U bekijkt de website voor klanten uit: Netherlands. Op basis van uw locatiegegevens is de voorgestelde pagina voor u USA / US
Klantpaneel
In uw winkelwagen
Laat zich registreren

Stappenmotor - soorten en toepassingsvoorbeelden van stappenmotors

2020-09-08

Stappenmotor - soorten en toepassingsvoorbeelden van stappenmotors

Een stappenmotor is een borstelloze gelijkstroommotor waarin de rotatie is verdeeld in een bepaald aantal stappen dat voortvloeit uit de constructie van de motor. Doorgaans wordt een volledige asrotatie van 360° verdeeld in 200 stappen. Dit betekent dat elke 1,8° een enkele stap wordt uitgevoerd. Er zijn ook motors verkrijgbaar waarin de stap elke 2; 2,5; 5, 15 of 30° wordt uitgevoerd.

De beschreven functionaliteit is mogelijk dankzij de speciale constructie van de stappenmotor die in het volgende deel van de tekst zal worden besproken. Omdat de volledige rotatie van de as is verdeeld in bepaalde discrete secties draait de stappenmotor niet vloeiend, maar maakt hij sprongen en slaat hij tussenliggende toestanden over. Daarom gaat de werking van de stappenmotor gepaard met een karakteristiek geluid en trillingen.

Tegenwoordig worden besturingen van stappenmotors gemaakt op basis van digitale systemen die stuurprogramma's aansturen die het belastingsvermogen van de uitgangen vergroten. Meestal vinden we in zo'n besturing een microcontroller, hoewel dit niet noodzakelijk is, omdat een dergelijke besturing zonder veel moeite gemaakt kan worden op basis van poortjes en flipflops. De manier waarop de motor wordt aangestuurd, hangt af van het type, het aantal fasen en of de besturing plaatsvindt met of zonder terugkoppeling. In sommige besturingen kan de stroom die door de wikkelingen vloeit, worden aangepast met behulp van de PWM-golfvorm, terwijl de draairichting en regeling van de stappen (sprongen) wordt uitgevoerd met behulp van vierkante golfvormen. Wanneer u echter te maken heeft met een specifiek motormodel en besturing moet u hun datasheets raadplegen om de juiste besturingsmethode vast te stellen.

De wikkelingen die de belasting van de besturingsuitgangen vormen, zijn spoelen die worden gekenmerkt door een bepaalde inductantie en capaciteit. Hun reactantie neemt toe bij toenemende frequentie, waardoor de lopende stroom en de maximale schakelfrequentie worden beperkt. Bij het kiezen van een motor voor een concrete toepassing moet u altijd enkele compromissen overwegen, bijvoorbeeld de maximale hoeksnelheid en het benodigde koppel in relatie tot de resolutie. Dit artikel geeft basisinformatie over het werkingsprincipe van bipolaire en unipolaire stappenmotors en waar u op moet letten bij het kiezen van een motor voor een bepaalde toepassing.

Stappenmotor – hoe werkt hij?

Een stappenmotor bestaat uit een rotor en stator. De stator is het statische deel, terwijl de rotor, aangebracht op een gelagerde as, het draaiende magnetisch veld volgt dat rond de stator wordt gevormd. De stator - gemaakt van staal of een ander metaal - vormt het skelet voor een set elektromagneten, nl. spoelen die op bepaalde plaatsen rond de rotor zijn gemonteerd. Wanneer er stroom door de statorspoelen loopt, ontstaat er een magnetisch veld rond deze spoelen. De afzonderlijke magnetische fluxen hebben een richting en een intensiteit die afhankelijk is van de stroom die door de betreffende spoel loopt.

Als de spoel wordt bekrachtigd, trekt de ontstane elektromagneet de magneet (tand) aan die is gemonteerd op de rotor met een bepaalde offset ten opzichte van de elektromagneet. Vervolgens draaien de rotor en de as onder de hoek waarin zijn positie het minst tegen de magnetische flux of de resulterende meervoudige fluxen ingaat. Na verplaatsing met deze offset wordt de volgende elektromagneet (spoel of spoelen) op de stator ingeschakeld en wordt de rotor opnieuw aangetrokken naar een nieuwe positie. Door opeenvolgende spoelen in te schakelen, kunt u verdere voorwaartse of achterwaartse stappen maken, of een volledige of gedeeltelijke draaiing van de rotor, en daarmee ook de as, bereiken.

Op basis van deze beschrijving kunt u zich een stappenmotor voorstellen als een reeks elektromagneten die de rotormagneet aantrekken. In werkelijkheid is de situatie echter veel complexer omdat de magneet wordt aangetrokken door het resulterende veld rond het stelsel van elektromagneten, waardoor niet alleen volstapwerking mogelijk is, maar ook halfstapwerking (deling van de stap door 2) en microstepwerking.

Stappenmotor - werking in volstapmodus

Het principe van werking van een stappenmotor in volstapmodus is geïllustreerd op afbeelding 1. In deze modus draait de motor onder de hoek die samenhangt met zijn constructie en die bv. 1,8° bedraagt. Er zijn dus 200 stappen (200×1,8°=360°) nodig voor een volledige omwenteling.

De stap van de as wordt uitgevoerd na het bekrachtigen van een of twee spoelen. De werking met bekrachtiging van één spoel vereist een minimaal aandrijfvermogen. Bij 2-fasige werking, waarbij de bekrachtigde spoelen tegenover elkaar liggen, is verdubbeling van het vermogen van de voedingsstroom nodig, maar dan nemen ook de snelheid en het koppel toe.

Motor in volstapmodus Afb. 1. Werkingsbeginsel van de motor in de volstapmodus bij 2-fasige bekrachtiging

Stappenmotor - werking in halfstapmodus

Het principe van werking van de motor in halfstapmodus is getoond op afbeelding 2. Zoals de naam al aangeeft, deelt deze modus de discrete rotorstap door 2 en roteert de rotor bij een enkele stap met de helft van de nominale hoek. Verwijzend naar het bovenstaande voorbeeld, bedraagt een enkele stap 0,9° en neemt het aantal stappen per volledige omwenteling toe tot 400.

Voor werking in halve stappen is afwisselende bekrachtiging van twee fasen (spoelen) vereist. Dit resulteert in een toename van het koppel in vergelijking met de werking met een enkelfasige bekrachtiging, "soepeler" motorwerking en de genoemde verdubbeling van de hoekresolutie.

Motor in halfstapmodus

Afb. 2. Werkingsbeginsel van de motor in de halfstapmodus bij 2-fasige bekrachtiging

Stappenmotor - werking in microstepmodus (microstap)

In de microstepmodus wordt de nominale stap in nog kortere lengtes verdeeld dan in de halfstapmodus. De maximale verdelingscoëfficiënt bedraagt 256. De opeenvolgende posities van de rotor worden verkregen door middel van de resulterende magnetische flux van de spoelen die door middel van een stapgolf worden bekrachtigd. De microstepmodus heeft de voorkeur in toepassingen waar een "soepele" werking van de motor en/of een hoge positioneringsnauwkeurigheid vereist is.

Bij gebruik van de motor in de microstepmodus is het noodzakelijk om rekening te houden met de eisen die de toepassing stelt aan het motortoerental. Zoals gezegd neemt de inductieve reactantie van de spoel toe met de frequentie waarmee de stroom in de motorwikkelingen wordt gemoduleerd. Door de hogere snelheid moet er vaker worden geschakeld en moeten de wikkelingen dus vaker worden gemoduleerd. Dit resulteert in een toename van de spoelimpedantie en dus een afname van de gemiddelde stroom die door de wikkelingen loopt. Dit is niet onbelangrijk voor de werking van de motor - omdat de stroom door de wikkelingen afneemt, neemt ook het koppel af. Dit kan leiden tot oscillatie, het stoppen van de rotor of het overslaan van stappen door de motor en daarmee dus ook het aangedreven element van de machine. Daarom moet u bij het gebruik van de motor in de microstepmodus goed rekening houden met de informatie op de datasheet. Deze hoort een grafiek te bevatten met de waarde van het koppel als functie van de frequentie van de stroom die door de spoel loopt.

Typen stappenmotors

Een stappenmotor is in vergelijking met een typische gelijkstroommotor met borstels niet bijzonder ingewikkeld of complexer van bouw, maar hij vereist wel een grotere uitvoeringsprecisie. Moderne BLDC-motors lijken erg op stappenmotors met permanente magneten en worden op een zeer vergelijkbare manier aangestuurd.

Volgens het basiscriterium worden stappenmotors ingedeeld volgens de constructiemethode en het aantal fasen dat nodig is om de spoelen van stroom te voorzien. Afhankelijk van de constructie verschillen de afzonderlijke typen met betrekking tot het beoogde gebruik (doeltoepassing), de resolutie en het bereikte koppel.

Stappenmotor met vaste magneet

Een permanente magneetmotor zou twee spoelen (elektromagneten) kunnen hebben die vier wisselende polen vormen en de rotor van de motor zou dan radiaal gemagnetiseerd zijn. Het veranderen van de positie van de rotor bestaat in dat geval uit het veranderen van de stroomrichting in de spoelen, waardoor de magnetische polen veranderen. Als de stroomrichting wordt veranderd, zou de rotor in een dergelijke motor 90° draaien. Een enkele stap van een dergelijke motor is, ondanks dat hij in sommige toepassingen nuttig zou kunnen zijn, erg groot en niet bijzonder nauwkeurig. Daarom hebben permanente magneetmotors in de praktijk meer rotorpolen en zijn er meerdere magneten op hun rotor gemonteerd om het aantal stappen en de positioneringsprecisie te vergroten.

Meestal hebben stappenmotors met permanente magneten een stap van 7,5° tot 15°, dus 48 tot 24 stappen per volledige omwenteling. Gemagnetiseerde rotorpolen verhogen de magnetische inductie, daarom kenmerken permanente magneetmotors zich door een hoog koppel. Door de ongecompliceerde constructie heeft de motor een bescheiden prijs bij een vrij lage resolutie.

Stappenmotor met variabele reluctantie

Motors met variabele reluctantie behoorden tot de eerste modellen stappenmotors. Tegenwoordig komt u ze nog maar zelden tegen en worden ze amper meer toegepast. In dit type motor bestaat de rotor uit vele tanden van zacht ijzer. Als de statorspoelen worden aangedreven door gelijkstroom, wordt de rotortand aangetrokken door het magnetisch veld. Dankzij sequentieel schakelen draait de rotor met de hoek die is bepaald door de motorconstructie.

Motors van dit type hebben, ondanks hun eenvoudige constructie en besturing, een lage resolutie en een laag koppel.

Hybride stappenmotor

De hybridemotor is een van de meest toegepaste stappenmotors in de industrie. Hij wordt gekenmerkt door een hoge resolutie - zijn rotor maakt stappen van 0,9° tot 3,6° (van 400 tot 100 stappen). Dit type motor presteert beter dan de andere in termen van betrouwbaarheid, koppel, houdkoppel en bereikt toerental.

De rotor van een hybridemotor is samengesteld uit permanente magneten, maar in tegenstelling tot de eerder besproken permanente magneetmotoren zijn ze niet radiaal gemonteerd, maar worden ze axiaal gemagnetiseerd. Meestal bestaat de rotor uit twee verschillend gemagnetiseerde ringen die op de motoras zijn aangebracht. Elke ring heeft ingesneden groeven die de rotortanden vormen.

Unipolaire en bipolaire motors

Een andere indeling van de stappenmotors berust op de manier waarop de wikkeling in 2-fasenmotoren is uitgevoerd. Afhankelijk hiervan zijn de motoren ingedeeld als unipolair of bipolair. Het belangrijkste verschil is dat de unipolaire motor met één stroom(spannings-)polariteit werkt en de bipolaire motor met twee. Dit betekent dat de stroomrichting in de spoel variabel is. Een ander verschil is dat de motorspoelen zo moeten worden aangesloten dat het mogelijk is om vermogen van het uiteinde van de ene spoel naar het begin van de andere over te brengen. Deze manier van aansluiten maakt het gebruik van stroom (spanning) van één polariteit mogelijk. De verschillen in de constructie van beide typen motors staan vereenvoudigd weergegeven op de afbeeldingen 3 en 4.

Bipolaire motor Afb. 3. Bipolaire motor en de methode om zijn wikkelingen te verbinden

Unipolaire motor Afb. 4. Concepttekening van een unipolaire motor en de methode om zijn wikkelingen te verbinden

Een bipolaire motor heeft meer koppel dan een unipolaire motor, hoewel dit ten koste gaat van complexere besturingen.

Nadelen en voordelen van stappenmotors

De belangrijkste voordelen van stappenmotors zijn de nauwkeurige werking, eenvoudige controle van de positie van de rotor en zijn rotatiesnelheid. Dit kan worden bereikt met een relatief eenvoudige constructie en lage kosten van de voltooide oplossing. Het motorkoppel is zeer hoog bij een laag toerental. De motorconstructie bevat geen borstels, hetgeen zich vertaalt in hoge mechanische duurzaamheid en toegenomen betrouwbaarheid. Een ander belangrijk kenmerk is de eenvoudige bediening van de motor: snelle start dankzij het hoge koppel, gemakkelijk stoppen dankzij het hoge houdkoppel en de mogelijkheid om snel van draairichting te veranderen. In veel toepassingen is ook het gemak van de vormgeving van start- en stopkarakteristieken van grote betekenis.

Een van de belangrijkste nadelen van stappenmotors is hun energiebehoefte. De motor heeft stroom nodig als hij in beweging is, maar ook als hij stilstaat. Het motorkoppel is het hoogst bij een relatief laag toerental en neemt af bij hogere toerentallen. Zoals eerder vermeld, is dit sterk gerelateerd aan de stroom die door de spoelen loopt en die is op zijn beurt weer afhankelijk van de impedantie van de spoelen die stijgt naarmate de schakelfrequentie toeneemt. Dit is de reden waarom het niet mogelijk is om een hoog toerental te bereiken met behoud van het koppel en het vermogen van de motor om de ingestelde belasting te "dragen".

Als het koppel onvoldoende is, treedt een fenomeen op dat slippen of stappenverlies wordt genoemd. Voor betrouwbare motorbesturing is daarom een terugkoppelingsmechanisme nodig dat bijvoorbeeld kan worden gemaakt op basis van een encoder of een ander type sensor. Dankzij dit mechanisme kan de motorcontroller "ervoor zorgen" dat de motor het opgegeven aantal stappen heeft gemaakt.

Besturing van een stappenmotor

Het is een goede praktijk om bij de constructie van aandrijvingen rekening te houden met de hele set, d.w.z. de motor en de driver, omdat het onmogelijk is om de eigenschappen van het hele aandrijfsysteem in overweging te nemen zonder rekening te houden met de parameters van beide. Simpel gezegd: zelfs de beste motor zal niet goed werken zonder de juiste driver en vice versa. De keuze van de motor + driver beïnvloedt de eigenschappen van het aandrijfsysteem in hoge mate.

De belangrijkste ontwikkelingsrichting van stappenmotors is het verminderen van de traagheid van de motor terwijl tegelijkertijd de resolutie (aantal stappen), het koppel en de energie-efficiëntie worden verhoogd. Daarom vindt u in de praktijk, naast de bovengenoemde typen motors, veel modificaties om de bovengenoemde parameters te verbeteren. Afhankelijk van hun toepassing verschillen de motors ook qua aantal wikkelingen en daarmee ook qua besturingsalgoritme.

Op het internet vindt u vele ontwerpen voor drivers van stappenmotors, van de eenvoudigste, uitgerust met een potentiometer voor snelheidsregeling, een knop voor het veranderen van de draairichting en een start/stopknop, gebouwd met discrete componenten zoals poorten, koppelingen en transistorsleutels, tot zeer complexe, bijvoorbeeld op basis van gespecialiseerde driver-printplaten en DSP-processors. Het lijkt er echter op dat dergelijke ontwerpen nuttiger zijn voor de constructie van niet-professionele of experimentele apparaten dan bijvoorbeeld voor gebruik in de industrie. Hier gaan we eerder uit van kant-en-klare oplossingen van beproefde fabrikanten.

Voor niet-professioneel gebruik is de eenvoudigste manier om een motordriver op basis van Arduino en een geschikte stroomversterker of motoraandrijving te bouwen. De keuze van de printplaat - uitbreidingsmodule is afhankelijk van de gebruikte motor.

Bij een bipolaire motor moet de stroom in twee richtingen kunnen lopen. Om de richting van de magnetische flux in de kern te veranderen, moet men daarom een enkele tuimelschakelaar gebruiken die bestaat uit afwisselend geschakelde transistors (halfbrugsysteem). Bij het aansturen van een unipolaire motor is het noodzakelijk om ervoor te zorgen dat de stroom in een bepaalde wikkeling slechts in één richting loopt, een enkele transistorsleutel per spoel is dus voldoende. Het is makkelijk te zien dat een unipolaire besturing minder sleuteltransistors vereist, maar zoals al eerder opgemerkt, werkt op een bepaald moment slechts de helft van de wikkeling en daarmee produceert een unipolaire motor zelf minder koppel dan een bipolaire motor. Een bipolaire motor vereist daarom een geavanceerder besturingssysteem, maar gelukkig bieden veel halfgeleiderfabrikanten gespecialiseerde geïntegreerde schakelingen aan die twee volledige transistorbruggen, circuits tegen oververhitting, overbelasting en overspanning en logische gateways bevatten om de besturing van de motor zelf te vereenvoudigen. Dergelijke geïntegreerde schakelingen zijn te vinden in de portefeuilles van STM, Toshiba Electric en anderen.

Bekijk het aanbod aan drivers

Besturing in de halfstap- of microstepmodus is veel complexer. Deze vereist namelijk passende manipulatie van individuele magnetische fluxen op een zodanige manier dat het resulterende veld een verandering in de positie van de rotor niet met een volledige stap, maar met een bepaald deel ervan veroorzaakt.

Tot slot

Tegenwoordig worden stappenmotors gebruikt in een grote verscheidenheid aan apparaten die nauwkeurige sturing van beweging en positionering vereisen. Daarom worden ze voornamelijk gebruikt in toepassingen die nauwkeurige verplaatsingscontrole vereisen en in positioneringsapparatuur, omdat het met behulp van een computer en een stuurprogramma gemakkelijk is om het juiste apparaat en de juiste software te ontwikkelen. Ze worden daarom veel toegepast in biomedische apparaten, computerdrives, printers, scanners, slimme verlichting, voor het besturen van cameralenzen en de positie van besturingselementen in verbrandingsmotoren, in robotica, 3D-scanners en -printers, XY-plotters, CNC-machines en andere apparaten. Van de populaire apparaten waarin vaak stappenmotors worden toegepast, noemen we hier printers: van oudere modellen matrixprinters tot moderne modellen die nog maar weinig gemeen hebben met traditioneel printen, nl. 3D-printers.

Stappenmotortoepassingen zijn tegenwoordig zeer bekend en gemakkelijk te gebruiken, ook door hobbyisten die ze bijvoorbeeld toepassen in zelfgebouwde CNC-machines of 3D-printers. De stappenmotor kan eenvoudig worden bestuurd met Arduino met de juiste adapter (bv. een shield met de geïntegreerde schakeling L293D). Dit opent een breed scala aan mogelijkheden om diverse interessante toepassingen te bouwen die kunnen worden gebruikt in verschillende takken van industrie, in het huishouden of de thuiswerkplaats.

VERDER LEZEN

Uw browser wordt niet meer ondersteund, download een nieuwe versie

Chrome Chrome Download
Firefox Firefox Download
Internet explorer Internet Explorer Download