EENVOUDIGE STAPPENMOTOR IN STAAT TOT GROOTSE PRESTATIES

Veelzijdige EN kostenefficiente oplossing

De stappenmotor is aan een opmerkelijke opmars bezig. De oorzaak is niet ver te zoeken: de verdere automatisering maakt van de stappenmotor een graag geziene gast in robotica-applicaties en pick-and-placetoepassingen. In combinatie met zijn relatief eenvoudige sturing maakt dat van deze component een van de werkpaarden van de industrie.

HOEKVERDRAAIING

Een stappenmotor is in feite een borstelloze synchrone elektromotor. Uniek aan de stappenmotor is dat zijn rotatie verdeeld wordt in een aantal stappen met gelijke hoekverdraaiing. Per puls wordt dus telkens een beweging met deze hoek gemaakt. De rotor is een permanentmagneet, terwijl de stator uit elektromagneten bestaat. Bij bekrachtiging van de stator zal het ontstane magnetische veld een pool van de rotor recht tegenover een pool van de stator draaien. Telkens als er een aandrijfpuls komt, zal dezelfde beweging herhaald worden en verplaatst de motor zich telkens met één verdraaiing, bijvoorbeeld het courante 1,8 of 0,9°. In het geval van 1,8° zijn er dus 200 impulsen nodig voor één volledige omwenteling, bij 0,9° is dat 400. Voor toepassingen die een fijnere hoekverdraaiing vereisen, wordt er gebruikgemaakt van microstepping - zie verder.

HOOG KOPPEL BIJ LAAG TOERENTAL

Opmerkelijk is verder dat een stappenmotor een hoog koppel kan leveren bij zeer lage toerentallen. Dit koppel (holding torque) kan zelfs gebruikt worden als rem. De combinatie van een laag toerental en een hoog koppel maakt de stappenmotor zeer geschikt voor positioneertoepassingen.

PRO'S & CONTRA'S

Voordelen

Naast het hoge koppel bij een laag toerental beschikt een stappenmotor ook over meerdere bijkomende voordelen. De eenvoudige opbouw maakt hem niet alleen makkelijk aan te sturen, ook prijstechnisch is hij een topper. De eenvoud heeft overigens weinig invloed op de betrouwbaarheid, want qua robuustheid is er weinig aan te merken op dit type motor.

Nadelen

Het onderverdelen van de beweging in stappen mag dan voor sommige toepassingen uitermate geschikt zijn, het ontbreken van een vloeiende beweging zorgt wel voor het telkens optreden van een piekbelasting, waardoor er trillingen en geluidsoverlast kunnen ontstaan.

RESOLUTIE, ACCURAATHEID EN HERHAALBAARHEID

Wie zich verdiept in lineaire overbrengingen, kan niet om de heilige drievuldigheid resolutie, accuraatheid en herhaalbaarheid heen. Hoewel ze van uiterst groot belang zijn in deze materie, worden ze toch vaak verkeerdelijk en door elkaar gebruikt. Daarom deze korte toelichting.

• Resolutie
  De resolutie van een lineair systeem wordt gedefinieerd als de kleinste afstand die de actuator kan verplaatsen per impuls. Deze wordt afhankelijk van de locatie uitgedrukt in inches of millimeter per stap.
  
  
• Accuraatheid
  De accuraatheid van het systeem wordt uitgedrukt als het verschil tussen de theoretisch afgelegde afstand en de effectief afgelegde afstand. Door de gehanteerde toleranties van de interne componenten zal die laatste licht verschillen van de eerste.
  
  
• Herhaalbaarheid
  Velen verwarren accuraatheid en herhaalbaarheid. Herhaalbaarheid is de mate waarin meerdere identieke verplaatsingsopdrachten, onder telkens dezelfde omstandigheden, resulteren in hetzelfde resultaat. 

TYPES

Er zijn drie types stappenmotoren op de markt: de permanentmagneetstappenmotor, de reluctantiemotor en de hybride vorm die meteen ook het meest voorkomende type is. Het voornaamste verschil is het achterliggende werkingsprincipe.

• Stappenmotoren met permanentmagneet
  Bij het type met permanentmagneten wordt de beweging verkregen dankzij een magneet die bekrachtigd wordt. De rotor van de motor heeft een zuid- en noordkant. Door de puls zal de rotor zich willen bewegen richting de op dat moment bekrachtigde fase. Hoe groter het aantal polen in de stator, hoe hoger de stapresolutie. Omdat de rotor beperkt is in omtrek, kan er ook maar een beperkt aantal polen gecreëerd worden, waardoor het aantal onderverdelingen per omwenteling beperkt is. Een typische waarde hiervoor is 48.
  
  
• Stappenmotor op basis van reluctantie
  Een stappenmotor die op basis van reluctantie werkt, maakt eigenlijk ook gebruik van magnetisme, maar doet dat op een iets andere manier. De beweging wordt uitgevoerd omdat de rotor zich naar de plaats met de minste reluctantie (magnetische weerstand) wil bewegen. Er is dus magnetisme, maar door een puls zal het de magnetismeweerstand van een fase verminderen, waardoor de stap gemaakt wordt om de rotor weer perfect te aligneren met de statortanden.
  Kenmerkend bij reluctantiemotoren is dat zowel de rotor als de stator getand is, iets wat bij PM-motoren meestal niet het geval is. Een reluctantiemotor heeft, in tegenstelling tot een permanentmagneetmotor, geen houdkoppel bij het uitschakelen en ook het draaikoppel is relatief laag. Ook voor trillingen zijn PM-motoren vatbaarder dan reluctantiemotoren. Een bijkomende onderverdeling in reluctantietypes wordt hier gemaakt door de singlestack- en multistacktypes, maar het zou ons in het kader van dit artikel te ver leiden om deze types uitgebreid te duiden.
  
  
• Hybride
  Deze stappenmotoren combineren de eigenschappen van beide types. Bij hybride motoren is de rotor magnetisch en getand, terwijl ook de polen getand zijn. In de langse richting is er hier een permanentmagneet geplaatst, dus is er ook een noord- en zuidkant zoals bij de permanentmagneetmotoren, maar hier zijn deze met een halve tandsteek verdraaid. De rotatie wordt hier weer verkregen via het reluctantieprincipe, waarbij de rotor altijd streeft naar de meest gunstige situatie. De magneet in de langsrichting dient enkel voor de voormagnetisering. Hybride stappenmotoren hebben wel een houdkoppel, hebben over het algemeen een iets beter rendement en zijn minder vatbaar voor resonantieproblemen. Ook zijn ze beter geschikt voor positioneringsapplicaties. De hybride stappenmotor wordt in de industrie tegenwoordig het meest gebruikt.

DIVERSE AANSTUURSYSTEMEN

Bij stappenmotoren is het mogelijk om meerdere werkingsprincipes te gebruiken, waaronder het reeds vermelde microstepping. Andere veelgebruikte principes zijn full step en half step.

• Full step
  Bij full step zal de rotor volledige stappen zetten omdat de fases een na een aangestuurd worden.
• Half step
  Vergelijkbaar hiermee is de halfstepmode. Omdat hier voortdurend een en twee fases aangestuurd worden, wordt de stap gehalveerd. Het grote voordeel ten opzichte van full step is dat er minder lawaai en trillingen ontstaan dankzij de kleinere stapgrootte.
• Microstepping
  In sommige toepassingen wil men wel gebruikmaken van de voordelen van een stappenmotor, maar is de onderverdeling in stappen of gehalveerde stappen te bruut en is er dus een fijnere verdeling gewenst. Dit kan opgelost worden door de microsteppingtechniek toe te passen, waardoor elke stap onderverdeeld wordt in kleinere stapjes.
  Zo werkt het: om één stap in het oorspronkelijke opzet te creëren, is er een puls van een zekere grootte nodig. Een puls met een kleinere grootte mag in principe niet resulteren in het vormen van een stap. Een microstepper zal deze puls geven via getrapte PWM-sinusvormige golven. De stappen in die sinusvorm zijn de microsteps en geven aan dat een kleinere puls wel moet resulteren in een beweging, weliswaar een kleinere puls dan de oorspronkelijke stap.
  Een veelvoorkomende waarde hierbij is 64, waarbij de oorspronkelijke stap van bij een uitvoering van een stappenmotor van 1,8° dus resulteert in een stap van 0,028°. Naast de mogelijkheid om zo kleinere stappen te ontwikkelen, zal een microstepper ook veel minder trillingen en lawaai veroorzaken. Belangrijk bij microstepping is dat types die op basis van wisselende reluctantie werken, door hun interne constructie niet ingezet kunnen worden voor microstepping.

TYPE WINDINGEN

Ook de opbouw van de wikkelingen kan op meerdere wijzes uitgevoerd worden.

• Bij een unipolaire sturing loopt de stroom door de statorwikkeling altijd in dezelfde richting. Er is een middenaftakking (common) die altijd verbonden is met de voeding, waardoor er zes aansluitingen zijn. Dit zijn relatief eenvoudige sturingen die eigenlijk nog weinig gebruikt worden. Een variant hierop is dat men beide commons samen verbindt, waardoor er maar vijf aansluitingen zijn.
• Bipolaire sturingen hebben stilaan de unipolaire varianten verdrongen. Hier loopt de stroom in twee richtingen door de stator. Hier is er geen middenaftakking, wat resulteert in vier aansluitingen.

TOEPASSING ALS LINEAIRE ACTUATOR

Als lineaire actuator wordt er vaak een spindel, tandlat of tandriem gebruikt. Maar ook een stappenmotor kan hier een kostenefficiënte oplossing bieden. Het opzet is eenvoudig: door de rotor van de motor loopt geen as, maar een spindel met schroef. Telkens als de stappenmotor zich verplaatst, wordt de roterende beweging overgeplaatst op de moer die zich op haar beurt lineair zal verplaatsen op de spindel.
Merk op dat de overbrenging hier rechtstreeks gebeurt, dus zonder reductie. Het voordeel is dat er minder kans is op falen, er is ook minder onderhoudsnood en vooral de kostenefficiëntie is meer dan aanvaardbaar. Er is ook het voordeel van het hoge startkoppel, waardoor de positie ook behouden kan blijven als de motorvoeding wegvalt. Het nadeel is dan weer dat de stappenmotor heel accuraat gedimensioneerd moet worden, want er is geen regeling via de reductorkast mogelijk.

RESONANTIE
Resonantieproblemen zijn overal in de elektromechanica een aandachtspunt, en dat is bij stappenmotoren helaas niet anders. Elke installatie heeft haar eigen, specifieke resonantiefrequentie. Als de stapfrequentie in de buurt komt van die resonantiefrequentie, kan dit niet enkel hoorbare gevolgen hebben zoals het luider draaien van de motor. Ook minder zichtbare gevolgen kunnen optreden, zoals trillingen. De resonantiefrequentie is ook afhankelijk van de belasting en de snelheid van de applicatie, maar zal in theorie altijd ergens tussen 100 en 250 stappen per seconde liggen. In bepaalde gevallen kan het benaderen van de resonantiefrequentie zelfs het overslaan van stappen tot gevolg hebben. De oplossing voor dit probleem is een kleine aanpassing van de step rate. Ook microstepping kan soelaas bieden.