efekcie wirnik obraca się o niewielki, dokładnie określony kąt. Poszczególne etapy tego ruchu nazywane są krokami.
Silniki krokowe pracują zazwyczaj w systemie sterowania cyfrowego i stanowią kluczowy element w systemach pozycjonowania opartych na zamkniętej pętli regulacji ruchu. Odpowiednie mechanizmy pozwalają im na przemieszczanie się w przestrzeni wzdłuż określonych współrzędnych. Do realizacji ruchu w trzech osiach - X, Y i Z - wystarczą trzy silniki.
Przykładem zastosowania takiego układu jest elektryczne sterowanie lusterkami bocznymi w samochodach. Dwa silniki umożliwiają stopniowe ustawienie lusterek w pionie i w poziomie. Podobny, dwuwymiarowy system sterowania wykorzystują skanery płaskie oraz drukarki atramentowe. Trzeci silnik, obsługujący ruch w osi pionowej, znajduje zastosowanie w drukarkach 3D oraz maszynach CNC.
Silniki krokowe są powszechnie stosowane w ramionach robotycznych, choć w takich układach często wykorzystuje się również serwomotory. Kluczowa różnica między tymi typami silników dotyczy liczby kroków. Silniki krokowe charakteryzują się wysoką rozdzielczością – zazwyczaj od 50 do 200 kroków. Dla porównania, serwomotory działają często przy liczbie kroków mniejszej niż 50. Taka charakterystyka sprawia, że silniki krokowe w zamkniętym układzie sterowania (tzw. closed-loop) pracują w sposób inkrementalny, z zachowaniem równomiernych impulsów sterujących.
Jednakże silniki krokowe mają również swoje ograniczenia. Przy wyższych prędkościach pracy tracą znaczną część momentu obrotowego – w niektórych przypadkach nawet do 80%. Generują także wibracje i są podatne na problemy związane z rezonansami. Dodatkowo podczas pracy wytwarzają ciepło, co w określonych zastosowaniach może stanowić istotną wadę.
Silnik krokowy to rodzaj silnika elektrycznego, który działa w oparciu o impulsy cyfrowe, a nie o stałe napięcie. Od strony zasady działania różni się istotnie od typowego silnika prądu stałego.
W konstrukcji silnika krokowego stosuje się układ otwarty, w którym sekwencja impulsów przekłada się na określoną liczbę obrotów wału. Każdy obrót wymaga konkretnej liczby impulsów, z których każdy odpowiada jednemu krokowi - niewielkiemu przyrostowi obrotu.
Dzięki temu silnik krokowy można precyzyjnie sterować za pomocą impulsów zliczających. Sam proces zliczania pozwala określić stopień przemieszczenia wału bez konieczności stosowania sprzężenia zwrotnego, jak ma to miejsce w przypadku serwomechanizmów czy innych systemów pozycjonowania.
Wyróżnia się trzy podstawowe typy silników krokowych: modele o zmiennej reluktancji magnetycznej, silniki z magnesem trwałym oraz wersje hybrydowe.
Silnik krokowy o zmiennej reluktancji wyposażony jest w wielobiegunowy wirnik wykonany z miękkiego żelaza oraz uzwojony stojan. Typowo pracuje z kątem kroku w zakresie od 5 do 15 stopni i osiąga stosunkowo wysokie częstotliwości kroków. Nie posiada momentu spoczynkowego.
Silnik krokowy z magnesem trwałym różni się od silnika o zmiennej reluktancji zastosowaniem bezuzębionych wirników z magnesami trwałymi. Wirniki te są namagnesowane poprzecznie względem osi. Przy sekwencyjnym wzbudzaniu czterech faz rotor wykonuje ruch obrotowy pod wpływem przyciągania przez bieguny magnetyczne. Tego typu silnik charakteryzuje się zazwyczaj kątem kroku w zakresie od 45 do 90 stopni. Osiąga niskie prędkości skokowe, natomiast zapewnia wysokie momenty obrotowe oraz bardzo dobre właściwości tłumiące.
Silnik krokowy hybrydowy łączy zalety modeli z magnesem trwałym oraz o zmiennej reluktancji. To najczęściej stosowany typ wśród silników krokowych. Zapewnia wysoki moment trzymający, bardzo dobre momenty dynamiczne oraz stabilną pracę przy dużych prędkościach krokowych. Umożliwia również realizację ruchu z krokiem od 0,9 do 5,0 stopnia.
Przy wyborze odpowiedniego sterownika silnika krokowego kluczowe znaczenie mają trzy parametry: układ uzwojeń silnika, typ układu sterującego oraz tryb pracy krokowej. Rodzaj zastosowanego sterownika znacząco wpływa na ogólną wydajność systemu – w szczególności na moment obrotowy, moc wyjściową oraz prędkość pracy.
