M406 Instrukcja R4 Silnik krokowy 2016_02.pdf

Pol i t echnika Lubelska, Wydz ia ł Mechaniczny

Katedra Automatyzacjiul . Nadbystrzycka 36, 20-618 Lubl in

tel . /fax.:(+48 81) 5384267 e-mai l :automat@pol lub.pl ; wm.ka@pol l ub.pl

LABORATORIUM

PODSTAW ROBOTYKI

Instrukcja do ćwiczenia nr

R4

BADANIE WŁAŚCIWOŚCI NAPĘDU Z

SILNIKIEM KROKOWYM

Wydział Mechaniczny

Sala 406

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL Opracowali: inż. Mikołaj Styła, dr Paweł Stączek (wer.18.02.16) 1

I. Cel ćwiczenia

Celem dydaktycznym jest zapoznanie z budową i różnymi sposobami sterowania silników

krokowych.

Celem praktycznym jest poprawne podłączenie silnika krokowego do sterownika i

generatora sygnału prostokątnego oraz wyznaczenie charakterystyki momentu

obrotowego w funkcji prędkości obrotowej.

II. Wiadomości podstawowe

Silniki elektryczne stanowią podstawową grupę napędów zwłaszcza w przemyśle

maszynowym oraz systemach produkcyjnych. Spośród tej szerokiej grupy możemy wyróżnić

silniki krokowe. Ich nazwa pochodzi od angielskiego słowa stepper motor (ang. step-krok)

i odnosi się do rodzaju ruchu jaki wykonuje wał silnika. Równoważnie używa się także nazwy

silnik skokowy. Głównymi cechami charakteryzującymi omawiane silniki są przede

wszystkim precyzja w pozycjonowaniu, korzystny stosunek generowanego momentu

obrotowego do rozmiarów oraz możliwość sterowania pozycją wału silnika w torze otwartym.

Te właściwości spowodowały, że znalazły one zastosowanie zarówno w gałęziach

automatyki, robotyki jak i przemyśle motoryzacyjnym oraz zbrojeniowym.

Ze względu na budowę silniki krokowe klasyfikuje się tak jak przedstawiono na rys.1.

Istotną gałęzią silników krokowych są silniki hybrydowe. Łączą bowiem w sobie cechy

silników z magnesem trwałym i silników o zmiennej reluktancji. Jednak lepsza jakość

determinuje wyższą cenę. Dzięki wysokiej precyzji pozycjonowania krokowych silników

hybrydowych znajdują one zastosowanie w obrabiarkach sterowanych numerycznie, sprzęcie

medycznym, sprzęcie komputerowym oraz biurowym.

Silnik krokowy opiera swoje działanie na wzajemnym oddziaływaniu biegunów

magnetycznych. Bieguny jednoimienne odpychają się, natomiast różnoimienne przyciągają.

Identyczne zachowanie zostanie zaobserwowane w przypadku zastosowania magnesu i

elektromagnesu. W elektromagnesie zmiana kierunku płynącego prądu jest równoznaczna z

zamianą biegunów. Trwałe namagnesowanie rotora wpływa na zwiększenie indukcji

magnetycznej zwiększając jednocześnie moment obrotowy, jaki wytwarza silnik.


Wirnik silnika krokowego zbudowany jest z magnesu z naciętymi zębami, jednak jego

bieguny nie są rozmieszczone promieniowo (jak w silniku z magnesem trwałym), a osiowo

(rys.2).

Rys. 1. Klasyfikacja silników krokowych [1]

Stojan na swojej powierzchni wewnętrznej posiada odpowiednio rozmieszczone

rowki, których zadaniem jest pokrycie się z właściwym zębem rotora. Podobnie jak w silniku

o zmiennej reluktancji strumień magnetyczny jest największy, jeśli magnetowód zamknie się

przy najmniejszym oporze magnetycznym. Dodatkowo moment reluktancyjny jest

wzmacniany przez już namagnesowany wirnik. Na rys. 3 i 4 przedstawione zostały stojan

oraz wirnik silnika hybrydowego.


Rys. 2. Sposób namagnesowania wirnika silnika krokowego hybrydowego [2].

Rys. 3. Budowa stojana silnika hybrydowego [2]

Rys. 4. Budowa wirnika silnika hybrydowego [2]

Uzwojenia elektromagnesów stojana silnika krokowego połączone są ze sobą tworząc

dwie oddzielne fazy oznaczane typowo: A oraz B (rys. 5.). W przypadku tzw. silników

bipolarnych końce uzwojeń obu faz wyprowadzone są na zewnątrz czterema przewodami

(patrz górna część rys. 5.). W silnikach unipolarnych wyprowadzone są dodatkowo dwa

przewody – odczepy środków uzwojeń obu faz (patrz dolna część rys. 5.).

Sterowanie pracą silnika bipolarnego wymaga cyklicznych zmian polaryzacji napięcia

zasilającego uzwojenia (patrz górna część rys. 5.). W przypadku silnika unipolarnego

„połówki” uzwojeń faz spolaryzowane są zawsze w tym samym kierunku (patrz dolna część

rys. 5). Dzięki temu układ sterowania silnika unipolarnego może być nieznacznie prostszy od

sterownika bipolarnego.


Ten sam silnik krokowy może mieć różną wartość kąta skoku oraz momentu

obrotowego w zależności od programu realizowanego przez układ sterujący. Sterowanie

falowe jest najprostszym sposobem sterowania silników krokowych, posiada jednak wady. W

każdym takcie cyklu zasilana jest tylko połowa uzwojeń silnika (rys.5). Naprzemienne

zasilanie cewek skutkuje wykorzystaniem jedynie połowy możliwości silnika, co

uniemożliwia uzyskanie dużego momentu obrotowego.

Sterowanie pełnokrokowe wykorzystuje jednocześnie wszystkie cewki silnika

krokowego. Dzięki temu moment obrotowy jest 2 razy większy względem sterowania

falowego a pozycja wirnika jest stale przesunięta o ½ kroku w stosunku do sterowania

falowego (rys 6).

Wał typowego hybrydowego silnika krokowego obraca się o 1/200 część pełnego kąta

(tj. o 1.8 stopnia) na skutek zmiany prądów cewek do sąsiedniej konfiguracji w sekwencji

sterowania falowego lub pełnokrokowego.

Rys 5. Schemat zasilania cewek silników uni- i bipolarnych przy sterowaniu falowym [2].

Połączenie sterowania falowego i pełnokrokowego powoduje, że zęby wirnika

zatrzymują się albo naprzeciwko biegunów stojana, albo pomiędzy nimi. Takie

sterowanie nosi nazwę półkrokowego (rys. 7). Naprzemiennie zasilane są jedno lub

dwa uzwojenia. Powoduje to, że moment obrotowy co drugiego kroku jest mniejszy o

połowę. Niektóre zastosowania dopuszczają takie rozwiązanie ze względu na poprawę

płynności ruchu zwłaszcza przy małych prędkościach obrotowych.


Rys. 6 Schemat zasilania cewek silników uni- i bipolarnych przy sterowaniu pełnokrokowym [2].

Rys. 7. Schemat zasilania cewek silników uni- i bipolarnych przy sterowaniu półkrokowym [2].

Sterowanie mikrokrokowe pozwala wielokrotnie zwiększyć rozdzielczość

pozycjonowania wału silnika. Można to osiągnąć poprzez odpowiednie (wielostopniowe)

zmienianie natężeń prądów w uzwojeniach A i B. Możliwe jest wtedy uzyskanie dowolnej

liczby pośrednich położeń wirnika pomiędzy pozycjami pełnokrokowymi, jednakże wiąże się

to ze znaczną komplikacją układu sterującego (sterownika). Moment obrotowy silnika jest w

tym przypadku zależny od sumy prądów uzwojeń A i B, będzie więc minimalnie różny dla

poszczególnych mikrokroków.


UWAGA! Należy zapoznać się z instrukcjami obsługi następujących urządzeń (w

oryginalnych plikach PDF producenta):

generatora impulsów GEN-01 (plik: Instrukcja R4_Zał1 Generator GEN-01.pdf ),

sterownika SKK-B05 (plik: Instrukcja R4_Zał2 Sterownik SKK-B05.pdf ).

Źródła

[1] Rodzaje silników krokowych i ich właściwości. http://automatykaonline.pl/rodzaje-silnikow-

krokowych-i-ich-wlasciwosci/, styczeń 2013

[2] Potocki L.: Silniki krokowe od podstaw. Elektronika dla wszystkich. Sierpień 2002

III. Pytania kontrolne

1. Omówić budowę hybrydowego silnika krokowego.

2. Wyjaśnić różnicę w budowie silników bipolarnego oraz unipolarnego.

3. Objaśnić zasadę sterowania falowego silnikiem krokowym bipolarnym.

4. Objaśnić zasadę sterowania pełnokrokowego silnikiem krokowym bipolarnym.

5. Podaj typowe zastosowania silników krokowych (obszary zastosowań).


IV. Przebieg ćwiczenia

UWAGA! W UZWOJENIACH SILNIKA KROKOWEGO MOŻE

PŁYNĄĆ PRĄD ZNAMIONOWY NAWET GDY WAŁ JEST

NIERUCHOMY. DLATEGO TEMPERATURA SILNIKA KROKOWEGO MOŻE PRZEKRACZAĆ 80OC!

WYSOKĄ TEPERATURĘ MOŻE OSIĄGAĆ TAKŻE RADIATOR

STEROWNIKA!

UWAGA! W CELU OGRANICZENIA TEMPERATURY SILNIKA I

ELEMENTÓW STEROWNIKA ODŁĄCZAJ ZASILANIE STEROWNIKA (ZASILACZA) W PRZERWACH MIĘDZY

WYKONYWANYMI ZADANIAMI.

I. Zbudowanie i uruchomienie napędu z silnikiem krokowym

I.1. Zidentyfikuj elementy stanowiska ćwiczeniowego:

- silnik krokowy,

- generator sygnału prostokątnego GEN-01,

- sterownik silnika krokowego SKK-B05,

- zasilacz prądu stałego 24VDC (dla sterownika SKK-B05),

- „wtyczkowy” zasilacz prądu stałego 5VDC (dla generatora GEN-01).

I.2. Hybrydowy silnik krokowy na stanowisku ćwiczeniowym posiada osiem

wyprowadzeń elektrycznych (uzwojenia obu faz są zdublowane):

Rys. 8. Schemat elektryczny uzwojeń silnika krokowego.

ŻÓŁTY

ŻÓŁTO-CZARNY

NIEBIESKI

NIEBIESKO- BIAŁY


Dzięki temu silnik może współpracować zarówno ze sterownikiem bipolarnym jak i

unipolarnym. Ponadto, w konfiguracji bipolarnej, połówki uzwojeń tej samej fazy

mogą być łączone szeregowo albo równolegle.

I.3. Wykonaj prawidłowo połączenia elektryczne:

- uzwojeń silnika ze sterownikiem bipolarnym SKK-B05 – użyj tylko po jednej

„połówce” uzwojeń silnika (czyli ½ uzwojenia fazy A oraz ½ uzwojenia fazy B);

- generatora GEN-01 ze sterownikiem SKK-B05 – generator ma zadawać sygnał

kroku (CLK);

- ręczny przełącznik kołyskowy wykorzystaj do zadawania (zmiany) kierunku

obrotów silnika (sygnał DIR);

UWAGA! Wszelkie połączenia elektryczne wykonuj z wyłączonym zasilaniem

urządzeń!

I.5. Poproś nauczyciela o zweryfikowanie poprawności połączeń.

I.6. Ustaw algorytm sterowania silnika na „sterowanie pełnokrokowe” (mikroprzełączniki

SW1 i SW2 na płytce sterownika SKK-B05).

I.7. Oblicz częstotliwość f1 sygnału CLK jaki należy doprowadzić do sterownika silnika

SKK-B05 aby uzyskać prędkość wirowania silnika n1=720obr/min. Sposób obliczeń oraz

wynik zapisz w sprawozdaniu.

Wskazówka: dla sterowania pełnokrokowego wał silnika wykona pełny obrót w

odpowiedzi na 200 taktów sygnału CLK.

I.8. Dobierz współczynnik podziału maksymalnej wartości częstotliwości bazowej

generatora GEN-01 (f0 =150kHz) aby uzyskać na jego wyjściu częstotliwość z zakresu

0Hz f1 (nastawianą potencjometrem). Przestaw zworkę na właściwe kołki oznaczone

PODZIAŁ na płytce generatora. Sposób obliczeń oraz wynik zapisz w sprawozdaniu.

I.9. Obracaj wałem niezasilanego silnika krokowego. Dla silnika hybrydowego (z

namagnesowanym trwale wirnikiem) powinien być wyczuwalny delikatny moment

zaczepowy (w pozycjach odległych od siebie o 1/200 pełnego kąta).

I.10. Nastaw gałkę potencjometru generatora GEN-01 na 0Hz (przekręć „w lewo” do

oporu). Włącz zasilanie generatora oraz sterownika. Sprawdź, czy wał silnika daje się

obrócić dłonią (drugą ręką trzymaj mocno korpus silnika). Jeżeli moment potrzebny do

obrócenia wału (tj. do pokonania tzw. momentu trzymającego silnika – dla fCLK = 0Hz)


jest zbliżony do momentu zaczepowego oznacza to, że układ NIE PRACUJE prawidłowo

– zweryfikuj poprawność oraz kompletność połączeń.

I.11. Obracając powoli potencjometr generatora w prawo zwiększaj częstotliwość sygnału

CLK. Obserwuj wał silnika – prędkość wirowania powinna zmieniać się płynnie i

proporcjonalnie do częstotliwości sygnału z generatora (CLK).

I.12. Sprawdź jakiego momentu siły (hamującego) trzeba użyć aby unieruchomić wał

(hamuj wał dłonią). Powtórz próbę hamowania dla różnych prędkości obrotowych. Czy

zauważyłeś/aś prawidłowość wiążącą wartość momentu napędowego silnika z prędkością

wirowania wału? – Zanotuj wnioski.

UWAGA! Jeżeli w wyniku hamowania wału silnika zmienia on samoistnie kierunek

wirowania lub wpada w oscylacje to oznacza to, że prawdopodobnie do sterownika nie

zostały podłączone właściwe uzwojenia silnika, tzn. podłączono dwie połówki uzwojeń

tej samej fazy (A albo B) zamiast uzwojeń dwóch różnych faz (A oraz B). Zmodyfikuj

połączenia i wykonaj ponownie próby hamowania.

I.13. Przetestuj zmianę kierunku wirowania wału silnika używając przełącznika

kołyskowego (sygnał DIR). Powtórz próbę dla różnych prędkości wirowania. Obserwuj

zachowanie silnika i zanotuj spostrzeżenia.

I.14. Przestawiaj mikroprzełączniki SW1 i SW2 na płytce sterownika wybierając tzw.

sterowanie mikrokrokowe (możesz robić to w trakcie pracy sterownika). Możesz zmieniać

także współczynnik podziału częstotliwości bazowej generatora – tak aby przetestować

napęd w pełnym zakresie częstotliwości sygnału CLK i prędkości obrotowej (od ok. 1Hz

aż do utraty synchronizacji nieobciążonego wału).

I.15. Zmień polaryzację uzwojenia jednej z faz silnika (zamień przewody jednej fazy

miejscami w zaciskach sterownika). Jak ta zmiana wpłynęła na pracę napędu? Zanotuj

wnioski.

I.16. Zmień polaryzację uzwojenia drugiej fazy silnika. Jak ta zmiana wpłynęła na pracę

napędu? Zanotuj wnioski.

I.17. Zamień sposób podłączenia do sterownika obu faz miejscami (nie zmieniając

polaryzacji). Jak zamiana wpłynęła na pracę napędu? Zanotuj wnioski.


II. Wyznaczenie charakterystyki momentu napędowego silnika krokowego w

funkcji prędkości obrotowej M(n)

II.1. Zidentyfikuj elementy stanowiska do wyznaczania charakterystyki momentowej

silnika krokowego (rys. 9.):

- silnik krokowy (1),

- sterownik silnika krokowego SKK-B03 (2),

- uniwersalny generator sygnałów okresowych (3),

- hamulec cierny tarczowy (4),

- tensometryczny przetwornik siły (momentu hamującego) (5),

- moduł przetwornika analogowo cyfrowego ADAM-4011D (6).

Rys. 9. Widok stanowiska do sporządzania charakterystyk momentowych silnika

krokowego.

61

54

3

2

7


II.2. Uruchom aplikację komputerową do rejestracji wyników badań –

„Pulpit/LAB_silnik_krokowy”.

II.3. Za pomocą mikroprzełączników sterownika SKK-B03 wybierz algorytm sterowania

półkrokowego (400impulsów/obrót).

II.4. Zwolnij hamulec (4) przez wykręcenie do oporu śruby ściskającej (7) tarcze hamulca.

II.5. Nastaw częstotliwość wyjściową generatora (sygnału CLK) na 50Hz.

II.6. Włącz zasilanie generatora oraz sterownika silnika.

II.7. Obserwując wynik pomiaru momentu hamującego na ekranie komputera powoli

zwiększaj nacisk tarcz hamulca (wkręcaj śrubę hamulca). W chwili zrównania się wartości

momentu hamującego z momentem napędowym silnika zastanie zerwana synchronizacja

silnika a jego wał wpadnie w drgania. Zanotuj wartość momentu hamującego, dla którego

wał silnika utracił synchronizację z polem magnetycznym stojana.

II.8. Powtórz pomiar dwukrotnie, za każdym razem uprzednio zwalniając hamulec. Oblicz

wartość średnią momentu napędowego silnika.

II.9. Powtórz pomiary momentu napędowego silnika dla sygnału CLK o częstotliwościach:

250Hz, 500Hz, 1kHz, 2kHz, 3kHz, 4kHz, 5kHz, 6kHz (trzy pomiary dla każdej

częstotliwości). Wyniki zapisz w tabeli.

II.10. Wykreśl wyznaczoną charakterystykę momentu napędowego silnika w funkcji

prędkości obrotowej MŚR(n) (dla wartości średnich momentu).

Documents

M406 Instrukcja R4 Silnik krokowy 2016_02.pdf