Silniki krokowe i sterowniki
W niniejszym opracowaniu zawarte są wskazówki, które mogą być pomocne przy projektowaniu zasilacza dla sterowników silników krokowych.
Do zasilania silników krokowych najlepiej nadaje się niestabilizowane napięcie prądu stałego. Podczas pracy silnik krokowy może pracować jako generator, tym samym zwracać energię do źródła zasilania. Energię tą może przejąć pojemność zamontowana w module zasilającym. Nie zaleca się stosowania zasilaczy impulsowych. Zasilacze tego typu nie są przygotowane do odbioru zwrotu energii od odbiornika. Zastosowanie takiego połączenia może doprowadzić do uszkodzenia sterownika, i/lub zasilacza.
Układ zasilania został przedstawiony na rysunku poniżej.
Powinien składać się on z transformatora, mostka prostowniczego, oraz pojemności filtrującej. Moc zasilacza powinna być dobrana dla zasilanego układu indywidualnie. Napięcie zasilania powinno być mniejsze o ok 5-10% od napięcia znamionowego sterowników, ze względu na możliwy wzrost napięcia na wskutek zwrotu energii od silników. Zaś wydajność prądowa zasilacza powinna być odpowiednia do sumarycznego prądu zastosowanych silników.
Zanim zaczniemy dobierać parametry poszczególnych elementów; należy pamiętać, że należy wybierać silniki krokowe o jak najniższym napięciu znamionowym. W sieci możemy spotkać opisy mówiące, że napięcie znamionowe silników mnożymy przez 20, czy 25, obliczając w ten sposób napięcie sterownika. Robimy to po to, aby różnica napięć silnika i sterownika była jak największa. Wyższe napięcie zasilania silnika wymusi szybsze zmiany prądu w jego uzwojeniu, przez co praca silnika będzie bardziej dynamiczna. Oczywiście wyższe napięcie zasilania silnika możliwe jest wyłącznie w przypadku, gdy sterownik kontroluje prąd silnika. W praktyce sprowadza się to do tego, że napięcie wyjściowe zasilacza dobieramy dla sterowników, które użyliśmy.
Jeżeli chodzi o dobór transformatora, to musimy określić jego moc, oraz napięcie wyjściowe.
Jak już zostało wspomniane napięcie wyjściowe zasilacza dobieramy na podstawie napięcia znamionowego zasilania sterownika. Wartość napięcia znamionowego sterownika pomniejszamy o ok. 5-10% - ze względu zwrot energii od silników. Teraz uzyskaną wartość napięcia dzielimy przez 1.41 ( pierwiastek kwadratowy z 2 ). W ten sposób obliczymy wartość napięcia strony wtórnej transformatora. Oczywiście powyższe obliczenia są uproszczonym sposobem przejścia z napięcia prądu stałego na prąd zmienny( pomijamy tutaj spadek napięcia na mostku). Otrzymany wynik zaokrąglamy do wartości całkowitych. Dla przykładu: sterownik SSK-B03 z naszej oferty ma maksymalne napięcie zasilania 50V DC. Obniżając to napięcie o 10% uzyskamy 45V DC. Przechodząc na prąd zmienny uzyskamy napięcie wtórne transformatora: 45/1.41=31.92V~32V AC. Jeżeli będziemy wybierali transformator z typowych typoszeregów, należy pamiętać, że wybieramy najbliższy, ale o wartości napięcia mniejszej od tej, która wyszła nam z obliczeń. Gdybyśmy wybrali transformator na większe napięcie, to napięcie wyjściowe zasilacza mogłoby przekroczyć napięcie znamionowe sterownika.
Kolejnym parametrem jakie musimy obliczyć dla transformatora jest jego moc. Możemy to zrobić mnożąc przez siebie wartości napięcia i prądu wyjściowego transformatora. Jak już zostało wspomniane, wydajność prądowa zasilacza dobieramy na podstawie sumarycznego prądu zastosowanych silników. Dla przykładu: Jeżeli zastosujemy 2 silniki o prądzie 3A, wówczas moc transformatora będzie wynosić: 6A*32V=192VA
W praktyce, prąd pobierany przez silniki podczas pracy wynosi ok 70% wartości znamionowej. Mając to na uwadze, w celu obniżenia kosztów transformatora możemy obniżyć jego moc wyjściową o ok 10-20%.
Kolejnym elementem jaki musimy dobrać jest mostek prostowniczy. Mostek dobieramy na odpowiedni prąd, oraz napięcie pracy. Większość mostów dostępnych na rynku mają napięcia pracy rzędu 1000V, więc ten parametr nie stanowi problemu. Ważny jest prąd mostka. Powinien on być większy od przewidzianego prądu pobieranego z transformatora. Przy obecnych cenach tych podzespołów nie warto tutaj oszczędzać. Zastosowanie mostka na dużo większe prądy spowoduje, że ten nie będzie się grzał, co przedłuży jego żywotność.
Ostatnim elementem jest kondensator filtrujący. Przy doborze jego pojemności należy pamiętać, aby stosować kondensatory na odpowiednie napięcie – przynajmniej równe maksymalnemu napięciu zasilania sterownika. Przy wyborze wartości pojemności możemy stosować następującą zasadę: na każdy 1A prądu zasilacza stosujemy przynajmniej pojemność 1000uF. Dla naszego przykładu będzie to pojemność ok. 6000uF. Jeżeli będziemy wybierali kondensatory z typowych typoszeregów, należy pamiętać, że wybieramy najbliższy, ale o wartości większej od tej, która nam wyszła z obliczeń. Większa pojemność na pewno nie zaszkodzi. Jeżeli nie możemy dostać kondensatorów o pojemności, która wyszła nam z obliczeń, wówczas możliwe jest równoległe ich łączenie( tutaj pamiętamy o biegunowości). W ten sposób wypadkowa pojemność będzie sumą pojemności zastosowanych kondensatorów. Jeżeli nie dostaniemy kondensatorów na odpowiednie napięcie, wówczas możliwe jest również ich połączenie szeregowe. W takim przypadku możemy zwiększyć wartość napięcia pracy kondensatora, jednak zmniejszamy wypadkową pojemność. W sieci jest wiele stron poświęconych połączeniom kondensatorów i obliczaniu ich wypadkowych pojemności.
Mając już dobrane wszystkie elementy modułu zasilającego, teraz musimy wszystko połączyć w całość. Tutaj należy zwrócić szczególną uwagę na biegunowość kondensatorów.
Jeżeli sterowników jest więcej niż jeden, wówczas każdy z sterowników podłączamy oddzielnie do zasilacza ( połączenie równoległe, tak jak to zostało pokazane na rysunku). Nie stosujemy połączeń szeregowych. Przewody zasilające powinny być jak najkrótsze, a ich średnica dobrana na odpowiedni prąd.
Sposoby podłączania silników unipolarnych i uniwersalnych
Do sterowników bipolarnych silników krokowych, możemy podłączyć silniki z 4, 6, lub 8 wyprowadzeniami. Będą to odpowiednio 2 fazowe silniki bipolarne, silniki unipolarne, oraz tzw. silniki uniwersalne, których uzwojenia możemy połączyć bipolarnie, jak i unipolarnie. Zależnie od liczby wyprowadzeń uzwojeń, silnik możemy podłączyć do sterownika na różne sposoby, dopasowując w ten sposób silnik do aplikacji. Należy pamiętać o tym, że zmieniając sposób podłączenia silnika, zmieniamy wypadkową rezystancję i indukcyjność uzwojeń, a co za tym idzie jego prąd.
Zaciski do podłączenia silników na sterownikach, zazwyczaj oznaczone są jako: A,/A dla pierwszej fazy, oraz B,/B dla drugiej. Przy podłączaniu silnika do zacisków sterownika nie musimy się martwić, tym o jakim kolorze kabelek podłączamy do A , a jakim do /A. Ważne jest, aby wyprowadzenia jednej fazy silnika podłączyć do zacisków A, a wyprowadzenia drugiej fazy do zacisków B. Zamieniając miejscami wyprowadzenia jednej z faz możemy zmienić jedynie kierunek obrotów silnika. Jeżeli nie dysponujemy dokumentacją silnika, możemy przy pomocy omomierza (multimetru - poprzez pomiar rezystancji uzwojeń), w prosty sposób ustalić, które przewody tworzą parę i w ten sposób podłączyć je do zacisków sterownika. Jeżeli po uruchomieniu silnik nie obraca się, lub silnik ?kołysze się? w obie strony, należy upewnić się czy wyprowadzenia poszczególnych uzwojeń zostały prawidłowo oznaczone. Metoda pomiaru rezystancji jest prosta w przypadku silników 4 i 6 przewodowych. Przy silnikach uniwersalnych (8-przewodowych) jest to trochę bardziej skomplikowane, ponieważ w tym przypadku ważne jest, aby przy podłączaniu uwzględniać początki uzwojeń ( są one oznaczone w dokumentacji silnika). W przeciwnym wypadku momenty wytwarzane przez poszczególne uzwojenia będą się znosić i silnik nie będzie pracował poprawnie. Metodą prób i błędów możemy ustalić prawidłowe podłączenie.
Jeżeli nie dysponujemy miernikiem, możemy w b. prosty sposób ustalić wyprowadzenia danej fazy. Jeżeli żadne wyprowadzenia nie są z sobą połączone, wówczas oś silnika obraca się gładko. Jeżeli zewrzemy wyprowadzenia jednej z faz, wówczas podczas obracania wału silnika powinien być wyczuwalny moment oporowy.
Uwaga!!!
Nigdy nie należy podłączać, lub odłączać silnika do zacisków sterownika, gdy ten jest zasilany. Może to doprowadzić do uszkodzenia sterownika, jak i samego silnika.
Połączenie silnika bipolarnego (czteroprzewodowy)
Jeżeli chodzi o podłączenie silników, to silniki z 4 wyprowadzeniami są najmniej elastyczne, ale najprostsze w podłączeniu. Prędkość i moment będą zależały od indukcyjności uzwojeń danego silnika. Przy ustawianiu prądu wyjściowego sterownika należy pomnożyć prąd fazowy silnika przez 1.4, aby wyznaczyć szczytowy prąd wyjściowy sterownika (PEAK).
Jeżeli chodzi o silniki 6-przewodowe, to różnią się one od silników, 4-przewodowych tym, że mają wprowadzone dodatkowe odczepy uzwojeń, które to dzielą je na dwie połowy. Tego typu budowa uzwojeń wykorzystywana jest przy sterowaniu unipolarnym. Natomiast przy sterowaniu bipolarnym możliwe jest podłączenie tego typu silnika w dwóch konfiguracjach: wysoka prędkość, lub wysoki moment. Konfiguracja wyższej prędkości, inaczej zwana konfiguracją pół cewki jest tak nazwana, ponieważ używa ona tylko połowy uzwojeń obu faz silnika. Konfiguracja wyższego momentu, lub pełnej cewki używa całych uzwojeń.
Połączenie silnika sześcioprzewodowego
Połączenie półcewki
Jak już napisano wcześniej konfiguracja pół-cewki używa jedynie połowy uzwojeń. Zmniejsza to indukcyjność, przez co obniża się również moment silnika. Jednak mniejsza indukcyjność pozwoli pracować z większymi prędkościami. Podobnie jak w połączeniu równoległym silnika 8-przewodowego, moment będzie bardziej stabilny przy wyższych prędkościach. Przy ustawianiu prądu wyjściowego sterownika należy prąd fazowy silnika (lub unipolarny) pomnożyć przez 1.4, aby wyznaczyć szczytowy prąd wyjściowy sterownika(PEAK).
Ustawienie pełna cewka
Przy konfiguracji pełnej cewki używamy całych uzwojeń silnika. Ze względu na większą indukcyjność uzwojeń, tego typu połączenie używamy tam, gdzie wymagany jest wyższy moment przy niskich prędkościach. Aby uniknąć przegrzania silnika, ten powinien pracować jedynie na 70% swego prądu znamionowego. Przy ustawianiu prądu wyjściowego sterownika mnożymy prąd fazowy silnika (lub unipolarny) przez 0.7, aby wyznaczyć szczytowy prąd wyjściowy sterownika(PEAK).
Silnik z 8 wyprowadzeniami
W tego typu silnikach uzwojenia poszczególnych faz zostały podzielone na dwie odrębne części. Podobnie jak przy silnikach 6-przewodowych, również 8-przewodowe silniki możemy połączyć w dwóch konfiguracjach: wysoka prędkość, lub wysoki moment.
Kiedy dwie cewki są połączone równolegle, wówczas wypadkowa indukcyjność uzwojenia zmniejsza się, co pozwala na znaczne zwiększenie prędkości pracy silnika. Szeregowe połączenie prowadzi do zwiększenia indukcyjności i silnik może pracować tylko z niższymi prędkościami.
Połączenie szeregowe
Połączenie szeregowe uzwojeń silnika powinno być stosowane tam, gdzie wymagany jest wysoki moment i niska prędkość. Aby uniknąć przegrzania silnika, ten powinien pracować jedynie na 70% swego prądu znamionowego. Przy ustawianiu prądu wyjściowego sterownika mnożymy prąd fazowy silnika (lub unipolarny) przez 0.7, aby wyznaczyć szczytowy prąd wyjściowy sterownika(PEAK).
Połączenie równoległe
Przy połączeniu równoległym uzwojeń, silnik oferuje bardziej stabilny, ale niższy moment przy niskich prędkościach. Ze względu na niższą indukcyjność, moment będzie wyższy przy większych prędkościach. Przy ustawianiu prądu wyjściowego sterownika pomnóż prąd fazowy silnika (lub unipolarny) przez 1.96, lub prąd bipolarny przez 1.4, aby określić szczytowy prąd sterownika(PEAK).
Wybór wartości prądu
Gdy dokonaliśmy już wyboru połączenia uzwojeń silnika, to po jego podłączeniu do sterownika, należy pamiętać o ustawieniu odpowiedniego prądu na sterowniku. Ponieważ wybór sposobu połączenia uzwojeń silnika wypływa na wypadkową rezystancję i indukcyjność uzwojeń silnika, zmienia się również jego prąd. Generalnie moment wytwarzany przez silnik jest proporcjonalny do prądu, który przez niego płynie. Ustawienie prądu o większej wartości, niż wynikałoby to z powyższych rozważań spowoduje, że silnik będzie dysponował większym momentem. Przekroczenie prądu znamionowego silnika spowoduje jednak, że ten będzie bardziej się grzał, przez co znacznie skróci się jego żywotność. Powinniśmy ustawić taki prąd, który nie będzie powodował nadmiernego grzania się silnika w dłuższym okresie jego pracy. Temperatura obudowy silnika podczas pracy nie powinna przekroczyć 80 stopni Celsjusza(zależnie od producenta silnika; jest to związane z tym na jaką temperaturę pracy została przewidziana izolacja uzwojeń silnika).
Coraz więcej sterowników silników krokowych posiada opcję redukcji prądu spoczynkowego silnika. Pozwala ona na automatyczne obniżenie wartości prądu płynącego przez uzwojenia silnika np. do 60% ( zależnie od modelu sterownika) ustawionej wartości, gdy do sterownika nie docierają impulsy sterujące. Spowoduje to znaczne ograniczenie wydzielania się ciepła zarówno na silniku, jak i samym sterowniku. Jednak zastosowanie tej funkcji nie wszędzie będzie możliwe, wszystko będzie zależało od aplikacji w której ma pracować silnik. Podsumowując, na sterowniku należy ustawić prąd najbliższy temu, który odpowiada dla naszego silnika krokowego. Po pierwszym uruchomieniu należy kontrolować temperaturę silnika, oraz sterownika.
