Silniki krokowe to specjalny rodzaj silników elektrycznych, które konwertują impulsy elektryczne na precyzyjny ruch obrotowy. Znajdują zastosowanie w automatyce, robotyce i urządzeniach wymagających dokładnego sterowania pozycją. W artykule omówimy ich zasadę działania, charakterystykę, zastosowania, historię oraz kluczowych producentów.
Foto: Przykładowy silnik krokowy, źródło: aliexpress.com
1. Zarys historyczny silników krokowych
Historia silników krokowych sięga początków XX wieku, ale ich rozwój nabrał tempa w połowie lat 50. XX wieku, kiedy zaczęto stosować je w systemach sterowania numerycznego (NC – Numerical Control). W latach 60. i 70. wraz z rozwojem układów scalonych i technologii cyfrowych silniki krokowe znalazły szerokie zastosowanie w automatyce przemysłowej, drukarkach i urządzeniach biurowych.
W latach 80. i 90. rozwój mikroprocesorów i układów sterujących sprawił, że silniki krokowe stały się bardziej efektywne i precyzyjne. Obecnie nadal są wykorzystywane w różnych aplikacjach, chociaż w niektórych zastosowaniach zostały zastąpione przez serwomotory.
2. Zasada działania silników krokowych
Silnik krokowy to bezszczotkowy silnik synchroniczny, w którym ruch obrotowy odbywa się w wyniku podawania kolejnych impulsów elektrycznych do cewek uzwojenia. Każdy impuls powoduje obrót wału o określony kąt – tzw. krok.
W silnikach krokowych stosuje się różne metody sterowania:
- Sterowanie pełnokrokowe – wirnik obraca się o jeden pełen krok przy każdym impulsie.
- Sterowanie półkrokowe – zmniejsza kąt kroku o połowę, poprawiając płynność ruchu.
- Mikrokrokowe sterowanie – podział kroku na jeszcze mniejsze części, co minimalizuje drgania i zwiększa precyzję.
Silniki krokowe mogą pracować w pętli otwartej, co oznacza, że nie wymagają sprzężenia zwrotnego – każda wysłana komenda powoduje dokładne przesunięcie o określony kąt.
Foto: Przykładowy sterownik silnika krokowego, źródło: aliexpress.com
3. Charakterystyka silników krokowych
Silniki krokowe charakteryzują się kilkoma istotnymi cechami:
Zalety:
- Precyzja – możliwość dokładnego kontrolowania pozycji bez konieczności stosowania enkoderów.
- Wysoki moment trzymający – silnik utrzymuje swoją pozycję bez konieczności zasilania dodatkowymi impulsami.
- Dobra dynamika – szybka reakcja na impulsy sterujące.
- Prostota sterowania – łatwość integracji z systemami sterowania numerycznego (CNC, Arduino, Raspberry Pi).
Wady:
- Brak sprzężenia zwrotnego – w standardowych silnikach krokowych (bez enkodera) nie ma informacji zwrotnej o pozycji, co może prowadzić do utraty kroków.
- Słaba efektywność energetyczna – silniki te pobierają prąd nawet wtedy, gdy nie wykonują ruchu.
- Tendencja do rezonansu – mogą pojawić się wibracje i drgania, szczególnie przy niższych prędkościach.
4. Rodzaje silników krokowych
Silniki krokowe występują w kilku wariantach:
- Silniki o zmiennej reluktancji – najprostsza konstrukcja, w której wirnik nie posiada magnesów trwałych.
- Silniki magnetoelektryczne (z magnesem trwałym) – charakteryzują się dobrą stabilnością i wysokim momentem trzymającym.
- Silniki hybrydowe – łączą cechy obu powyższych rodzajów, oferując najwyższą precyzję i moment obrotowy.
5. Zastosowania silników krokowych
Dzięki swojej precyzji i prostocie sterowania silniki krokowe są szeroko stosowane w różnych dziedzinach:
Przemysł i automatyka:
- Robotyka (manipulatory, ramiona robotyczne)
- Maszyny CNC i drukarki 3D
- Automaty vendingowe i urządzenia medyczne
Elektronika użytkowa:
- Napędy optyczne (CD/DVD)
- Drukarki atramentowe i laserowe
- Skanery i plotery
Motoryzacja:
- Systemy pozycjonowania reflektorów
- Przepustnice elektroniczne
- Liczniki i wskaźniki cyfrowe
6. Kluczowi producenci silników krokowych
Na rynku działa wielu producentów silników krokowych, z których najważniejsi to:
- Oriental Motor – japońska firma specjalizująca się w precyzyjnych silnikach krokowych.
- MinebeaMitsumi – jeden z największych producentów silników krokowych dla przemysłu elektronicznego.
- Sanyo Denki – dostawca wysokiej klasy rozwiązań dla automatyki.
- MOONS’ Industries – chińska firma produkująca zaawansowane systemy napędowe.
- Nanotec – niemiecki producent oferujący nowoczesne rozwiązania w zakresie silników krokowych i sterowników.
- Trinamic (należący do Maxim Integrated) – firma znana z wysokiej jakości sterowników do silników krokowych.
Podsumowanie
Silniki krokowe to niezastąpione elementy systemów wymagających precyzyjnego sterowania ruchem. Choć mają pewne ograniczenia, ich zalety – wysoka precyzja, prostota sterowania i szeroki wachlarz zastosowań – sprawiają, że nadal cieszą się dużą popularnością. Dzięki ciągłemu rozwojowi technologii silniki krokowe stają się coraz bardziej wydajne i mogą być stosowane w coraz bardziej zaawansowanych aplikacjach.
