Silniki krokowe są jednym z prostszych silników do realizacji w projektach elektroniki, w których wymagany jest poziom precyzji i powtarzalności. Niestety, konstrukcja silników krokowych powoduje raczej niewielkie ograniczenie prędkości silnika, znacznie niższe niż prędkość, z jaką elektronika może napędzać silnik. Gdy wymagana jest szybka praca silnika krokowego, wzrasta trudność implementacji, ponieważ zaczyna się pojawiać wiele czynników.
Czynniki silnika krokowego o dużej prędkości
Kilka czynników staje się znaczącymi projektami i wyzwaniami związanymi z wdrażaniem, gdy silniki krokowe są napędzane 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 prędkościach obrotowych 1000-3000 obrotów na minutę (w przypadku większych prędkości, serwosilniki są lepszym wyborem). Głównymi czynnikami, które wpływają na napędzanie silnika krokowego przy dużych prędkościach są:
Bezwładność
Każdy poruszający się obiekt ma bezwładność, która opiera się zmianie przyspieszenia obiektu. W zastosowaniach o niższej prędkości można rozpocząć napędzanie silnika krokowego z żądaną prędkością bez pomijania kroku. Jednak próba natychmiastowego uruchomienia obciążenia na silniku krokowym przy dużej prędkości jest doskonałym sposobem na pominięcie kroków i utratę pozycji. Z wyjątkiem bardzo lekkich obciążeń z niewielkimi efektami bezwładności, silnik krokowy musi podnieść się z niskiej prędkości do dużej prędkości, aby utrzymać pozycję i precyzję. Zaawansowane sterowanie silnikiem krokowym obejmuje ograniczenia przyspieszenia i strategie kompensujące bezwładność.
Krzywe Torque
Moment obrotowy silnika krokowego nie jest taki sam dla każdej prędkości roboczej, ale spada wraz ze wzrostem prędkości kroku. Przyczyna tego jest oparta na zasadach operacyjnych silników krokowych. Sygnał sterujący dla silników krokowych wytwarza pole magnetyczne w cewkach silnika w celu wytworzenia siły potrzebnej do wykonania kroku. Czas, jaki zajmuje pole magnetyczne na osiągnięcie pełnej wytrzymałości, zależy od indukcyjności cewki, napięcia napędu i ograniczenia prądu. Wraz ze wzrostem prędkości jazdy czas, w którym cewki pozostają w pełnej mocy, skraca się, a moment obrotowy wytwarzany przez silnik spada.
Sygnał jazdy
Aby zmaksymalizować siłę w silniku krokowym, prąd sygnału napędu musi osiągnąć maksymalny prąd napędu, a w aplikacjach o dużej prędkości należy to zrobić tak szybko, jak to możliwe. Sterowanie silnikiem krokowym za pomocą sygnału o wyższym napięciu może pomóc w zwiększeniu momentu obrotowego przy wysokich prędkościach, które są automatycznie stosowane w rozwiązaniach sterowników krokowych o stałym prądzie.
Martwa strefa
Idealna koncepcja silnika pozwala na napędzanie go z dowolną prędkością z jeszcze gorszym zmniejszeniem momentu obrotowego, gdy prędkość wzrasta. Niestety silniki krokowe często mają martwą strefę, w której silnik nie może napędzać obciążenia przy danej prędkości. Jest to spowodowane rezonansem w systemie i różni się w przypadku każdego produktu i projektu.
Rezonans
Silniki krokowe napędzają układy mechaniczne, a wszystkie układy mechaniczne mogą cierpieć z powodu rezonansu. Rezonans pojawia się, gdy częstotliwość jazdy odpowiada częstotliwości drgań własnych systemu, a energia dodana do systemu ma tendencję do zwiększania wibracji i utraty momentu obrotowego, a nie jego prędkości. W zastosowaniach, w których występują nadmierne wibracje, szczególnie ważne jest znalezienie i pomijanie częstotliwości rezonansowych silników krokowych. Nawet aplikacje, które mogą tolerować wibracje, powinny w miarę możliwości unikać rezonansu, ponieważ mogą znacznie obniżyć żywotność systemu.
Rozmiar kroku
Silniki krokowe mają kilka dostępnych strategii napędu, w tym mikro-krokowy, który umożliwia wykonanie mniejszych niż pełnych kroków przez silnik. Te mikro-kroki mają zmniejszoną dokładność, ale powodują, że silnik krokowy działa ciszej przy niższych prędkościach. Silniki krokowe mogą być napędzane tylko tak szybko, a silnik nie widzi różnicy w stopniu mikro lub w pełnym kroku. W przypadku pracy z pełną prędkością często wymagane jest napędzanie silnika krokowego z pełnymi krokami. Jednak użycie mikro-kroków przez krzywą przyspieszenia silnika krokowego może znacznie zmniejszyć hałas i wibracje w systemie.
