Zostań w temacie i policz dalej
Po wstępnym doborze krokowca trzeba ustawić skalę osi i sprawdzić, czy kontroler wygeneruje wymaganą liczbę impulsów przy docelowej prędkości.
Co naprawdę trzeba dobrać w silniku krokowym?
Dobór krokowca nie powinien zaczynać się od rozmiaru ramy NEMA ani od momentu trzymającego. Najpierw trzeba określić trzy wymagania: prędkość wału, wymagany moment podczas ruchu oraz bezwładność obciążenia. Dopiero z tymi wartościami można wejść w katalog producenta i sprawdzić konkretny zestaw silnik + sterownik.
Kalkulator wyznacza moment potrzebny do pokonania obciążenia oraz moment potrzebny do rozpędzenia bezwładności. Suma jest mnożona przez zadany współczynnik zapasu. Wynik porównywany jest z momentem, który użytkownik odczyta z krzywej moment–prędkość dla obliczonych RPM.
To istotne, ponieważ dwa krokowce o podobnym momencie trzymającym mogą zachowywać się zupełnie inaczej przy 500, 1000 czy 1500 RPM w zależności od indukcyjności uzwojeń, sterownika i napięcia zasilania.
Jak kalkulator wyznacza moment wymagany?
Moment obciążenia sprowadzony na wał silnika jest zmniejszany przez przełożenie, ale zwiększany przez straty mechaniczne:
Bezwładność obciążenia po stronie silnika maleje z kwadratem przełożenia. Do przyspieszania trzeba dodatkowo rozpędzić wirnik samego silnika. Dla liniowego rozpędzania od zera do zadanych RPM kalkulator wyznacza przyspieszenie kątowe i moment dynamiczny:
Na końcu:
Współczynnik S jest zapasem przyjętym przez użytkownika. Nie istnieje jedna uniwersalna wartość właściwa dla każdej maszyny.
Wskazówka od KalkulatorXXL
Po obliczeniu wymaganego momentu znajdź w dokumentacji producenta wykres moment–prędkość dla dokładnie tego silnika, sterownika, prądu i napięcia zasilania. Odczytaj moment przy RPM pokazanych przez kalkulator i wpisz go w pole „Moment dostępny przy RPM”.
Nie podstawiaj momentu trzymającego. Jest to wartość dla nieruchomego, zasilonego silnika i nie opisuje zdolności do napędzania obciążenia przy wysokiej prędkości.
Dlaczego krzywa moment–prędkość jest ważniejsza od momentu trzymającego?
Silnik krokowy ma charakterystykę dynamiczną, w której maksymalny dostępny moment maleje wraz ze wzrostem prędkości. Producent określa m.in. pull-out torque – maksymalny moment, z którym napęd może utrzymywać synchroniczny ruch przy danej prędkości.
Jeśli wymagany moment znajdzie się powyżej tej krzywej, silnik może gubić kroki lub zatrzymać się mimo tego, że jego katalogowy moment trzymający wygląda na duży. Dlatego kontrola w kalkulatorze opiera się na momencie dostępnym przy obliczonych RPM.
Krzywa dotyczy całego zestawu napędowego. Zmiana sterownika, napięcia zasilania albo sposobu połączenia uzwojeń może zmienić przebieg charakterystyki.
Jak przełożenie wpływa na krokowiec?
Redukcja mechaniczna pomaga wtedy, gdy obciążenie potrzebuje dużego momentu przy mniejszej prędkości. Dla przełożenia i = RPM silnika / RPM obciążenia moment obciążenia widziany przez silnik maleje w przybliżeniu proporcjonalnie do i, natomiast odbita bezwładność maleje z i².
Cena za to jest oczywista: silnik musi obracać się i razy szybciej. Przy krokowcu może to być krytyczne, ponieważ właśnie przy dużej prędkości dostępny moment szybko maleje.
Dlatego większe przełożenie nie zawsze rozwiązuje problem. Należy jednocześnie sprawdzić wymagane RPM i krzywą moment–prędkość.
Częstotliwość STEP i mikrokrok
Dla silnika o kącie pełnego kroku θ liczba pełnych kroków na obrót wynosi 360° / θ. Po zastosowaniu mikrokroku liczba impulsów STEP przypadających na obrót rośnie:
Częstotliwość impulsów potrzebna do uzyskania zadanych RPM wynosi:
Mikrokrok zwiększa liczbę pozycji zadawanych przez sterownik i zwykle poprawia płynność ruchu, ale nie oznacza proporcjonalnego zwiększenia dokładności mechanicznej ani momentu silnika.
Co oznacza stosunek bezwładności?
Kalkulator pokazuje stosunek bezwładności obciążenia odbitej na wał silnika do katalogowej bezwładności wirnika. Duża wartość oznacza, że obciążenie dynamicznie dominuje nad wirnikiem i trudniej jest gwałtownie startować oraz zatrzymywać układ bez utraty synchronizmu.
Nie ustawiamy jednego uniwersalnego progu „dobrze/źle”. Dopuszczalny stosunek zależy od konkretnego silnika, sterownika, profilu ruchu i zaleceń producenta. Przykładowo Oriental Motor podaje dla swoich silników krokowych określone limity bezwładności, ale nie wolno automatycznie przenosić ich na produkty innych firm.
Jeśli stosunek jest duży, można rozważyć łagodniejsze przyspieszanie, redukcję, większy silnik albo zmianę mechaniki.
Ciekawostka: mniejszy silnik może być szybszy
Większy krokowiec często ma większy moment trzymający, ale jednocześnie może mieć większą bezwładność wirnika i indukcyjność. W aplikacji nastawionej na szybkie przyspieszanie nie zawsze oznacza to lepszy wynik.
Dlatego sizing krokowca jest kompromisem między momentem, bezwładnością, prędkością, napięciem zasilania i charakterystyką sterownika, a nie prostym wyborem „największego Nm”.
Dla ucznia technikum mechatronicznego i studenta automatyki
W zadaniach dotyczących silników krokowych warto oddzielać trzy różne wielkości: moment statyczny, moment dynamiczny i częstotliwość sterowania. To pozwala uniknąć najczęstszych błędów rachunkowych.
- Moment trzymający: dotyczy postoju i nie jest równy momentowi przy pracy z RPM.
- Moment przyspieszający: rośnie wraz z bezwładnością i skracaniem czasu rozpędzania.
- Przełożenie: zmniejsza moment i bezwładność widziane przez silnik, ale zwiększa jego RPM.
- Mikrokrok: zwiększa liczbę impulsów STEP na obrót, dlatego przy tej samej prędkości rośnie wymagana częstotliwość sterowania.
- Kontrola katalogowa: wynik momentu zawsze porównuj z krzywą moment–prędkość, nie tylko z jedną liczbą w tabeli.
Chcesz uporządkować temat w szerszym kontekście? Przejdź do Akademii automatyki i robotyki, gdzie ten kalkulator jest częścią ścieżki od PLC i pomiarów przez napędy aż do robotyki.
Kiedy kalkulator wstępny nie wystarcza?
Przy bardzo dynamicznych osiach, dużych masach, pracy pionowej, niestabilnym tarciu, elastycznych sprzęgłach albo krytycznym pozycjonowaniu warto wykonać pełny profil ruchu. Istotne mogą być rezonanse, częstotliwość startowa, dopuszczalna częstotliwość odpowiedzi, nagrzewanie i margines do utraty kroków.
W osi pionowej trzeba również uwzględnić moment od grawitacji i zachowanie podczas zaniku zasilania. Krokowiec nie jest hamulcem bezpieczeństwa.
Dla aplikacji, w której utrata pozycji jest niedopuszczalna, rozważ napęd krokowy ze sprzężeniem zwrotnym albo serwonapęd i sprawdź wymagania funkcjonalne maszyny.
FAQ – dobór silnika krokowego
Źródła merytoryczne
- Oriental Motor – Motor Sizing Calculations – procedura doboru na podstawie bezwładności, momentu i prędkości oraz rozdzielenie momentu obciążenia i przyspieszania.
- Oriental Motor – Technical Reference: Stepper Motors – charakterystyki speed–torque, pull-out torque, częstotliwość startowa i charakterystyka dynamiczna silnika krokowego.
Ostatnia aktualizacja: 27.08.2026