Stappenmotoren
(23)Stappenmotoren zijn borstelloze gelijkstroommotoren die in precieze stappen bewegen. Zij zijn uitgerust met meerdere spoelen die in fasen zijn georganiseerd. Door de fasen één voor één aan te zetten, wordt de motor stap voor stap in beweging gezet. Met computerbesturing kunnen ze worden gepositioneerd en kan de snelheid worden geregeld. Daardoor zijn stappenmotoren de voorkeursmotoren voor vele toepassingen van precisie-bewegingsbesturingstoepassingen.
Karakteristieken van stappenmotoren
Stappenmotoren bewegen in precieze, herhaalbare stappen en zijn daarom ideaal voor toepassingen zoals 3D-printers, CNC's, cameraplatforms en X-, Y-plotters. Stappenmotoren hebben het voordeel van betrouwbaarheid door de afwezigheid van borstels. De levensduur van de motor hangt dus af van de levensduur van de lagers.
Nauwkeurige bewegingen zorgen voor een uitstekende snelheidsregeling. Bovendien hebben normale gelijkstroommotoren niet veel koppel bij lage toerentallen. Een stappenmotor daarentegen heeft een maximumkoppel bij lage snelheden, en is dus een goede keuze voor toepassingen met lage snelheden en hoge precisie.
Dankzij de afhankelijkheid van de motor van discrete pulsen is het mogelijk hem in open lus te besturen. Hierdoor is de stappenmotor gemakkelijker en goedkoper aan te sturen.Deze mogelijkheid tot nauwkeurige open-loop regeling is het belangrijkste voordeel van de stappenmotor. Werking met open lus betekent dat terugkoppeling niet nodig is. Met dit soort besturing zijn bijvoorbeeld opto-elektronische encoders niet meer nodig, wat de kosten drukt. Posities worden gevonden door het tellen van de ingangspulsen.
Merk echter op dat stappenmotoren de neiging hebben heet te worden omdat ze de meeste stroom trekken wanneer ze helemaal niet draaien. Met andere woorden, in tegenstelling tot gelijkstroommotoren is de stroomopname van de stappenmotor onafhankelijk van de belasting. Een ander nadeel is het lagere koppel bij hoge snelheden. Zij kunnen echter worden geoptimaliseerd voor betere prestaties bij hoge snelheden, maar moeten worden gekoppeld aan de juiste controller om deze prestaties te bereiken.
In tegenstelling tot servomotoren hebben de meeste steppermotoren geen geïntegreerde terugkoppeling voor de positie.
Stappenmotortypes
Er zijn veel verschillende types stappenmotoren op de markt, waarvan sommige zeer gespecialiseerde regelaars vereisen. De meest populaire zijn stappenmotoren die worden aangedreven door algemeen verkrijgbare regelaars. Deze zijn: permanente magneet of hybride stappenmotoren, tweefasig bipolair of vierfasig unipolair.
Eigenschappen die belangrijk zijn bij de keuze van een stappenmotor
De parameters van een stappenmotor zijn de nominale spanning van de wikkelingen, de voedingsspanning, de nominale stroom die kan worden gebruikt om de motor niet te overbelasten, de weerstand van de wikkelingen, het traagheidsmoment van de rotor, het koppel van een stilstaande motor bij toevoer van nominale stroom (het zogenaamde houdkoppel), de motorkoppeleigenschappen als functie van het aantal pulsen per s (pps), de maximale bedrijfssnelheid (onbelast), de start-stopsnelheid, de afmetingen van het corpus, gewoonlijk langs de rotatie-as, en het gewicht.
Een van de eerste dingen om te overwegen vóór de aankoop is het werk dat de motor moet doen. Hoe groter de motoren zijn, hoe meer vermogen ze kunnen leveren. Stappenmotoren zijn verkrijgbaar in verschillende maten. Grote motoren worden gebruikt in 3D-printers en kleinere CNC-freesmachines. Kleinere motoren worden gebruikt in de robotica.
Een andere belangrijke parameter om rekening mee te houden is het koppel van de stappenmotor. Dit is afhankelijk van zijn snelheid. Wanneer de twee polen in de rotor en de stator tegenover elkaar staan, heeft de motor het hoogste koppel. Tijdens de stap worden momenten gecreëerd waarbij de polen zich op elkaar afstemmen totdat de rotor naar de volgende pool draait. Als de belasting te hoog is, kan het gebeuren dat de motor niet tussen de ene en de andere tand overspringt. Hij kan zelfs achteruit gaan.
Aantal stappen in de stappenmotor
Een ander punt om te overwegen is de vereiste positioneringsresolutie. Het aantal stappen per omwenteling varieert van 4 tot 400. Veel voorkomende stapaantallen zijn 24, 48 en 200.De resolutie wordt vaak uitgedrukt in graden per stap. De 1,8° motor is een 200 stappen/omwentellingen motor. Het compromis voor een hoge resolutie is snelheid en koppel. Het grotere aantal stappen dat nodig is om de stappenmotoren te draaien, resulteert in een lager koppel.
Stappenmotor aandrijfmechanisme
De manier om een hoge positioneringsresolutie te bereiken is via een tandwieloverbrenging. Een tandwieloverbrenging van 32:1 toegepast op de uitgang van een 8-staps/rotatiemotor resulteert in een 256-staps motor. De tandwieloverbrenging zal ook het koppel van de motor verhogen. De kleinste stappenmotoren met tandwieloverbrenging hebben een indrukwekkend koppel. Maar de afweging is natuurlijk snelheid.
Soorten assen in stappenmotoren
Een ander punt van overweging is hoe de motor zal aansluiten op de rest van de aandrijving. De motoren zijn verkrijgbaar met verschillende astypes:
- Ronde as of "D": Zij zijn verkrijgbaar in een groot aantal standaarddiameters en er zijn veel poelies, tandwielen en askoppelingen die ervoor ontworpen zijn. De "D"-assen hebben één afgevlakt oppervlak om slippen te voorkomen. Deze zijn wenselijk voor hoge koppels.
- As met tandwieloverbrenging: Sommige assen hebben gefreesde tandwieltanden. Zij zijn doorgaans ontworpen om te werken met modulaire tandwieloverbrengingen.
- As van positioneerschroef: Motoren met assen van positioneerschroeven worden gebruikt om lineaire actuatoren te bouwen. Hun miniatuurversies zijn te vinden als koppositioneerders in veel diskdrives.
Stappenmotor bedrading
Er zijn veel variaties van stappenmotor bedrading. Het is de moeite waard enkele gebruikte exemplaren met algemeen verkrijgbare drivers te overwegen. Dit zijn permanente magneet- of hybride stappenmotoren, bekabeld als 2-fase bipolair of 4-fase unipolair. Een stappenmotor kan een willekeurig aantal spoelen hebben en alle spoelen in één fase worden samen gevoed.
Enkelpolige en bipolaire stappenmotoren
Enkelpolige regelaars voeden de fasen altijd op dezelfde manier. Eén leiding zal altijd negatief zijn en de andere positief. Eenpolige regelaars kunnen worden uitgevoerd met eenvoudige transistorschakelingen. Het nadeel is dat het beschikbare koppel minder is omdat slechts de helft van de spoelen tegelijk kan worden bekrachtigd. Bipolaire drivers gebruiken een H-brugschakeling om de stroom door de fasen om te keren. Door de fasen met variabele polariteit te voeden, kunnen alle spoelen worden gestart, waardoor de motor gaat draaien.
Bijkomende componenten
Er moet aan worden herinnerd dat de stappenmotor een onderdeel is en niet onafhankelijk werkt, dus bij het bouwen van de aandrijving moet de motor samen met de controller worden beschouwd. De parameters van beide elementen zijn even belangrijk. De keuze van de combinatie van motor en regelaar zal de kenmerken van het aandrijfsysteem fundamenteel beïnvloeden. De basistypen stappenmotorbesturing die tegenwoordig worden gebruikt, zijn: volledige-stapbesturing, halve-stapbesturing, microstapbesturing.
Magazijn:
