Różnica między silnikiem bezszczotkowym a silnikiem krokowym

29

Myślę, że rozumiem zasady działania silnika bezszczotkowego i silnika krokowego, ale jestem trochę zdezorientowany co do różnicy. Czy bezszczotkowy silnik prądu stałego jest bardzo podstawowym silnikiem krokowym? Czy przy odpowiednim sterowaniu bezszczotkowy silnik prądu stałego może działać jako silnik krokowy? Jeśli nie, czym się różnią?

Czy dla początkujących elektroników ktoś może podkreślić podobieństwa i różnice między silnikami krokowymi a silnikami bezszczotkowymi na prąd stały?

motor stepper-motor brushless-dc-motor mrsoltys
źródło
1
Brak odpowiedzi na pytanie, ale ten link wskazuje, że silniki synchroniczne AC Hurst są „identyczne pod względem konstrukcji z silnikami krokowymi HURST®”.
Tut

Odpowiedzi:

35

Te dwa są zasadniczo takie same, zasadniczo. Różnią się jednak przeznaczeniem. Silnik krokowy jest przeznaczony do pracy w stopniach. Silnik BLDC jest przeznaczony do pracy w celu zapewnienia płynnego ruchu.

Ponieważ do sterowania ruchem stosuje się silniki krokowe, pożądana jest powtarzalność kroków. Oznacza to, że jeśli zaczniesz od jednego kroku, a następnie do następnego, a następnie z powrotem do pierwszego, idealnie powinien powrócić dokładnie tam, gdzie był poprzednio. Różne rzeczy mogą to zepsuć; nachylenie łożysk, tarcie itp. Silniki BLDC są zoptymalizowane pod kątem płynnego momentu obrotowego między krokami, a nie powtarzalności.

Silniki krokowe są zaprojektowane w taki sposób, aby zmaksymalizować moment trzymający , zdolność silnika krokowego do utrzymania obciążenia mechanicznego na jednym z etapów. Odbywa się to poprzez utrzymywanie wysokiego prądu uzwojenia, mimo że wirnik jest ustawiony w jednej linii ze stojanem. To marnuje dużo energii, ponieważ nie generuje momentu obrotowego, chyba że obciążenie próbuje się wyskoczyć z położenia, ale nie wymaga żadnego mechanizmu sprzężenia zwrotnego.

Z drugiej strony BLDC są zwykle obsługiwane z wirnikiem opóźnionym w stosunku do stojana, dzięki czemu przyłożony prąd zawsze wytwarza maksymalny moment obrotowy, co zrobiłby silnik szczotkowany. Jeśli pożądany jest mniejszy moment obrotowy, prąd zmniejsza się. Jest to bardziej wydajne, ale trzeba wyczuć położenie ładunku, aby wiedzieć, jaki moment obrotowy zastosować. W rezultacie silniki krokowe są zwykle większe, aby pomieścić dodatkowe ciepło związane z pracą silnika przy maksymalnym prądzie przez cały czas.

Ponadto w większości zastosowań ludzie oczekują, że stepper będzie w stanie wykonać małe kroki w celu precyzyjnego sterowania ruchem. Oznacza to dużą liczbę biegunów magnetycznych. Silnik krokowy ma zwykle setki kroków na obrót. BLDC zwykle ma znacznie mniej. Na przykład ostatnio grałem z BLDC z dysku twardego i ma on cztery „kroki” na obrót.

Silniki krokowe są zwykle zaprojektowane tak, aby maksymalny moment trzymający był pierwszy, a prędkość drugi. Zwykle oznacza to uzwojenia o bardzo wielu zwojach, które wytwarzają silniejsze pole magnetyczne, a tym samym większy moment obrotowy na jednostkę prądu. Jednak dzieje się to kosztem zwiększonego przeciwelektromotorycznego, co zmniejsza prędkość na jednostkę napięcia.

Ponadto silniki krokowe są zwykle napędzane przez dwie fazy w odstępie 90 stopni, podczas gdy BLDC zwykle mają trzy fazy, 120 stopni (chociaż w obu przypadkach są wyjątki):

silnik krokowy
uzwojenia krokowe

BLDC
Uzwojenia BLDC

Pomimo tych różnic stepper może działać jak BLDC lub BLDC jak stepper. Jednak biorąc pod uwagę sprzeczne zamiary projektowe, wynik może być mniej niż optymalny.

Phil Frost
źródło
Większość kontrolerów BLDC, które widziałem, nie zostały zaprojektowane dla tego samego rodzaju dokładności pozycjonowania co steppery, ale czy jest jakiś powód, dla którego silniki BLDC nie powinny oferować kontroli z jakąkolwiek precyzją oferowaną przez czujnik rotacyjny? Gdybym chciał jak najszybciej obrócić coś o dokładnie 12,25 obrotu, pomyślałem, że silnik BLDC powinien być w stanie wykonać pracę lepiej niż silnik krokowy, ponieważ silnik krokowy musi być napędzany pesymistycznym profilem przyspieszenia, ale silnik BLDC nie mają takich ograniczeń.
supercat,
@ superuper Bez szczególnego powodu. Ale dzięki BLDC i czujnikowi obrotowemu masz serwo i potrzebujesz jakiejś pętli sprzężenia zwrotnego, aby to kontrolować. To samo można osiągnąć za pomocą szczotkowanego silnika. Stepery zwykle nie mają czujników obrotowych i są napędzane bez jakiejkolwiek pętli sprzężenia zwrotnego (z wyjątkiem wyłączników krańcowych do znalezienia końca zakresu ruchu), więc zależą one od braku pomyłek dla dokładności pozycjonowania. To upraszcza kierowcę, ale także ogranicza prędkość i moment obrotowy.
Phil Frost
Osiągnąłby płynniejszy ruch dzięki inteligentnemu kontrolerowi serwo, ale jeśli chcemy przesunąć silnik BLDC o 12,25 obrotu i nie zależy mu szczególnie na gładkości, to czy byłby jakiś szczególny problem z prostym ruchem silnika do przodu, aż osiągnie on miejsce tuż przed miejscem docelowym, a następnie ustawienie go na fazę miejsca docelowego i uruchomienie go do tyłu, jeśli przekroczy zbyt daleko? Silniki krokowe są okropnie nieefektywne, ale wydaje się, że dodanie obrotowego enkodera i hamulca mogłoby znacznie poprawić wydajność.
supercat
1
@supercat Myślę, że nadal liczy się to jako serwo. W szczególności nie ma z tym żadnego problemu, ale jeśli serwomechanizm jest „prosty”, to prawdopodobnie nie będzie tak dokładny ani powtarzalny, ani nie będzie miał tak dużego momentu trzymającego jak silnik krokowy o jednakowych kosztach, a nawet „prosty” serwo kontroler jest bardziej złożony niż stepper, który w ogóle nie wymaga kontrolera. Podejrzewam, że w przypadku urządzenia zasilanego bateryjnie nieefektywność stepera byłaby dużym problemem, ale dla wszystkiego podłączonego do ściany energia elektryczna jest tania i obfita.
Phil Frost
Jeśli wymagany jest moment trzymający, konieczne będzie użycie silnika krokowego lub hamulca. Jednak wydajność jest ważna nie tylko ze względu na zużycie energii; bardziej wydajny silnik może być mniejszy i lżejszy niż silnik, który musi być w stanie rozproszyć więcej energii w postaci ciepła, niż będzie kiedykolwiek potrzebne do wytwarzania mechanicznego. Sądzę, że kombinacja BLDC (lub steppera z przerywanym obciążeniem) oraz enkodera obrotowego i hamulca może w wielu przypadkach być mniejsza, lżejsza i tańsza niż silnik krokowy o tej samej prędkości maksymalnej i użytecznym momencie obrotowym.
supercat
7

Silnik krokowy jest formą bezszczotkowego silnika prądu stałego, ale ze szczególnym fizycznym rozmieszczeniem cewek i stojana, aby osiągnąć stałą liczbę ograniczników lub zaczepów dzielących pełny okrąg obrotu.

Liczba biegunów silnika krokowego określa rozmiar kroku lub liczbę podziałów lub „pełnych kroków”, jeśli chcesz.

Jednak przy odrobinie fantazyjnej pracy nóg w zasilaniu cewek silnika krokowego, nowoczesne silniki krokowe z odpowiednimi sterownikami mogą często zapewniać obrót w etapach częściowych, znanych jako mikrokrokowanie.

TL; DR: Silniki krokowe są (zazwyczaj) podzbiorem rodziny silników bezszczotkowych.

Przełączane silniki reluktancyjne to kolejna forma silnika krokowego, nieco różniąca się od standardowego silnika krokowego BLDC.

Anindo Ghosh
źródło