Jak dobrać zasilacz do silnika krokowego w maszynie CNC

5 (7)

Jak dobrać zasilacz do silnika krokowego – praktyczny poradnik

Zasilacz sterownika silnika krokowego to jeden z kluczowych elementów poprawnie działającego układu pozycjonowania CNC. Źle dobrany zasilacz może powodować gubienie kroków, przegrzewanie silnika, a w konsekwencji nawet uszkodzenie sterownika silnika krokowego. W tym artykule wyjaśniamy jak dobrać zasilacz do silnika krokowego, zarówno dla jednego silnika, jak i kilku silników jednocześnie.

📌 W skrócie:
Zasilacz dobieramy zawsze do sterownika, nie do silnika.
Napięcie: górna granica zakresu sterownika minus 10–15% zapasu
Prąd: suma prądów silników × 0,7 (zasilacz liniowy) lub × 1,2–1,3 (impulsowy), plus zapas 2–3A
Przykład: sterownik 24–50V, silnik 2,8A → zasilacz ok. 45V / 3A

Dlaczego zasilacz sterownika silnika krokowego i jego dobór jest tak ważny?

Silnik krokowy nie jest zasilany bezpośrednio z zasilacza – pomiędzy nimi zawsze znajduje się sterownik silnika krokowego. To właśnie sterownik pobiera energię z zasilacza i steruje prądem płynącym przez uzwojenia silniczka krokowego.

W praktyce zły dobór zasilacza prowadzi do następujących problemów:

• spadki napięcia pod obciążeniem,
• brak momentu przy wyższych prędkościach,
• przegrzewanie zasilacza lub sterownika,
• niestabilna praca osi CNC.

Dlatego zasilacz do silnika krokowego nie może być dobrany „na oko”, ale na podstawie konkretnych parametrów.

Jakie napięcie i prąd zasilacza do silników krokowych?

Które parametry są kluczowe przy doborze zasilacza? Jeżeli chodzi o najważniejsze parametry elektryczne, to zasilacz charaketryzuje się prądem [A], napięciem [V] oraz mocą [W]. Te parametry są kluczowe w celu dobrania odpowiedniego zasilacza dla silnika krokowego.

Jakie Napięcie wyjściowe zasilacza do sterownika silnika krokowego?

Jednym z błędów z jakim się spotykałem było dobranie napięcia wyjściowego modułu zasilającego na podstawie napięcia znamionowego silnika. W praktyce napięcie silnika krokowego (np. 3 V) nie ma znaczenia przy doborze zasilacza.

👉 Zasilacz dobieramy do sterownika, nie do silnika. Jak dobrać sterownik silnika krokowego do silnika opisałem tutaj. Silnik krokowy chcemy zasilać napięciem o jak najwyższej wartośći, z reguły ogranicza nas maksymalne napiecie pracy sterownika silnika krokowego. Dlatego przy doborze zasilacza pod uwagę bierzemy napięcie pracy sterownika. Należy przy tym pamiętać, że silnik krokowy podczas pracy z częstymi nawrotami może zachowywać się jak prądnica – zwraca część energii do źródła ( BEMF). Może to prowadzić od podbijania napięcia na zasilaczu. Dlatego tak istotne jest, aby napięcie wyjściowe zasilacza było nieco niższe niż maksymalne napięcie sterownika. Doświadczenie pokazuje, że zapas 10-15% będzie odpowiedni dla większości zastosowań.

Przykład:

• jeżeli sterownik pracuje w zakresie 24–50 V DC,
• optymalnym wyborem będzie zasilacz 36 VDC lub 42 do 45 VDC.
• Czy napięcie 24V lub 48V ( typowe zasilacze przemysłowe) będzie w takim przypadku odpowiednie?

W aplikacjach wymagających stosunkowo dużych prędkości i przyśpieszeń 24V będą za niskie; ale w mniej wymagających aplikacjach, lub takich nazwijmy budżetowych będzie ok – silnik będzie pracował poprawnie, jednak bez większych osiągów. Jeżeli chodzi o 48V – wysokie napięcie i niby fajnie, jednak odrzuciłbym je z powodu bliskiej wartości maksymalnego napięcia sterownika  – sterownik może sypać błędami przekroczenia napięcia (lub się   uszkodzić). Gdy nie mamy wyjścia – możemy uruchomić, tylko wówczas ostrożnie z prędkościami i przyśpieszeniami…

Wyższe napięcie=

• poprawia moment przy wyższych obrotach,
• zwiększa dynamikę pracy silnika,
• zmniejsza ryzyko gubienia kroków.

Prąd zasilacza – jak go policzyć?

Kolejnym istotnym po napięciu parametrem będzie prąd wyjściowy zasilacza. Tutaj sprawa nieznacznie się komplikuje. Wydawać by się mogło, że wyliczymy sumę prądów i będzie dobrze. Jednak niestety wszystko zależy od tego, jaki zasilacz wybierzemy W praktyce najczęściej mamy do czynienia z zasilaczami liniowymi, niestabilizowanymi oraz nieliniowymi ( impulsowymi), stabilizowanymi.  

Na podstawie doświadczenia mogę stwierdzić, iż dla zasilaczy liniowych ( trafo, mostek + bateria kondestatorów) sumę prądów możemy przemnożyć przez 0.7 –  w praktyce silniki krokowe nie pobierają swojego znamionowego prądu z zasilacza. W przypadku zasilaczy nieliniowych, impulsowych sumę prądów silników powinniśmy podnieść o 20-30%, ze względu na  fakt, iż zasilacze te nie lubią pików prądowych na wyjściu ( mogą aktywować się ich zabezpieczenia, mają tendencję do przegrzewania).

Mocniejszy zasilacz = większa bezwładność energetyczna układu.

Praktyczna porada:

Dodatkowo zawsze warto dodać zapas prądowy 2-3A aby zasilacz nie pracował na granicy możliwości.

Jak dobrać zasilanie dla silnika krokowego?

Przykład doboru zasilacza dla 1 silnika krokowego

Załóżmy:

• silnik krokowy: 2.8 A
• sterownik: 24–50 V DC
• wybrane napięcie zasilacza: ?

Obliczenia:

• prąd roboczy: 2.8 A
• 70% × 2,8 A = ~2,0 A
• uwzględniając zapas  → ~3 A
• napięcie: 50V-10% = 45V

✅ Wstępnie dobrany moduł zasilający:
45 V / 3 A (ok. 135W)

To typowy i bezpieczny wybór dla jednego silnika w małej maszynie CNC lub osi liniowej. Analogicznie przedstawia się sytuacja przy większej liczbie silników:

Przykład doboru zasilacza dla 3 silników krokowych

Załóżmy:

• 3 × silnik krokowy 2.8 A
• sterowniki o tym samym napięciu
• wspólny zasilacz

Obliczenia krok po kroku wyglądają następująco:

• suma prądów: 3 × 2.8 A = 8.4 A
• 70% × 8.4 A = ~5.9 A
• zapas → ~-8 A
• Napięcie: 50V-10% = 45V

✅ Wstępnie dobrany moduł zasilający:
45 V / 8–10 A (360–450 W)

Taki zasilacz bez problemu zasili trzy osie CNC i zapewni stabilną pracę nawet przy dynamicznych ruchach.

W instrukcji sterownika znajdziemy zapewnie rekomendację, aby sterownik był zasilony napięciem ze środka zakresu, czyli 36VDC. W praktyce napięcie 42VDC na wyjściu zasilacza sterownika silnika krokowego będzie jak najbardziej odpowiednie, czyli sugeruję następujące parametry:

Dla jednego silnika będzie odpowiedni zasialcz: 42 V / 3 A (ok. 125W)

Dla 3 silników będzię odpowiedni zasilacz: 42 V / 8–10 A (340–420 W)

Przy doborze zasilacza w praktyce będziemy musieli wybierać parametry napięcia z dostępnych typoszeregów. Z reguły prądy mają większą ilość dostępnych opcji. Dobierając zasilacz z typoszeregów kierujemy się zasadą – najblizsze niższe napięcie, wyższy prąd.

Parametr	1 silnik krokowy	3 silniki krokowe
Prąd silnika	2,8 A	3 × 2,8 A = 8,4 A
Prąd po współczynniku (×0,7)	~2,0 A	~5,9 A
Prąd z zapasem	~3 A	~8–10 A
Napięcie sterownika	24–50 V DC	24–50 V DC
Napięcie zasilacza (50V −10%)	45 V	45 V
Zalecany zasilacz	42 V / 3 A (~125 W)	42 V / 8–10 A (340–420 W)

Zasilacz dla 1 i 3 silników krokowych (przykład: silnik 2,8A, sterownik 24–50V DC)

Czym jest współczynnik jednoczesności i jak wpływa na dobór zasilacza?

Przy doborze zasilacza na kilka silników krokowych należy pamiętać o współczynniku jednoczesności. Dobierając zasilacz na sumaryczny prąd silników ( uwzględniając powyższe współczynniki bezpieczeństwa) zakładamy, iż wszystkie silniki będą pracowały jednocześnie. Może tak się zdarzyć np. we frezarkach CNC. Ale nie zawsze tak musi być. Są maszyny pracujące sekwencyjnie, gdzie jednocześnie pracuje 1 z 5 silników krokowych. W takim przypadku w ramach oszczędności możemy to uwzględnić i dobrać zasilacz uwzględniając tylko szczytowe zapotrzebowanie. Oznacza to, że przy większych aplikacjach może dać nam to wymierne oszczędności. Ale musimy mieć pewność, że sekwencja się nie zmieni w przyszłości i zapotrzebowanie nie wzrośnie, bo w przyszłości oznacza to same problemy – na początku będą problemy z błędami zasilacza, bo ten będzie się wyłączał od przeciążeń. Gdy dojdziemy co jest powodem problemów, to  jak to zwykle bywa – nie będzie miejsca, gdzie te dodatkowe zasilacze zamontować, bo brak miejsca, itd. 😊. Dlatego trzeba rozważnie podejść do tematu.

Ile zasilaczy do kilku silników krokowych?

Jeden zasilacz czy kilka – co jest lepszym rozwiązaniem?

W większości przypadków jeden wspólny zasilacz do kilku silników krokowych jest:

• tańszy,
• prostszy w okablowaniu,
• wystarczający do maszyn 3-4-osiowych.

Kilka zasilaczy warto rozważyć, gdy:

• osie mają bardzo różne obciążenia,
• stosujesz różne napięcia sterowników,
• zależy Ci na separacji i redundancji.

Jaki typ zasilacza wybrać do zasilania silnika krokowego?

Na rynku dostępnych jest wiele typu rozwiązań. Przez producentów maszyn najczęściej stosowane są te dwa poniższe. Każde rozwiązanie ma swoje wady i zalety.

Zasilacz impulsowy ( nieliniowy, stabilizowany)

• coraz częściej stosowany,
• mały, lekki i wydajny,
• idealny do CNC i automatyki.

Zasilacze impulsowe to obecnie najczęściej stosowane źródła zasilania w automatyce i CNC, ponieważ oferują wysoką sprawność, kompaktowe wymiary i stabilne napięcie wyjściowe.

Zasilacz transformatorowy (liniowy)

• droższy i większy,
• bardzo odporny na zakłócenia,
• przy jego doborze należy pamiętać o napięciu jałowym transformatora,
• należy też pamiętać, że jego napięcie wyjściowe zależy od napięcia wejściowego
• stosowany głównie w wymagających aplikacjach przemysłowych.

Wszyscy wiemy jak wygląda sieć energetyczna w naszym kraju; napięcia się bardzo wahają – należy o tym pamiętać, przy wyborze tego typu zasilacza – wzrost napięcia na wejściu powoduje również wzrost napięcia na wyjściu transformatora, a co za tym idzie na wyjściu zasilacza. z drugiej strony, zależnie od tego jak zostało policzone napięcie jałowe transformatora, wartość napięcia w takim zasilaczu siada podczas jego obciążenia. Oba te fakty musimy uwzględnić podczas doboru napięcia zasilania – dlatego w powyższych przykładach podałem napięcie 42V dla zasilania sterownika 50V. Nawet jak napięcie siecie wzrośnie mam o 10%, to będziemy mieli 46V – czyli z zapasem na zwroty energii od silnika krokowego podczas nawrotów.  

W przypadku takiego zasilacza ważna jest również pojemność baterii kondensatorów. Ja zawsze stosuję zasadę 1000uF na każdy 1A prądu wyjściowego zasilacza. Należy też pamiętać o napięciu kondesatorów, aby było one wyższe niż napięcie pracy układu.

Jeżeli chodzi o mostek prostowniczy – tutaj nie ma problemu – dobieramy tylko na odpowidni prąd i napięcie z zapasem.        

    Rodzaj zasilacza a typ sterownika

Na koniec mała sugestia z mojej strony. Dla największych silników krokowych  – 28-50Nm sterowniki dla nich dedytkowane są zasilane bezpośredno z sieci 230V.  Ich zakres napięcia zasilania zawiera się najczęściej w zakresie od okło 100V do 230V . Z mojego doświadczenia wynika, że w przypadku takich sterowników warto zastosować transformator obniżający napięcie do jakiś 150-180V. Z dwóch powodów – wzrost napięcie od silnika, dodatkowo należy uwzględnić wahania napięcia w sieci. Jak nałożą się te dwa czynniki, to napiecie może nam wzrosnąć znacznie ponad 230V +-10%, co z kolei może skończyć się uszkodzeniem sterownika. Miewałem takie przypadki. Natomiast tam, gdzie były zastosowane transformatory, praktycznie nie było takiego problemu. Transformator dla takiego silnika 28Nm to już przekładnik o mocy 1kW i trochę to kosztuje, jednak daje nam to spokój, że maszyna nie zawiedzie nas w najmniej odpowiednim momencie. Jednak zawsze musimy rozważyć koszty i ryzyko…

👉 Do większości mniejszych silników krokowych z powodzeniem możesz stosować zasilacz impulsowy DC.

Kiedyś prawie zawsze stosowałem niestabilizowane zasilacze liniowe, czyli takie oparte o transformator, mostek prostowniczy i kondensatory. Natomiast teraz coraz częściej sięgam po zasilacze imulsowe. Przede wszystkim ze względu na ich wagę, oraz uproszczone podłączenie. Należy tylko stosować produkty sprawdzonych producentów.

Najczęstsze błędy przy doborze zasilacza do silników krokowych

• dobieranie napięcia „jak na silniku”,
• brak zapasu prądowego,
• jeden zasilacz o zbyt małej mocy dla kilku osi,
• ignorowanie zakresu napięcia sterownika,
• Łączenie zasilacza do zasilania silnika z zasilaczem od zasilania logiki.

Podsumowanie – jak dobrać zasilacz do silnika krokowego?

1. Zawsze dobieraj zasilacz do sterownika, nie do silnika
2. Wybierz napięcie z górnego zakresu sterownika (np. 36–42 V)
3. Oblicz prąd zasilacza z zapasem
4. Dla kilku silników możesz uwzględnić współczynnik jednoczesności

Na rynku dostępna jest szeroka gama zasilaczy – stabilizowanych i niestabilizowanych,– a każdy z tych typów ma swoje zalety, ograniczenia i typowe obszary zastosowań. Nie istnieje jedno „uniwersalne” rozwiązanie, które będzie najlepsze w każdej sytuacji. W praktyce, oznacza to, że musimy dobrać zasilacz dopasowany do projektowanego układu.

Zasilacze nieliniowe zapewniają stabilne napięcie i większe bezpieczeństwo elektroniki, kompaktowe wymiary dlatego są coraz częściej wybierane do nowoczesnych układów automatyki i CNC. Z kolei zasilacze niestabilizowane, choć prostsze konstrukcyjnie, wymagają większej wiedzy i świadomego doboru, ale w określonych aplikacjach nadal są nieodzowne i znajdują uzasadnienie.

Zasilacze impulsowe mają jedną wadę – zazwyczaj są produkowane na znormalizowane napięcia wyjściowe, które czasami jest ciężko dobrać pod sterownik. Fakt niektóre zasilacze mają możliwość regulacji znapięcia wyjściowego w zakresie 5-10% jednak czasami ciężko jest uzyskać dzięki nim optymalne napięcie zasilania, zazwyczaj jest ono niższe niż mogłoby być. W przypadku zasilaczy lionowych, transformator możemy zamówić na dowolne napięcie; jest to zazwyczaj bardziej kosztowne rozwiązanie.

Jakie napięcia zasilaczy sterowników silników krokowych będą optymalne?

Dla sterownika zasilanego napięciem do 50V optymalnym napięciem zasilania będzię 42VDC na wyjściu zasilacza. Dla sterowników silninków krokowych zasilanych z napięcia 80VDC optymalny będzie zasilacz o napięciu wyjściowym około 68-70VDC. Są również sterowniki zasilane 110VDC – tutaj zasilacz powinien mieć około 90VDC. Dla sterowników wysokonapięciowych zasilanych z sieci 230V sugeruję zastosować stransformator obniżający napięcie.

Wielu producentów sterowników silników krokowych ma w swojej ofercie również zasilacze do ich zasilania. Przykładem takiego producenta jest wspominana firma Leadshine. Ma ona w swoim portfolio zasilacze o napięciach specjalnie dobranych dla wszystkich wielkości swoich sterowników. Innymi słowy ułatwia to dobór zasilacza do silnika i sterownika krokowego.

👉 Podsumowując, ostateczny wybór zasilacza zawsze zależy od konkretnej aplikacji: wymaganego napięcia i prądu, charakteru obciążenia, dopuszczalnych zakłóceń, miejsca montażu oraz doświadczenia użytkownika. Z punkti widzenia użytkownika, świadomy dobór zasilania to jeden z kluczowych elementów niezawodnej i stabilnej pracy całego systemu sterowania. Dlatego przy wyborze zasilacza należy zawsze uwzględnić charakter obciążenia, dynamikę pracy napędu oraz wymagania sterownika, a w efekcie dobrać rozwiązanie najlepiej dopasowane do konkretnej aplikacji.

Jeśli nie chcesz liczyć ręcznie, skorzystaj z kalkulatora silnika krokowego, który policzy to automatycznie.

Najczęściej zadawane pytania