Sterowanie mikrokrokowe silników krokowych

Przegląd

Gdy silnik krokowy pracuje z niską prędkością, wirnik ma tendencję do wielokrotnego oscylowania wokół położenia równowagi podczas komutacji faz wskutek uderzenia prędkościowego i bezwładności. Oscylacja ta obniża dokładność ruchu i generuje znaczny hałas.

Dwa główne podejścia rozwiązują ten problem:

1. Zwiększenie liczby faz silnika w celu zmniejszenia przemieszczenia kątowego wirnika przy każdym przejściu krokowym.
2. Zastosowanie sterowania mikrokrokowego — techniki zaproponowanej po raz pierwszy w połowie lat 70. XX wieku, która od tego czasu zyskała szerokie zastosowanie. Mikrokrok skutecznie zmniejsza kąt kroku silnika, poprawia stabilność pracy i zwiększa elastyczność sterowania.

Czym jest mikrokrok?

Mikrokrok to metoda sterowania, która dzieli inherentny pełny kąt kroku silnika na szereg mniejszych kroków pośrednich. Jest to realizowane wyłącznie w sterowniku poprzez precyzyjne sterowanie prądami fazowymi silnika krokowego; metoda ta jest niezależna od konstrukcji samego silnika.

Jak działa mikrokrok

W konwencjonalnym sterowaniu pełnokrokowym prąd w zasilanej fazie stojana narasta do wartości znamionowej niemal natychmiast, a prąd w fazie odłączanej spada do zera równie gwałtownie, co daje w przybliżeniu prostokątny przebieg prądu.

W sterowaniu mikrokrokowym prądy fazowe są zmieniane stopniowo, a nie przełączane gwałtownie. Przebieg prądu uzwojenia staje się N-poziomową przybliżoną falą schodkową zamiast fali prostokątnej. Wypadkowe pole magnetyczne generowane przez prądy uzwojeń stojana tworzy następnie N nowych położeń równowagi dla wirnika w obrębie każdego pełnego kroku, skutecznie tworząc N mikrokroków.

Zalety mikrokroku

Technologia sterowania mikrokrokowego była przedmiotem intensywnych badań na całym świecie. Nowoczesne wysokowydajne sterowniki mikrokrokowe mogą osiągać poziomy mikrokroku rzędu tysięcy lub więcej. Zaawansowane algorytmy sterowania prądem zapewniają obecnie wysoce jednorodne kąty mikrokroków, co daje kilka kluczowych korzyści:

• Znacznie poprawiona rozdzielczość krokowa silnika krokowego.
• Zredukowane lub wyeliminowane wibracje niskiej częstotliwości.
• Niższy hałas słyszalny.
• Płynniejszy moment obrotowy ze zmniejszoną fluktuacją momentu.

Te usprawnienia nadają silnikom krokowym charakterystyki zbliżone do silników serwo.

Dokładność mikrokroku a rozdzielczość

Podczas korzystania z mikrokroku ważne jest rozróżnienie między rozdzielczością krokową a rzeczywistą dokładnością pozycjonowania.

Mikrokrok jest zasadniczo techniką tłumienia elektronicznego. Jego głównym celem jest redukcja lub eliminacja wibracji niskiej częstotliwości inherentnych dla silników krokowych. Poprawa dokładności pozycjonowania jest drugorzędną korzyścią technologii mikrokrokowej.

Chociaż mikrokrok zwiększa rozdzielczość każdego impulsu sterującego, to czy rzeczywista dokładność ruchu silnika zbliża się do tej rozdzielczości, zależy od kilku czynników, przede wszystkim od dokładności sterowania prądem sterownika mikrokrokowego. Dokładność sterowników różni się znacząco między producentami, a wyższe poziomy mikrokroku są z natury bardziej wymagające pod względem precyzji sterowania.

Prawdziwy mikrokrok a wygładzanie prądu

Prawdziwy mikrokrok stawia sterownikowi rygorystyczne wymagania techniczne i produkcyjne, co wiąże się z odpowiednio wyższym kosztem. Niektóre sterowniki stosują zamiast tego wygładzanie prądu jako substytut rzeczywistego mikrokroku prądów fazowych silnika. Takie podejście jest czasem nazywane pseudomikrokrokiem.

Kluczowe różnice obejmują:

Należy zauważyć, że prawdziwy mikrokrok nie zwiększa znamionowego momentu trzymającego silnika. Jednakże, ponieważ redukuje wibracje i związane z nimi straty energii, efektywny użyteczny moment przekazywany do obciążenia może nieznacznie wzrosnąć w porównaniu z pracą pełnokrokową.