Silnik krokowy czy serwosilnik – porównanie rozwiązań

                                                    Jak działa silnik krokowy

Budowa silnika krokowego

Większość silników krokowych stosowanych w przemyśle to modele hybrydowe, łączące wirnik z magnesami trwałymi oraz uzwojony stojan elektromagnetyczny. Istnieje kilka typów silników krokowych, a każdy z nich ma unikalne właściwości i zastosowania.

                                                                                                               Schemat 1. Przekrój silnika krokowego

Silniki bipolarne z magnesami trwałymi oraz hybrydowe opierają się na dwóch uzwojeniach. Poniższy schemat przedstawia ich sposób okablowania oraz przekrój poprzeczny.

                                                                                                                         Schemat 2. Silnik bipolarny 

Prąd dostarczany z napędu tworzy pole magnetyczne, które jest używane do obracania wału silnika. Poniżej znajduje się graficzna reprezentacja tego, jak działa ten proces.

                                                                                                            Schemat 3. Silnik bipolarny – proces działania

Opis procesu działania

1. Górny elektromagnes zostaje aktywowany, a zęby środkowego koła zębatego ustawiają się w jednej linii z nim.
2. Następnie górny elektromagnes wyłącza się, a prawy się włącza. Zęby koła zębatego przesuwają się, dopasowując do nowej pozycji, co powoduje krok (np. obrót o 1,8°).
3. Gdy prawy elektromagnes się wyłącza, aktywuje się dolny. Zęby ponownie przeskakują, ustawiając się w jednej linii, wykonując kolejny krok.
4. Dolny elektromagnes zostaje dezaktywowany, a włącza się lewy. Koło zębate kontynuuje ruch, ustawiając się w nowej pozycji i wykonując kolejny krok. W silniku o kącie kroku 1,8° potrzeba 200 kroków, aby wykonać pełny obrót.

Kluczowe zasady działania silnika krokowego

• Mikrokrok zwiększa liczbę kroków na obrót, poprawiając precyzję ruchu.
• Wyższy prąd zwiększa moment obrotowy silnika.
• Im większa częstotliwość kroków, tym wyższa prędkość obrotowa.
• Przy wyższych prędkościach siła elektromotoryczna zwrotna (Back EMF) może obniżać moment obrotowy.
• Sprzężenie zwrotne położenia nie jest wymagane, ale można je zastosować opcjonalnie.

                                                                                                                        Schemat 4. Budowa serwosilnika 

Serwosilnik wykorzystuje trójfazowy prąd przemienny do zasilania cewek magnetycznych, co zapewnia płynne i precyzyjne sterowanie jego pracą.

                                                                                                                    Schemat 5. Serwosilnik w pętli zamkniętej

Zmiana prądu w stojanie powoduje zmianę pola magnetycznego trzech faz, co sprawia, że magnesy trwałe wirnika synchronizują się z odpowiednią fazą.

Kluczowe zasady działania serwosilnika

• Wyższy prąd zwiększa moment obrotowy silnika.
• Im większa częstotliwość prądu, tym szybciej obraca się silnik.
• Serwosilnik monitoruje i reguluje prąd, zapewniając precyzyjną kontrolę momentu obrotowego.
• Sprzężenie zwrotne jest niezbędne do prawidłowego sterowania prądem.

1.Jakie obciążenie musi być przemieszczane?
Kiedy wybieramy silnik do danego zastosowania, musimy wiedzieć, jaki moment obrotowy może on dostarczyć. W tym celu używamy krzywej momentu obrotowego silnika. Oto typowa krzywa momentu obrotowego serwosilnika.

2. Jaką prędkość należy osiągnąć? (MOMENT OBROTOWY + PRĘDKOŚĆ)
Często zakłada się, że silniki serwo są lepsze od silników krokowych o podobnych rozmiarach. Jednak często tak nie jest. Oto wykres momentu obrotowego silnika krokowego o podobnych rozmiarach w porównaniu z wykresem momentu obrotowego serwa.

Przy dużych prędkościach moment obrotowy silnika krokowego zbliża się do zera, natomiast serwosilnik zapewnia stały moment obrotowy w całym zakresie prędkości.

3. Czy obciążenie zmienia się w trakcie ruchu?

Serwosilniki mają zdolność do krótkotrwałego dostarczania szczytowego momentu obrotowego, co pozwala im kompensować wahania obciążenia oraz radzić sobie z dynamicznymi przyspieszeniami i opóźnieniami.

Silniki krokowe

• zazwyczaj nie wymagają sprzężenia zwrotnego,
• wykorzystują tańsze magnesy i rzadko zawierają przekładnie.
• ze względu na dużą liczbę biegunów i zdolność do generowania momentu trzymającego zużywają mniej energii przy zerowej prędkości.
• w rezultacie silnik krokowy jest ogólnie tańszy niż porównywalny silnik serwo.

Serwosilnik

• wymagają sprzężenia zwrotnego,
• wykorzystują droższe magnesy.
• pobierają również więcej mocy przy zerowej prędkości. W rezultacie silnik serwo jest zazwyczaj droższy niż porównywalny silnik krokowy.

Podstawową różnicą między tymi silnikami jest sposób sterowania:

• Silnik krokowy działa w układzie pętli otwartej – nie wymaga sprzężenia zwrotnego, ale nie może kompensować zmian obciążenia.
• Serwosilnik wykorzystuje układ pętli zamkniętej – stale monitoruje położenie i moment obrotowy, dynamicznie dostosowując parametry pracy.

Serwosilnik sprawdzi się w aplikacjach, które wymagają:

Przykłady zastosowania – Serwosilnik

tam gdzie potrzebna jest dynamiczna kontrola momentu i pozycji

Cel – Producent OEM linii napełniających i butelkujących potrzebuje siłownika liniowego i obrotowego do precyzyjnego podawania oraz zakręcania. Kluczowym wymaganiem jest dokładne umieszczanie zakrętki oraz zgłaszanie brakujących lub źle założonych elementów.

Wymagania aplikacji:

• Integracja z istniejącym sterowaniem PLC
• Bardzo wysoka przepustowość
• Ograniczenie momentu obrotowego podczas zakręcania
• Obsługa wielu rodzajów produktów

                                                                   Kiedy wybrać silnik krokowy?

Przykłady zastosowań – Silnik krokowy

Tekst opracował: 
Andrzej Łacinnik 
mgr inż. / MSCEE
Inżynier Aplikacyjny

____________________________________

Nasze rozwiązania: 

• napędy liniowe 1,2,3 – osiowe
• siłowniki elektryczne