Silniki krokowe są jednymi z prostszych silników do zastosowania w projektach elektronicznych, gdzie wymagany jest poziom precyzji i powtarzalności. Konstrukcja silników krokowych nakłada na silnik ograniczenie niskiej prędkości, niższej niż prędkość, z jaką elektronika może napędzać silnik. Gdy wymagana jest szybka praca silnika krokowego, wzrasta trudność wykonania.
Współczynniki szybkich silników krokowych
Kilka czynników staje się wyzwaniem projektowym i wykonawczym podczas napędzania silników krokowych z dużymi prędkościami. Podobnie jak wiele komponentów, rzeczywiste zachowanie silników krokowych nie jest idealne i dalekie od teorii. Maksymalna prędkość silników krokowych różni się w zależności od producenta, modelu i indukcyjności silnika, przy czym zwykle osiągane są prędkości od 1000 obr./min do 3000 obr./min.
Dla wyższych prędkości lepszym wyborem są serwomotory.
Inercja
Każdy poruszający się obiekt ma bezwładność, która opiera się zmianom przyspieszenia obiektu. W aplikacjach o niższej prędkości możliwe jest napędzanie silnika krokowego z pożądaną prędkością bez utraty kroku. Jednak próba natychmiastowego przeniesienia obciążenia na silnik krokowy z dużą prędkością to świetny sposób na pominięcie kroków i utratę pozycji silnika.
Silnik krokowy musi narastać od niskiej do wysokiej prędkości, aby utrzymać pozycję i precyzję, z wyjątkiem lekkich ładunków z niewielkimi efektami bezwładności. Zaawansowane sterowanie silnikiem krokowym obejmuje ograniczenia przyspieszenia i strategie kompensacji bezwładności.
Krzywe momentu obrotowego
Moment obrotowy silnika krokowego nie jest taki sam dla każdej prędkości roboczej. Spada wraz ze wzrostem prędkości kroku.
Sygnał napędowy dla silników krokowych generuje pole magnetyczne w cewkach silnika, aby wytworzyć siłę potrzebną do wykonania kroku. Czas potrzebny do osiągnięcia pełnej siły pola magnetycznego zależy od indukcyjności cewki, napięcia sterującego i ograniczenia prądu. Wraz ze wzrostem prędkości jazdy skraca się czas, w którym cewki pozostają w pełnej wytrzymałości, a moment obrotowy, który silnik może generować, spada.
Dolna linia
Prąd sygnału napędu musi osiągnąć maksymalny prąd napędu, aby zmaksymalizować siłę w silniku krokowym. W szybkich aplikacjach mecz musi nastąpić tak szybko, jak to możliwe. Napęd silnika krokowego sygnałem o wyższym napięciu pomaga poprawić moment obrotowy przy dużych prędkościach.
Strefa Martwa
Idealna koncepcja silnika pozwala na napędzanie go z dowolną prędkością, w najgorszym przypadku ze zmniejszeniem momentu obrotowego wraz ze wzrostem prędkości. Jednak silniki krokowe często tworzą martwą strefę, w której silnik nie może napędzać obciążenia przy danej prędkości. Martwa strefa powstaje w wyniku rezonansu w systemie i różni się dla każdego produktu i projektu.
Rezonans
Silniki krokowe napędzają układy mechaniczne, a wszystkie układy mechaniczne mogą cierpieć z powodu rezonansu. Rezonans występuje, gdy częstotliwość sterowania odpowiada częstotliwości własnej systemu. Dodanie energii do systemu ma tendencję do zwiększania wibracji i utraty momentu obrotowego, a nie jego prędkości.
W zastosowaniach, w których nadmierne drgania okazują się problematyczne, znalezienie i pomijanie rezonansowych prędkości silnika krokowego jest szczególnie ważne. Aplikacje, które tolerują wibracje, powinny unikać rezonansu tam, gdzie to możliwe. Rezonans może sprawić, że system będzie mniej wydajny w krótkim okresie czasu i skrócić jego żywotność.
Rozmiar kroku
Silniki krokowe wykorzystują kilka strategii jazdy, które pomagają dostosować silnik do różnych obciążeń i prędkości. Jedną z taktyk jest mikro-krok, który pozwala silnikowi wykonywać mniejsze niż pełne kroki. Te mikrokroki oferują mniejszą dokładność i sprawiają, że praca silnika krokowego jest cichsza przy niższych prędkościach.
Silniki krokowe mogą jeździć tylko tak szybko, a silnik nie widzi różnicy między mikrokrokiem a pełnym krokiem. W przypadku pracy z pełną prędkością zwykle będziesz chciał napędzać silnik krokowy z pełnymi krokami. Jednak użycie mikrokroków przez krzywą przyspieszenia silnika krokowego może znacznie zmniejszyć hałas i wibracje w systemie.
